Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



в пределах +(2-6)° на частотах до нескольких мегагерц.

Схемы с отрицательной обратной связью позволяют осуществить наиболее точное суммирование при почти полном отсутствии связи между источниками измеряемых сигналов. Если пренебречь током через входное сопротивление в схеме сложения с обратной связью (рис. 8.9), то i, + «2 = i, или

([/. -1/0/Z. + (172 - Ю/г = ([/ + [/)/Zo.c;

Zo.e(t/./Z, + [/2/Z,) l+(l + Zo.c/Zi+Zo.JZ,)/fo.e

При достаточно большом коэффициенте усиления Ко.с

U = Zo.cU,/Z,+Zo.cUJZ2,

т. е. выходное напряжение является суммой входных с некоторыми коэффициентами. Если Z, = Zj, то 17 = [/, + [/2 независимо от параметров усилителя, но показания приборов на выходе усилителя зависят от амплитуд сигналов и от содержания в них гармоник.

Погрещность измерения фазы, вьпван-ную неравенством [/j Ф U, можно найти, введя относительную разность напряжений

6 = ([/.-[/2)/[([/i-[72)/2]. Легко показать, что амплитуда суммы

t/. =-2 /cos(-j +-(т>

Отклонение выходного напряжения от значения, которое получалось бы при 1/, = = и2, приводит к погрещности измерения фазы:

С08(ф +6ф)

cos-

69j. = 2 arccos


Рис. 8.10. Схема балансного фазового детектора

Аналогично при использовании разности напряжений

Рис. 8.9. Схема суммирования на усилителе с обратной связью

8фр = 2 arcsin jr ~

Результирующая погрешность измерения определяется погрешностью градуировки отсчетного прибора, степенью постоянства и равенства амплитуд, а также содержанием гармоник в измеряемых напряжениях, которые необходимо отфильтровать до подачи на суммирующее устройство. Погрешность метода составляет 1 - 2°.

Метод измерения фазового сдвига с использованием балансного фазового детектора основан на измерении суммарного и разностного напряжений с одновременным их детектированием.

Как показано на рис. 8.10, балансный фазовый детектор работает в режиме амплитудного детектирования, а в качестве индикатора используется электронный вольтметр. Измеряемые напряжения выравниваются и калибруются по значению. Это дает возможность градуировать шкалу электронного вольтметра непосредственно в градусах. В процессе работы к диодам и 12 приложены сумма и разность напряжений соответственно:

[/, -Ь [/2 = Umax [sin cot -Ь sin(cut -Ь ф)] = = 2[/„„cos- --sincot -Ьу;

l/l - 1/2 = I7max [sin cot - sin ((Bt + ф)] =

= 2J7„„sin- coscot +

Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов С, и С2 выбираются такими, чтобы ЛС, = RC2 » Т, где Г - период измеряемых напряжений. В этом случае напряжения на конденсаторах С, и С2 в установившемся режиме равны амплитудным значе-




Рис. 8.11. График зависимости напряжения от сдвига фаз

ниям суммарного и разностного напряжений, т. е.

Uc,=2Ux\cos(-ip/2)\; Uc =

= 2[/„„хяп(-ф/2).

Показания вольтметра пропорциональны разности напряжений Uc, и Uc:

t/в = 21/х [ 1 cos (ф/2) I -1 sin (ф/2) I ].

На рис. 8.11 приведена зависимость показаний вольтметра в относительных единицах Ug/lUmax от угла фазового сдвига. Достоинством этой схемы фазового детектора является почти линейная зависимость выходного напряжения от фазового сдвига. Следует отметить двузначность отсчета (кроме точек + 1 и - 1): каждому показанию прибора соответствуют два значения угла ф. Верный результат можно получить, зная характер исследуемой схемы, или путем дополнительного измерения, при котором напряжение U2 сдвигается с помощью линии задержки на фиксированный небольшой угол фо.

Как видно из рис. 8.11, если показанию вольтметра при первом измерении соответствуют два значения фазового сдвига ф и ф, то поспе дополнительного сдвига фаз на угол Фо показания вольтметра для углов Ф1=ф-1-фо и ф1 = ф + фо будут различны. Пользуясь графиком на рис. 8,11 и измерив значения Ui и Uz, легко определить действительное значение фазового сдвига (при Ubi > Ub2 угол О < ф < л, при [/в1 < Ub2 угол л < ф 2п).

