2.3.Аналоговые измерители фазы [1,стр.216-224, 2,стр.119-123].

Понятие “фаза” характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени. Для гармонического колебания u₁(t) = U_m1Sin (ωt + φ₁) c амплитудой U_m1 и круговой частотой ω текущая (мгновенная) фаза в момент времени t равна φ = ωt + φ₁ ,где φ₁ – начальная фаза.

Фазовым сдвигом Δφ двух гармонических сигналов одинаковой частоты

u₁(t) = U_m1Sin (ωt + φ₁) и u₂(t) = U_m2Sin (ωt + φ₂) называется модуль разности их фаз:

Δφ = ‌ φ₁ – φ₂ ‌ . (2.12)

Собственно же величина Δφ = φ₁ – φ₂ называется разностью фаз сигналов. Фазовый сдвиг Δφ не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы φ₁ и φ₂. Для измерения фазового сдвига используются приборы , называемые фазометрами. Существует ряд основных методов измерения фазового сдвига. Из них рассмотрим два вида: осциллографический и дискретного или цифрового счета.

Метод синусоидальной развертки или эллипса реализуется с помощью однолучевого осциллографа при подаче одного сигнала на вход “Y”, а второго – на вход “X” отклонения луча. При этом генератор развертки осциллографа должен быть выключен.

На рис.10 представлена измерительная схема определения сдвига фазы сигнала при прохождении его через четырехполюсник. Поскольку частоты сигналов на входе и выходе равны, то на экране осциллографа появляется фигура Лиссажу в виде эллипса (рис.11), наклон большой оси которого к оси “ОХ” связан со сдвигом фазы Δφ и определяется по формуле

(2.12)

если эллипс располагается в первом и третьем квадрантах и по формуле

(2.13)

если эллипс располагается во втором и четвертом квадрантах.

2.4.Цифровые измерители фазы.

Метод дискретного счета (более точное название – цифровой метод измерения фазового сдвига), используемый в цифровых фазометрах, включает две основные операции:

– преобразование фазового сдвига Δφ в соответствующий интервал времени ΔТ;

– измерение интервала времени методом дискретного счета.

Сущность метода заключается в преобразовании обоих синусоидальных напря-жений в периодические последовательности коротких импульсов, соответствующих моментам переходов этих напряжений через ноль с производными одинакового знака (такое преобразование выполняется компараторами –“детекторами нуля”). Интервал времени ΔT между ближайшими импульсами пропорционален определяемой разности фаз Δφ (рис.12,б). Поэтому можно записать следующие соответствия:

Δφ ↔ ΔT

2π ↔ T поделив попарно левые и правые части получим отсюда следует расчетная формула (2.14)

Таким образом для определения разности фаз Δφ необходимо измерить интервалы времени ΔТ и Т методом дискретного счета.

Рассмотрим реализацию метода дискретного счета в фазометре (рис.12), в состав

которого входят преобразователь Δφ→ ΔТ искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени ΔТ. Преобразователь имеет два одинаковых входных устройства ВУ1 и ВУ2, два формирователя Ф1 и Ф2 и RS–триггер Т (DD2). Исследуемый гармонический сигнал u₁(t), действующий на входе четырехполюсника (см.рис.10), подается на входное устрой-ство (ВУ1), усиливающее или ослабляющее его до значения , требуемого для работы последующего устройства фазометра. Снимаемый с выхода ВУ1 гармонический сигнал поступает на первый формирователь импульсов (ФУ1), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов u_3, следующих с периодом Т (см.рис.12,б). Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментом перехода сигнала u₁(t) через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Формирователь ФУ1 состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (на базе триггера Шмитта).

Сигнал u₂(t) c выхода четырехполюсника поступает на входное устройство (ВУ2), затем в формирующее устройство (ФУ2) и преобразуется в последовательность коротких однополярных импульсов u₄, с периодом повторения Т и сдвинутых относительно импульсов u₃ на фазовый угол Δφ или временной интервал ΔT.

Импульсы u₃ запускают (на S-входе), а импульсы u₄ сбрасывают (на R-входе) RS-триггер (DD2) в исходное состояние. В результате на выходе триггера формируется периодическая последовательность импульсов напряжения u₆ , период повторения и длительность которых равны периоду Т и сдвигу во времени ΔT исследуемых сигналов u₁(t) и u₂(t). Импульсы напряжения u₆, так называемые “временные ворота 1”, в даль-нейшем, используются в качестве управляющего сигнала временным селектором (ВС2).

Импульсы u₃ одновременно запускают Т-триггер (DD1,на базе JK-триггера в счетном режиме). Каждый импульс u₃ опрокидывает Т-триггер, в результате чего на выходе его формируются прямоугольные импульсы u₅, длительность которых равна периоду Т гармонических сигналов. Импульсы напряжения u₅, так называемые “временные ворота 2”, в последующем, используются в качестве управляющего сигнала временным селектором (ВС1).

Временные селекторы (ВС1) и (ВС2) представляют собой ключевые логические схемы на базе логических элементов “И”–элементов логического умножения. Логические элементы используются в качестве электронных ключей, открытое состояние которых зависит от длительности действия уровня логической “1” “временных ворот” на их входах “1”.

На входы “2” временных селекторов поступает непрерывная последовательность счетных импульсов с известным периодом повторения Т_сч. из генератора счетных импульсов (ГСИ). Генератор счетных импульсов состоит из кварцевого генератора гармонических колебаний стабильной частоты и схемы формирования импульсов.

На входы “3” временных селекторов поступают сигналы с уровнем логической “1” из управляющего устройства (УУ), задающего циклический характер измерения фазо-метром. В начале каждого цикла измерения из управляющего устройства (УУ) посту-пают стробирующие короткие импульсы на вторые входы счетчиков для “обнуления” счетчиков перед началом следующего цикла счета импульсов.

С четные импульсы со стабильным периодом повторения Т_сч. используются в качестве меры интервала времени. Таким образом искомая длительность “временных ворот” может быть найдена путем “заполнения” временных ворот счетными импульсами и подсчетом их количества. Эту операцию выполняют временные селекторы совестно со счетчиками импульсов (СИ1) и (СИ2).

Временные селекторы “пропускают” на счетчики счетные импульсы до тех пор пока на их входах “1” действуют уровни логической “1” и заканчивают пропускать, когда напряжения u₅ и u₆ принимают уровни логического “0”. Таким образом напряжения u₇ и u₈ содержат N и n счетных импульсов пропорциональных интервалам времени Т и ΔТ.

Следовательно, можно записать следующие соотношения:

Т = N₍₂₎· T_сч. , ΔТ = n₍₂₎· T_сч. ,а формула (2.14) принимает вид

(2.15)

Таким образом на выходах счетчиков появляется информация о количестве счетных импульсов в двоично-десятичном коде (8421), которая преобразуется в десятичный код в цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ) и записывается на цифровых табло фазометра. Искомый фазовый сдвиг рассчитывается по формуле (2.!5).

В более совершенных фазометрах операция деления количества импульсов выполняется специальным блоком и на цифровом табло фазометра появляется значение фазового сдвига в угловых единицах.