М етод преобразования фазового сдвига в импульсы тока:

И сследуемые напряжения u₁ и u₂ поступают на два идентичных канала, каждый из которых состоит из вход­ного устройства ВхУ, синхро­низируемого мультивибратора СМВ и дифференцирующей це­пи ДЦ. Мульти­вибраторы вырабатывают меандры U₁ и U₂, частота которых равна частоте входных напряжений. Меандры дифференцируются, и фронты получившихся при этом коротких импульсов u_1д и u_2д точно соответствуют моментам переходов через нуль исходных напряжений. Отрицательные импульсы ограничиваются, а положительные остаются. Нетрудно убедиться, что интервал ∆T между импульсами 1—2, 3—4 и т. д. пропорционален фазовому сдвигу; если его отнести к длительности периода Т, то в соответствии с формулой (1) получим φ=360∆T/T. Положительные импульсы используют для управления триггером Тг. Импульс первого канала открывает триггер, а второго — закрывает. В соответствующей цепи триггера возникает прямоугольный импульс I_Тг, длительность которого ∆T соответствует фазовому сдвигу φ.

В цепь тока триггера включен магнитоэлектрический миллиамперметр, показания которого пропорциональны среднему значению тока за период:

Очевидно, что шкалу миллиамперметра можно градуи­ровать непосредственно в градусах.

Прямопоказывающий прибор, схему которого мы рас­смотрели, называется фазометром. Диапазон рабочих частот фазометра, работающего на принципе преобразования фазо­вого сдвига в импульсы тока, ограничен снизу инерционны­ми свойствами магнитоэлектрического индикатора (20 Гц), а сверху — паразитными параметрами схемы и инерцион­ностью транзисторов, ухудшающими фронт импульса и четкость срабатывания триггера. Применение туннельных диодов позволяет увеличить верхнюю границу частот до 1 МГц. Погрешность измерения составляет 1,5—3°.

Метод дискретного счета

И змерение фазового сдвига методом дискретного счета основано на формуле (1), в которую следует подставить вместо интервалов времени ∆T и Т соответствующее им число импульсов с постоянной частотой повторения. Прямо-показывающие фазометры такого типа называют электронно-счетными, или цифровыми, фазометрами. Имеется несколько схем цифровых фазометров, но преимущественное распро­странение получили интегрирующие фазометры, в которых результат измерения представляет собой среднее значение фазового сдвига за большое число периодов измеряемого напряжения. В таких фазометрах обеспечивается хорошая помехозащищенность.

С труктурная схема цифрового фазометра средних значе­ний имеет вид (а), а диаграммы напряжений, поясняющих ее работу (б). В схеме имеются два формирующих устройства ФУ₁ и ФУ₂, управляющее устройство УУ, два временных селектора ВС₁ и ВС₂, гене­ратор счетных импульсов ГСчИ, делитель частоты ДЧ и электронный счетчик ЭС с цифровой индикацией ЦП. На входы формирующих устройств поступают два напряжения u₁ и u₂, фазовый сдвиг между которыми подле­жит измерению.

Когда напряжение u₁ переходит через нуль от отрицательных значений к положительным, на выходе первого формирующего устройства появляется стартовый импульс, воздействующий нa управляющее устройство так, что оно открывает первый временной селектор Когда напряжение u₂ аналогично переходит через нуль, на выходе второго формирующего устройства появляется стоповый импульс, который через управляющее устройство закрывает первый селектор.

Следовательно, первый временной селек­тор находится в открытом состоянии один раз за период исследуемых напряжений в течение интервала времени ∆T. Этот интервал заполняется счетными импульсами, поступающими от генератора ГСчИ. Таким образом, через открытый первый селектор ВС₁ проходит группа из n импульсов: n=∆Т/Т_СЧ = ∆Тf_СЧ, где Т_сч = 1/f_сч — период повторения счетных импульсов.

Для усреднения результата измерения импульсы счи­таются в течение интервала времени Т_ус = mТ, где Т — период входных напряжений. Импульс длительностью T_ус формируется делителем частоты ДЧ из счетных импульсов; T_ус = kT_сч, где k — коэффициент умножения периода, a 1/k — коэффициент деления частоты. Импульс поступает на второй селектор BC₂, открывает его, и на электронный счетчик пройдут m групп счетных импульсов. Общее число импульсов, прошедших на счетчик и далее на цифровой индикатор, составляет N=nm. Подставляя значения n и m, а затем ∆T из формулы (1), получаем

откуда измеренный фазовый сдвиг

Погрешность измерения складывается из случайной погрешности дискретности, т. е. возможности потери одного счетного импульса в группе, и возможности потери части группы в интервале усреднения.

Анализ показывает, что максимальная погрешность составляет ∆φ = 90/(fТ_ус) = 90/m, где f — частота исследуемых напряжений. Отсюда следует, что с понижением f время измерения возрастает. Для уменьшения погрешности дискретности иногда при­меняют модуляцию частоты генератора счетных импульсов (в небольших пределах), что приводит к равновероятному числу импульсов в каждой группе и математическому ожиданию, равному нулю в интервале времени усредне­ния.