4.4. Цифровые измерители фазовых сдвигов

Фазовый сдвиг – модуль разности начальных фаз гармонических сигналов одинаковой частоты.

Наиболее распространены следующие методы измерения фазовых сдвигов:

1. преобразование фазового сдвига в интервал времени с последующим измерением его длительности методом дискретного счёта;

2. преобразование фазового сдвига в напряжение с последующим измерением напряжения любыми известными методами (аналоговыми, цифровыми);

3. осциллографические методы.

Приборы для измерения фазового сдвига называются фазометрами.

Широкое распространение получили фазометры, построенные на основе метода дискретного счёта, в связи с чем, рассмотрим метод преобразования фазового сдвига в интервал времени.

Принцип измерения: исследуемые сигналы преобразуются в последовательность коротких импульсов, например, эти импульсы формируются в моменты перехода напряжения сигнала через «нуль» (когда производные имеют одинаковый знак). Интервалы времени между двумя ближайшими короткими импульсами пропорциональны фазовому сдвигу:

;

.

Рис. 34

Для уменьшения влияния помех на результат измерения, измеряют не мгновенное, а среднее значение фазового сдвига, для чего необходим формирователь длительности времени измерения , т.е. «временных ворот».

Рис. 35

Аппаратурная реализация электронно-счётного фазометра:

Рис. 36

На рисунке 36: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, УУ – устройство управления, ВС – временной селектор, ГСИ – генератор счётных импульсов, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.

Исследуемые сигналы в виде напряжений и (одинаковой частоты) через входные устройства ВхУ1 и ВхУ2 поступают на формирователи импульсов ФИ, назначение которых – преобразовать входные сигналы в последовательности коротких импульсов в определённые моменты времени. Сформированные импульсы поступают на вход УУ, на выходе которого формируются импульсы длительностью , по форме близкие к прямоугольным; эти импульсы поступают на один вход временного селектора ВС, на другой вход поступает сигнал с выхода генератора счётных импульсов ГСИ; счётчик СИ подсчитывает количество импульсов, прошедших через ВС за время .

Такая аппаратурная реализация используется для измерения мгновенных значений сдвига фаз.

Основным недостатком таких устройств является подверженность влиянию помех, в результате чего фазовые сдвиги изменяются случайным образом, поэтому чаще используются фазометры, измеряющие средние значения фазовых сдвигов за определённый интервал времени.

Рис. 37

На рисунке 37: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, УУ – устройство управления, ВС – временной селектор, ГСИ – генератор счётных импульсов, ДЧ – делитель частоты, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.

Для построения таких фазометров добавляют ВС2, на один вход которого подаётся строб-импульс. Длительность интервала времени измерений задают так, чтобы , где - период исследуемого сигнала, - количество пачек счётных импульсов. СИ подсчитывает количество импульсов , поступивших на его вход за интервал времени .

Расчетные соотношения:

;

;

,

где , . Тогда с точностью до константы .

Основные источники погрешностей:

1. несинхронность во времени исследуемых сигналов и счётных импульсов, что приводит к появлению погрешности дискретности, для уменьшения которой в электронно-счётных фазометрах счётные импульсы формируют из одного из исследуемых сигналов или путём умножения частоты;

2. погрешность, обусловленная неточным определением момента перехода сигналов через нуль. В связи с этим, большое значение имеет отсутствие искажений формы исследуемых сигналов.