6.2. Измерение фазового сдвига методом суммы и разности напряжений

Общая идея, положенная в основу рассматриваемого метода, заключается в переносе информации об измеряемом значении в амплитуду результирующего (суммарного или разностного) на­пряжения с последующим измерением этого напряжения аналого­вым или цифровым вольтметром. Таким образом, фазовые измерения трансформируются в амплитудные, существенно рас­ширяя функции вольтметров и превращая их в амплифазометры.

Действительно, если сигналы, описываемые выражениями (6.2), подать на схему сложения (сумматор), то амплитуда их векторной суммы с учетом (6.3) будет равна

и при

(6.7)

Аналогично с помощью схемы вычитания можно образовать разностное напряжение, амплитуда которого

(6.8)

Как видно из (6.7) и (6.8), для измерения достаточно исполь­зовать только значение , или . Однако такой фазометр будет иметь неравномерную шкалу и резко выраженную зависимость по­грешности измерения от самого значения (в силу свойств функций cos /2 и sin /2). Результаты измерения будут зави­сеть, кроме того, от (хотя эта информация необходима для ре­ализации амплифазометра). Поэтому в практических схемах фазо­метров (рис. 6.1) осуществляют дополнительные преобразования, используя для этой цели и суммарное, и разностное напряжения.

Как видно из рис. 6.1, перед образованием суммарного и разно­стного напряжений амплитуды и уравниваются с помощью ВУ1 и ВУ2, а дополнительные преобразования сводятся либо к делению на (рис. 6.1, а), либо к образованию разности (рис. 6.1, б). В первом случае в качестве ИУ фазометра применяется ИО, рассмотренный в § 3.5.5, а во втором — дополни­тельная схема вычитания с вольтметром.

Если в схеме рис. 6.1, а разностное напряжение подать на вход канала делимого ИО, а суммарное — на вход канала делителя, то показание ИО, согласно (6.7) и (6.8), будет пропорционально

(6.9)

Из (6.9) видно, что результаты измерения уже не зависят от . Кроме того, неравномерность шкалы и зависимость погрешности измерения от значительно уменьшаются, так как функция tg /2 более линейна, чем, например, sin /2. Однако, поскольку пределы измерения ИО ограничены, диапазон измеряемых меньше 0...± .

Недостатки схемы рис. 6.1, а устраняются в схеме рис. 6.1, б, где образуется разность

На рис. 6.2 приведен график зависимости от , из которого видно, что при применении вольтметра с нулем посредине шкалы и

Р ис. 6.1. Структурные схемы фазометров, реализующих метод суммы и разности напряжении:

а — с измерителем отношения; б — с фазовым детектором.

Р ис. 6.2. Градуировочная характеристика фазометра с фазовым детектором.

предварительной калибровке фазометра для устранения зависимости пределы измерения расширяются до 0...2 , а шкала фазометра является равномерной.

Оба варианта фазометра могут быть реализованы в диапазонах ВЧ и СВЧ. На ВЧ применяются типовые схемы сложения и вычи­тания (пассивные и активные), ИО работает на частоте сигналов и , а в качестве измерителя чаще всего применяет­ся ФД с магнитоэлектрическим прибором. В диапазоне СВЧ схемы сложения и вычитания представляют собой гибридные соединения типа восьми- и двенадцатиполюсников, свойства и характеристики которых рассматриваются в курсе «Антенны и устройства СВЧ». Между ними и измерительной частью фазометра включаются детек­торы СВЧ сигналов, квадратичный закон детектирования которых должен учитываться при анализе работы фазометра.

Основное применение рассмотренного метода — разработка на его основе аналоговых фазометров, работающих в диапазонах ВЧ и СВЧ и обеспечивающих измерение с основной погрешностью порядка ±2,5°.