Формирующее устройство

Формирующее устройство

Триггер 1

Рис. 8.12. Упрощенная структурная схема преобразования сдвига фаз во временной интервал


ил \&t

Рис. 8.13. Временные диаграммы преобразования сдвига фаз в интервал времени

Фазовые детекторы работают в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц) и обеспечивают погрешность измерения не более +(2-3)°. Фазовые детекторы используются также в приборах, предназначенных для контроля за постоянством фазового сдвига, при этом погрешность контроля достигает десятых долей градуса.

Широкое применение в фазометрах различного типа получил метод преобразования фазового сдвига во временной интервал. На упрощенной структурной схеме (рис. 8.12) показаны основные элементы, позволяющие реализовать этот метод. Входные формирователи вырабатывают короткие импульсы в моменты перехода измеряемых сигналов через нуль в определенном направлении. На выходе измерительного триггера получаются импульсы постоянной амплитуды [7„ (рис 8.13), длительность которых т равна интервалу времени между переходами через нуль сигналов в каналах а и б (рис. 8.12). Среднее значение тока 1 на выходе триггера, измеряемого прибором, линейно зависит от разности фаз входных сигналов:

/ср = тсо = 2пК (т/Г) = Кф,

где К - постоянный коэффициент; ф - фазовый сдвиг; т - длительность импульса; Г - период измеряемого напряжения.

Таким образом, при использовании этого метода показания прибора в определенных пределах не зависят от частоты и от амплитуды измеряемых сигналов.

Хорошая линейность зависимости между сдвигом фаз и интервалом времени, возможность получения непосредственного отсчета в диапазоне от О до 360°, простота преобразования временного интервала в ци-



Usina>t о-

Измерительный фазовращатель

и, sin (wt+a>) --

Установочный фазовращатель

Индикатор фиксированного сдвига

фаз.

Рис. 8.14. Упрощенная структурная схема компенсационного метода измерения сдвига фаз

фровую форму позволяют получить высокую точность измерения фазы.

Однако с ростом частоты свьште 100- 200 кГц наблюдается увеличение погрешности за счет возрастания погрешности юмерения временных интервалов: Дф = = 360ДГ/Г = 360/ДГ.

Компенсационный метод измерения фазового сдвига заключается в сравнении измеряемого фазового сдвига с фазовым сдвигом в образцовом фазовращателе. Известны две разновидности метода компенсации: разностный и нулевой.

При использовании разностного или дифференциального, метода по показаниям прибора определяется разность ф - фр = ф или величина, пропорциональная этой разности, где фх - измеряемый фазовый сдвиг; Фо - фазовый сдвиг, устанавливаемый по калиброванному фазовращателю. Зная ф и измерив можно найти фх.

Когда измерения проводятся нулевым методом, величина фазового сдвига определяется по калиброванному фазовращателю, разность фаз в этом случае сводится к нулю.

Основными элементами компенсационного фазометра (рис 8.14) являются измерительный калиброванный фазовращатель и индикатор фиксированного сдвига фаз. С помощью установочного фазовращателя фазу сдвигают так, чтобы сдвиг фаз на индикаторе оказался на рабочем уровне. Для фазового детектора, обычно используемого в качестве индикатора, рабочим уровнем является сдвиг фаз 90°. При использовании осциллографического индикатора рабочим уровнем является нулевой сдвиг.

Структурная схема компенсационного фазометра приведена на рис. 8.15. Измеряемые сигналы поступают на входы обоих каналов фазометра через переключатель, положение которого устанавливается в зависимости от квадранта, в котором находится значение разности фаз. Затем каждый сигнал поступает на свой катодный повторитель. Перед измерением фазометр переводится в исходное состояние путем подачи сигнала на вход обоих каналов при нулевом сдвиге фаз калиброванного фазовращателя и установке некалиброванного фазовращателя в положение, при котором индикаторы отмечают наличие баланса.

Калиброванный образцовый фазовращатель является основным элементом прибора. Равенство соЛС = 1 достигается ступенчатым подбором значения конденсатора С и регулировкой резистора R с помощью набора

Катодный повторитель

Вход о-

Переключатель

Балансный вольтметр-

•- Делитель -1

Суммирующий каскад

Суммирующий каскад

Кольцевой

детектор

Катодный повторитель

Усилитель

Кольцевой детектор

Индикатор уровня


Суммирующие резисторы

Неградуированный фазовращатель

Усилитель

Индикатор 5фовня

Рис. 8.15. Структурная схема компенсационного фазометра



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 [100] 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0122