Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Смеситель

Фильтр промежуточной частоты

Счетчик

Смеситель

Счетчик

- *] Фильтр промежуточной частоты

Ограничитель

Ф азочувствительный элемент t

Ограничитель

Генератор импульссж )

Цифровой индикатор

Рис. 8.36. Автокомпенсационный фазометр с цифровым пересчетным устройством

ниями триггерных счетчиков. С выхода фазового детектора в зависимости от знака сигнала рассогласования импульсы поступают на тот или другой триггерный счетчик, изменяя фазовый сдвиг между напряжениями счетчиков таким образом, чтобы обеспечить синфазность прямоугольных напряжений на входе фазового детектора. При этом сдвиг фаз между выходными напряжениями триггерных счетчиков становится равным сдвигу фаз между входными напряжениями фазометра.

Цифровой отсчет производится в соответствии с кодом, записанным в одном из триггерных счетчиков в момент перехода в нулевое положение второго триггерного счетчика.

Погрешность рассмотренной схемы составляет Дф = ЗбО/N, где Дф - шаг квантования.

Цифровой фазометр, основанный на методе поразрядной компенсации фазового сдвига, поясняется структурной схемой, показанной на рис. 8.37.

Измеряемые сигналы поступают на вход фазового детектора по двум каналам. В один из каналов включена цепочка фазовращателей, которые имеют фазовые сдвиги, уменьшающиеся в 2 раза от разряда к разряду, начиная со старшего, равного 180°. Эти фазовращатели могут закорачиваться ключами, управляемыми триггерными распределителя-

ми. Схема прибора работает также, как цифровой вольтметр с поразрядным уравновешиванием.

Цифровые фазометры с промежуточным преобразованием. Прямое преобразование фазового сдвига в цифровой код осуществляется двумя основными методами: «фазовый сдвиг - напряжение - код»; «фазовый сдвиг - интервал времени - код» (фазометры с время-импульсным преобразованием).

Упрощенная структурная схема цифрового фазометра с промежуточным преобразованием фазового сдвига в постоянное напряжение показана на рис. 8.38. При работе схемы формирующие устройства из сигналов, поступающих на их входы, вырабатывают прямоугольные импульсы, фронты и срезы которых совпадают по времени с моментами перехода измеряемых напряжений через нуль. На выходе триггера, управляемого положительными или отрицательными фронтами прямоугольных напряжений, возникают импульсы, длительность которых примерно равна временному сдвигу между измеряемыми сигналами. Нормализатор ограничивает минимальные и максимальные значения напряжений, снимаемых с выхода триггера, некоторыми, заранее заданными значениями Uax и U. Фильтр на выходе нормализатора уменьшает пульсации напряжения, подаваемого на вход цифрового

Цифровой индикатор

02 О-

Триггерный распределитель Е

Генератор импульсов i

Электронный ключ

45 -i- - 4-

Фазочувствительный детектор

Рис. 8.37. Цифровой фазометр с поразрядной компенсацией



Формирующее устройство

Формирующее м устройство

Триггер

□С

Цифровой вольтметр

Нормализатор

Фильтр

Рис. 8.38. Цифровой фазометр с промежуточным преобразованием фазового сдвига в постоянное напряжение

вольтметра, до значения, обеспечивающего заданную погрещность измерения. Так как длительность импульсов на входе фильтра равна временному сдвигу между измеряемыми напряжениями, постоянная составляющая напряжения на выходе фильтра пропорциональна фазовому сдвигу.

При соответствующем выборе нормализующих напряжений и поддиапазона измерения вольтметра можно получить непосредственный отсчет фазового сдвига в радианах, градусах, минутах или других единицах измерений фазы. Таким образом, рассмотренная схема фазометра является комбинацией цифрового вольтметра и электронного триг-герного фазометра. Общая погрешность метода определяется двумя основными составляющими: погрешностью цифрового вольтметра и погрешностью преобразования интервала времени в постоянное напряжение. Цифровые вольтметры позволяют обеспечить очень малые погрешности измерения напряжений, в то время как погрешность преобразования интервала времени в постоянное напряжение является доминирующей. Эта составляющая погрешности полностью определяется точностью поддержания максимального и минимального уровней импульсного напряжения, поступающего с выхода нормализатора. Постоянная составляющая

где Т - период измеряемого напряжения; т = ф 7/360° - временной интервал, соответствующий фазовому сдвигу ф; U - максимальное значение амплитуды импульсов, поступающих с триггера, - минимальное. Подставив значение т, получим

t/n=t/o + (9/360°)(t/„„-[/o).

Из полученного выражения следует, что для обеспечения погрешности измерения, не превышающей 0,1°, необходимо поддерживать стабильность уровня ограничения выходного

Формирова-

Схема

тель

совпа-

импульсов 1

Управ-

дения

ляемый

Формирова-

триггер

Генера-

тель

тор им-

импупьссж 2

пульсов

Рис. 8.39. Структурная схема фазометра с усреднением

напряжения триггера с погрешностью менее 0,02%. Чтобы обеспечить такую стабильность в течение длительного времени, необходима периодическая калибровка прибора.

