Цель работы – изучить основные методы и средства измерения фазового сдвига и освоить методику автоматизированной оценки ошибки измерения.

1.Теоретическая часть.

Фазовые параметры имеют четкий физический смысл для гармонических сигналов, так как фаза определяет состояние колебательного процесса в любой момент времени.

Под фазой гармонического сигнала понимают аргумент функции U(t)=U_mcos(t+),

где U_m–постоянная амплитуда,

–угловая частота,

–начальная фаза.

Практический интерес представляет не фаза одного сигнала, а разность фаз между двумя сигналами. Фазовым сдвигом называют модуль разности начальных фаз U₁(t) и U₂(t) одинаковой частоты. Если U₁(t)=U_m1cos(t+) и U₂(t)=U_m2cos(t+),то фазовый сдвиг равен : =(₁₂)

Графически фазовый сдвиг можно пронаблюдать на рис.1

Рис.1.1. Фазовый сдвиг.

Фазовый сдвиг выражается в градусах или в долях периода. Простейшими устройствами, изменяющие фазовый сдвиг (фазовращателем) является RC-цепь.

Фазовый сдвиг можно измерить разными методами. Наиболее распространены методы преобразования фазового сдвига в постоянное напряжение и интервал времени. Реже используются методы сравнения. Кроме того, существуют осциллографические методы. Они являются оценочными и сводятся к измерению геометрических размеров на экране ЭЛТ. Для повышенной точности измерения малых разностей фаз применяют умножение частоты. В случаях, когда на очень высоких частотах необходимо измерить фазовый сдвиг низкочастотным фазометром, а также когда узкодиапазонный фазометр необходимо использовать в широком диапазоне частот, применяют гетеродинное преобразование частоты. Приборы, измеряющие фазовый сдвиг, называют фазометрами, или измерителями разности фаз.

1.1.Методы измерения фазового сдвига

Преобразование фазового сдвига в постоянное напряжение

Суть метода заключается в преобразовании фазового сдвига в длительность прямоугольных импульсов с последующим преобразованием в постоянное напряжение. Существует несколько способов преобразования измеряемого фазового сдвига в постоянное напряжение. Наиболее распространенным является метод суммирования прямоугольных импульсов.

В усилителях-ограничителях входные гармонические сигналы преобразуются в импульсы прямоугольной формы равной амплитуды. После инвертирования одного из сигналов на выходе сумматора появится последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых будет определяться разностью фаз. Электронный вольтметр покажет средневыпрямленное значение суммарного напряжения, которое будет про­пор­ционально фазовому сдвигу. Фазовый сдвиг будет находиться в пределах от 0 до 180°. Погрешность измерения зависит от частоты измеряемого сигнала и составляет +(2 - 6)° на частотах до нескольких мегагерц.

Преобразования фазового сдвига во временной интервал

Этот метод широко используется в цифровых фазометрах. Он подобен преобразованию частоты в интервал времени и преобразует фазовый сдвиг в длительность прямоугольных импульсов с последующим заполнением счетными импульсами. Стробирующий импульс с выхода триггера U_Т поступает на временной селектор, который открывает счетчик, и начинается счет импульсов с генератора счетных импульсов попавших в строб- импульс U_Т. Таким образом, количество импульсов, поступивших на счетчик, будет пропорционально фазовому сдвигу между входными сигналами U₁ и U₂.

Погрешность измерения определяется нестабильностью генератора счетных импульсов, в качестве которого используют кварцевый генератор, влиянием шумов в формирователях и дискретностью измерений.

Измерение фазового сдвига методом сравнения

Сущность метода состоит в том, что измеряемую разность фаз с помощью специального измерительного средства — фазовра­щателя, включаемого в цепь одного из сигналов, изменить так, чтобы результирующая разность фаз на устройство сравнения равнялась нулю. По изменению разности фаз, вносимых фазовра­щателем, определяют сдвиг фаз между сигналами. Так как результирующий сдвиг фаз доводят до нуля, то метод называют еще нулевым.

В качестве индикаторного устройства ИУ можно использовать осциллограф, фазовый детектор или измерительную линию (на СВЧ). При использовании осциллографа за рабочий уровень, обеспечивающий наибольшую точность сравнения, принимают 0°(360°), для фазового детектора — уровень разности фаз 90°, а для измерительной линии — ± 180°.

Погрешность измерения составляет десятые доли градуса и обусловлена погрешностью ИФВ, нестабильность фазового сдвига в УФВ и неточностью настройки на рабочий уровень.

Рис.2.1. Интегрирующая и дифференцирующая RC-цепи.