4.5 Цифровые измерители сдвига фаз

Цифровой метод измерения сдвига фаз построен на преобразовании фазового сдвига в интервал времени, который в дальнейшем измеряется методом дискретного счета.

В основе построения цифрового измерителя сдвига фаз лежит выражение

Δφ=360^o ΔT/T,

где T – период сигналов, ΔT – результат преобразования искомого фазового сдвига в интервал времени (Δφ → ΔT).

Многие цифровые измерители сдвига фаз обеспечивают работу как в режиме измерения абсолютной разности фаз, так и в режиме измерения приращения разности фаз.

Структурная схема измерения интервала ΔT цифровым методом показана на рис. 4.14. Два гармонических сигнала u₁ и u₂ подаются на входные устройства (ВУ), функцией которых является усиление или ослабление сигналов. После

Рис. 4.14

прохождения ВУ сигналы поступают на формирователь импульсов ФΔT, где они преобразуются в короткие импульсы u₁′ и u₂′. Данные импульсы используются для запуска и остановки временного селектора (ВС). Генератор счетных импульсов (ГСИ) вырабатывает импульсы, которые поступают на второй вход ВС. ВС передает на выход электронного счетчика (ЭС) пакеты импульсов от ГСИ. Количество счетных импульсов n, переданных на вход счетчика пропорционально интервалу времени ΔT. ЭС подсчитывает данные счетные импульсы, и результат подсчета выдает на цифровой индикатор (ЦИ). Параллельно рассмотренным действиям цифровой измеритель сдвига фаз производит измерение периода сигналов по методу дискретного счета. Устройства, измеряющие период сигнала на рис. 4.14 не показаны. Временная диаграмма работы цифрового измерителя сдвига фаз показана на рис. 4.15.

Рис. 4.15

Для уменьшения погрешностей измерения используют цифровые частотомеры среднего значения. Сдвиг фаз измеряется за большое число периодов сигнала, и в качестве окончательного результата принимается среднее значение результатов проведенных многократных измерений. В данном случае время измерения T_И > T. Временная диаграмма измерения сдвига фаз с усреднением показана на рис. 4.16.

Рис. 4.16

Как видно из данного рисунка, на каждом периоде сигнала производится измерение интервала времени ΔT_i. После завершения измерений значения ΔT_i усредняются.

Погрешность измерения цифрового фазометра указывается в его паспор­те. Если у фазометра преобладает аддитивная составляющая погрешности, то в паспорте приводится предел его допускаемой основной абсолютной по­грешности: Δ_пр = ± φ₀ (например, Δ_пр = ± 0,5°). Если же аддитивная и мульти­пликативная составляющие погрешности соизмеримы по значению, то ука­зывается зависимость предела абсолютной допускаемой погрешности от показания фазометра φ_п: А = ± (φ₀+ bφ_п), где b – постоянное число (на­пример, Δ_пр = ± (0,5 + 0,01φ_п)°.

Во многих случаях погрешность измерения сдвига фаз зависит от частоты сигнала. Так, например, для измерителя разности фаз Ф2-34 погрешность измерения углов фазового сдвига при равных значениях входных напряжений в диапазоне от 20 мВ до 2В в рабочем диапазоне частот не превышает значений, указанных в табл. 4.3. [35].

Таблица 4.3

Частота (f), Гц	Погрешность, град
0,5≤f<1	±0.25/f
1≤f<20	±(0,08+0,1/f)
20<f≤5·10-6	±(0,1+10-7·f)

Нередко в документации на прибор указываются предельные значения погрешности измерения сдвига фаз, вызванные неравенством уровней входных напряжений. Значения абсолютных предельных погрешностей указываются для конкретных диапазонов частот в виде

Δ_А = ±kA,

где k – постоянное число; A – перепад уровней напряжений на входах прибора (обычно в дБ). Так для измерителя разности фаз Ф2-34 Δ_А= ± 0,1A° для 0<A≤20дБ относительно уровня 2В в диапазоне частот от 0,5 Гц до 200 кГц.

Помимо рассмотренных параметров для цифровых измерителей сдвига фаз большое значение имеет диапазон рабочих частот и диапазон измерения углов фазового сдвига сигналов в рабочем диапазоне частот.