На первом этапе развития цифровой фа-зоизмерительной техники введение цифрового вольтметра в фазометр было экономически и технически оправдано. В настоящее время, когда требования ко многим параметрам значительно возрастают, наличие промежуточного преобразования интервала времени в напряжение усложняет конструкцию прибора и не дает возможности обеспечить высокие точности измерения.

Более современным и перспективным является метод, основанный на использовании преобразования сдвигов фаз в эквивалентные интервалы времени с последующим цифровым измерением длительности временных интервалов. Преобразование интервалов времени в цифровой код сопровождается погрешностью дискретного преобразования. Существенное уменьшение этой погрешности достигается в фазометре с постоянным временем измерения, когда оно много больше периода входного сигнала. В отличие от цифровых фазометров, измеряющих фазовый сдвиг за период сигнала, в этом случае легко обеспечить отсчет результата измерения в единицах фазы в широком диапазоне частот при сравнительно простой аппаратурной реализации.

Структурная схема одного из возможных вариантов фазометра с усреднением приведена на рис. 8.39. В ее состав входят формирователи коротких импульсов и управляемый триггер, которые осуществляют преобразование фазового сдвига в интервал времени. В схеме совпадения происходит квантование фазовых интервалов короткими квантующими импу.чьсами частоты /к от генератора импульсов. Время измерения („зм определяется времязадающим устройством.

Полное число импульсов, поступающих на счетчик за время измерения,

=ф/кГшм/360°,



Формирующее устройство

Индикатор

Триггер

Схема

Формирующее устройство

зоБпадения совпадения ~1~

Схема

Генератор импульсов

Время->] задающее устройство

Рис. 8.40. Однополупериодный триггерный фазометр

где /кизм = 36-Ю™, причем т = 0,1, 2... соответствуют фазовому сдвигу ф в фадусах или долях градуса.

К недостаткам данной схемы фазометра следует отнести наличие дополнительной погрещности, обусловленной некратностью времени измфения и пфиода входного сигнала (низкочастотная погрещность). Она возрастает с уменьщением частоты сигнала и офаничивает частотный диапазон фазометра снизу. Кроме того, возможно резкое возрастание пофещности измерения при целочисленном соотношении частот сигнала и квантования, когда исчезает эффект усреднения.

Различные методы преобразования фазовых сдвигов в цифровой код, используемые в фазометрах с усреднением, направлены на уменьшение погрешности дискретного преобразования.

По способу преобразования сдвига фаз в интервал времени различают триггерные фазометры и фазометры на схемах перекрытия.

Триггерные фазометры обеспечивают преобразование фазового сдвига в длительность выходного импульса управляемого фиггфа. В схеме фазометра (рис. 8.40) используется только один переход входного сигнала через нулевой уровень, т. е. он является однополупериодным. Ему в значительной мере свойственны пофешности за счет ухода нулевой линии в формирующих устройствах, повышенный температурный

Вх ,

и временной дрейфы показаний. Эти недостатки устраняются в двухполуцфиодных схемах, использующих информацию об обоих пфеходах измеряемого синусоидального сигнала через нулевой уровень. Двухполупериодные фазометры могут быть выполнены по схеме с реверсивным счетчиком либо с суммирующим.

Двухполупериодный фиггерный фазометр с суммирующим счетчиком (рис. 8.41) содержит формирователи импульсов I и 2 привязки к положительным и отрицательным переходам входных сигналов через нуль, два управляемых триггфа {1 и 2), две схемы совпадений и суммирующий счетчик. Остальные узлы имеют такое же значение, как и в однополупериодной схеме. Первый триггер управляется импульсами привязки к положительным нуль-переходам, второй - импульсами привязки к отрицательным нуль-переходам. При наличии уходов нулевой линии импульсы с выходов управляемых триггеров будут иметь различные длительности, однако их среднее значение =(Гф1 -I- Гф2)/2 остается постоянным и пропорциональным преобразуемому фазовому сдвигу.

Квантование фазовых интервалов осуществляется в схемах совпадения импульсами, сдвинутыми относительно друг друга на полупериод Это необходимо из-за перекрытия во времени квантуемых интервалов при углах, больших 180°.

Основным недостатком триггфных фа-зомефов является наличие мертвой зоны вблизи О и 360°, обусловленной конечным разрешающим временем триггера. Наличие мертвых зон сужает динамический диапазон измеряемых фазовых сдвигов, приводит к появлению грубых ошибок, снижает помехоустойчивость фазомефа, ограничивает его частотный диапазон. Ширина мфтвой зоны для однополупериодной схемы определяется выражением

Дфм = 2-360трР,

где Тр - разрешающее время фиггера; F - частота сигнала.

о-[Формирующее устройство 1 Триггер 1

Формирующее устройство 2

Триггер 2

Генератор

Формирователь коротких импульсов

Схема совпадения 1 -i

Схема совпадения 2

Суммирующий счетчик

Рис. 8.41. Двухполупериодный триггерный фазомеф с суммирующим счетчиком



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


0.1086