6.4. Расширение частотного диапазона фазометра.

Выше было показано, что чем выше частота измеряемого сигнала, тем ниже разрешающая способность, а значит на высокой частоте минимальная измеряемая фаза может быть достаточно большой.

Как измерить малое значение фазового сдвига на высокой частоте?

Для этого используется гетеродинное преобразование, которое ясно из приводимой блок-схемы (рисунок 6.14):

Рис. 6.14.

Здесь ωгет– генератор синусоидальной частоты, ПФ – полосовые фильтры, пропускающие разностную частоту ω1- ωгет., СМ – смесители.

Запишем основные соотношения для этой схемы.

На входном устройстве Вх1: u1(t)=sin(ωt+φ1)

На втором входном устройстве: u2(t)=sin(ωt+φ2)

На вход низкочастотного фазометра поступают колебания:

и(7.5)

Низкочастотный фазометр будет измерять искомую разность фаз на разностной частоте, то есть: , так как фазовый сдвиг за счет гетеродина один и тот же в каждом канале.

6.5. Измерение временных интервалов

Для реализации аналоговых методовизмерения временных интервалов применяют осциллографы с различными видами разверток: линейной, круговой, спиральной.

Для повышения точности измерения с линейной разверткой необходимо предъявлять повышенные требования к линейности развертки. Для повышения динамического диапазона измерения временных интервалов используют круговую или спиральную развертки.

Поясним, почему круговая и в большей степени спиральная развертка, обеспечивают больший динамический диапазон измерений.

Рис.6.15

На рисунке 6.15 показаны три импульса. Необходимо измерить временной интервал между 1, 2 и 3 импульсами. Если взять длительность линейной развертки Т2, то на экране будут видны все три импульса, но расстояние между импульсами будет измерено грубо (с малым разрешением) из-за крупного масштаб по оси Х осциллографа, если же взять развертку Т1, то расстояние от 1-го до 2-го можно измерить с хорошим разрешением, но 3-го импульса на экране не будет – т.е. до него расстояния с этой разверткой измерить нельзя, как это показано на рис 6.16.

Интуитивно ясно, что если бы длину развертки увеличить, то «поместился» бы и 3-ий импульс. Таким образом, для увеличения динамического диапазона нужно «удлинить» развертку, что и получим, если применить круговую развертку. Действительно, при длине экранаLx и линейной развертке её длина будетLx, а при круговой πLx. При спиральной будет ещё больше – порядкаnπLx, гдеn– число витков спирали.

Цифровые методыизмерения временных интервалов реализуются подобно тому, как измерялся период в цифровом частотомере. Для уменьшения погрешности измерения (основной составляющей - погрешности дискретности) используют аппаратные способы уменьшения погрешности дискретности. Ниже рассмотрен один из методов -метод «трансформации» временного масштаба.

τ1

Рис.6.17

На рис.6.17 изображено:

а) – импульсы, временной интервал между которыми Тх и его нужно измерить;

б) – счетные импульсы, следующие с периодом Тсч;

в) – строб длительности измеряемого интервала Тх;

г) – «пачка» счетных импульсов, подсчитанных за измеряемый интервал Тх ;

д) – стробы, длительность которых τ1и τ2, определяемая погрешностью дискретности;

е) – временные интервалы в К раз большие погрешностей дискретности, т.е. Кτ1и Кτ2 (последний на рисунке указан не полностью);

ж) – стробы равные Кτ1и Кτ2 (второй показан не полностью);

в) – «пачка» счетных импульсов, попавших в расширенный в К раз интервал τ1.

Рассмотрим принцип данного метода. Как видно из рисунка результат измерения и измеряемый интервал Тх связаны соотношением:

Тх = Ти+τ1– (Тсч-τ2)= (N+1)Tсч+ τ1- τ2 = Ти +[ τ1+ (Тсч- τ2)] (6.6)

т. е. измеренное значение (Ти) отличается от измеряемого (Ти) на величину в квадратных скобках, которая и составляет погрешность измерения. Для уменьшения погрешности нужно измерить τ1 и τ 2, величина каждой меньше Тсч.Для того, чтобы измерить интервалы, меньшие Тсч, в данном методе происходит изменение временного масштаба – вместо строба длительностью τi формируется строб в К раз длиннее. Технически это можно, например, получить заряжая конденсатор малой ёмкости напряжением строба длительностью τi, а разряжать с постоянной времени в К раз большей, чем постоянная времени заряда, а после этого подсчитывать счетные импульсы, попавшие в расширенный строб. Тогда число импульсов, попавших в расширенные стробы, будет:

и, откудаи

и окончательно результат можно записать:

(6.7)

Для удобства устанавливают , где М – целое число. Если например К=1000, то разрешающая способность возрастает в 1000 раз, т.е до 0,001Т.