2.3.3. Цифровые фазометры с постоянным временем измерения

В ЦФ со временем измерения, кратным периоду, значение ФС определяется по формуле (2.29). В ЦФ с постоянным временем измерения . Значение выбирают таким, чтобы выполнялось условие

, (2.32)

где z – целое число.

Отсюда должно удовлетворять условию

.

Например, при z=2

.

Допустим, что , следовательно, результат измерения ФС равен 271.34⁰.

В данном случае необходимо менять положение десятичной точки в отображаемом значении . Фазометр получается прямопоказывающим и не требует наличия МВБ. Структурная схема ЦФ с постоянным временем измерения приведена на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Структурная схема ЦФ с постоянным временем измерения

Значение ФС для такого фазометра определяется по формуле

.

Время измерения постоянно и составляет

.

Времязадающее устройство фазометра с постоянным временем измерения синхронизировано импульсами генератора тактовых импульсов (ГТИ). В остальном ЦФ с постоянным временем измерения аналогичен ЦФ с временем измерения, кратным периоду. Однако неравенство времени измерения целому числу периодов входного сигнала приводит к дополнительной погрешности, особенно сильно проявляющейся в области низких частот входных сигналов. В связи с этим данная погрешность называется низкочастотной.

Основными достоинствами ЦФ с постоянным временем измерения являются высокая точность измерения ФС, обусловленная усреднением результатов измерений за большое число периодов входного сигнала; широкий частотный диапазон измеряемых сигналов; большой динамический диапазон по амплитуде входных сигналов без применения каких-либо регулировок; высокая временная стабильность прибора вследствие отсутствия в нем каких-либо селективных цепей. К недостаткам следует отнести низкую помехоустойчивость, пониженное быстродействие и наличие низкочастотной погрешности.

2.3.4. Ортогональные цифровые фазометры

Для измерения ФС сигналов в условиях аддитивных помех в п. 2.2.6 рассмотрен ортогональный фазоизмеритель, выполняющий обработку сигнала с целью оптимальной оценки ФС. Ортогональный фазометр, схема которого приведена на рис. 2.11 может быть реализован с применением цифровых узлов и методов цифровой обработки сигналов.

В настоящее время используют два метода, реализующие цифровое измерение ФС с ортогональной обработкой сигналов:

1. с аналоговым перемножением. В данном случае выполняется аналоговое перемножение опорного и входного сигналов. Затем результат преобразуется в цифровую форму, в которой идет накопление интегралов I и Q с вычислением .

2. с дискретной обработкой. В этом случае опорный и входной сигналы подвергают дискретизации до их перемножения. Перемножение сигналов, накопление корреляционных интегралов вычисление ФС осуществляется по их цифровым эквивалентам.

Первый метод дает дополнительную погрешность, связанную с применением аналоговых перемножителей. Второй метод более удобен, хотя его быстродействие ограничено быстродействием цифровой элементной базы.

На современном уровне развития техники более перспективным является метод 2, позволяющий отказаться от использования в фазометре аналоговых узлов и полностью перейти к цифровой обработке сигналов с использованием микропроцессорных систем. Данный метод позволяет повысить точность и временную стабильность характеристик прибора, а также обеспечить снижение массогабаритных характеристик.

Дальнейшее совершенствование ортогональных фазоизмерителей связано с повышением их точности (особенно при обеспечении широкого динамического и частотного диапазонов), а также помехоустойчивости по отношению к узкополосным шумам, широкополосным шумам и сосредоточенным по спектру помехам.

В реальных условиях помеху можно математически описать следующим выражением:

, (2.33)

где: − белый или коррелированный шум; , , − соответственно амплитуда, частота и фаза i-й гармоники, сосредоточенной по спектру помехи; n – общее число гармоник.

На рис. 2.22 приведена структурная схема фазоизмерителя с ограниченными сигналами.

Рис. 2.22. Фазоизмеритель с ограниченными сигналами

Значения, зафиксированные счетчиками, составляют

;

.

МВБ выполняет оценку ФС в соответствии с выражением, аналогичным формуле (2.18), полученной для оптимального измерения

.

К достоинствам фазоизмерителя с ограниченными сигналами следует отнести:

• широкий динамический диапазон входных сигналов;

• возможность работы в широком частотном диапазоне;

• за счет ограничения достигается представление сигналов меньшим числом разрядов, что обеспечивает большее быстродействие устройства по сравнению со схемой ортогонального фазометра, приведенной на рис. 2.11;

• применение в весовых методов измерения ФС позволяет добиться высокой помехоустойчивости по отношению к сосредоточенным по спектру помехам, при незначительном ухудшении помехоустойчивости по отношению к гауссовым шумам.

Данные характеристики определяются схемами построения входного и формирующего устройств, которые могут быть сделаны достаточно широкополосными, с большим коэффициентом усиления для обеспечения широкого динамического диапазона входных сигналов.

Основным недостатком рассмотренного фазоизмерителя является увеличение погрешности измерения ФС при увеличении отношения сигнал/шум q. Данная погрешность является систематической и обусловлена тем, что при ограничении опорного и измеряемого сигнала их спектральный состав обогащается, причем амплитуда высших гармонических составляющих возрастает с ростом отношения сигнал/шум [7]. Влияние высших гармоник смеси приводит к дополнительной инструментальной погрешности измерения фазового сдвига.

На рис. 2.23 приведена зависимость систематической погрешности измерения ФС от величины измеряемого фазового сдвига при различных значениях отношения сигнал/шум q.