Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



8.1. Общие сведения

Умножитель

Умножитель

Фазометр

Рис. 8.1. Структурная схема преобразования фазы методом умножения частоты

времени вращается с определенной угловой частотой, то колебания изображаются неподвижными векторами, угол между ними равен фазовому сдвигу.

В ряде случаев требуется измерять время запаздывания прохождения сигнала через цепи или среду. Запаздывание приводит к сдвигу фазы выходного напряжения относительно входного. Эти сдвиги фаз часто требуется измерять с очень малой погрещ-ностью как на малых, так и на очень высоких частотах. Больщинство разработанных методов измерения фазовых сдвигов обеспечивает высокую точность измерений для сравнительно низких частот. Поэтому представляет большой интерес анализ влияния процессов умножения и преобразования частот на фазовые измерения.

Когда необходимо повысить точность или разрешающую способность фазометра, применяют метод умножения частоты (рис. 8.1). Запаздывание напряжений на выходах первого и второго умножителей относительно входных, выраженное в долях периода напряжения Ф, и Ф2, связано с разностью фаз следующим соотношением:

= Иф1 - Вф2 -Ь Ф, - Ф2 = В(ф1 - Ф2) ДФ,2.

(8.1)

Измеренная разность фаз

Ф = Ф1 - Ф2 = Ч/и - ДФ.2/П. (8.2)

а погрешность измерения Дф = ДЧ/в - - ДФ12/п, где ДЧ* - погрешность фазометра; ДФ12 [см. (8.1)] также имеет смысл погрешности, так как в общем случае она неизвестна.

Таким образом, погрешность измерения фазы уменьшается в и раз, но вместе с тем добавляется погрешность ДФ12, которая неизвестна и является систематической. Для ее определения на входы 1 и 2 подается одно и то же напряжение с частотой сОр, тогда

Чо/п + ДФ120/В = 0; ДФ.20 = -Ч*. (8.3)

Подставив (8.2) в (8.3), получим ф = = (Ч* - 4*0)/и, где 4*0 - показание фазометра при ф = 0.

Следовательно, при частоте cOq и одинаковых по амплитуде входных сигналах систе-

матическая погрешность измерения устраняется.

Погрешность при произвольных напряжениях на входе и со cOq можно определить путем вычитания (8.3) из (8.1)

Ф = (Ч» - Чо)/„ + (ДФ., - ДФ.2о)/«.

Второе слагаемое в правой части обусловлено неидентичностью частотной и амплитудно-фазовой характеристик умножителей. Эта составляющая погрешности может быть очень значительной даже при большом и в знаменателе при плохой фильтрации сигнала в отдельных каскадах умножителей.

Метод измерений фазы с умножением частоты имеет и другой существенный недостаток, обусловленный значительным увеличением частоты на выходе умножителей и появлением многозначности отсчета. Многозначность отсчета зависит от числа значений определяемой фазы в пределах одного периода при одном значении показаний фазометра.

Для расширения диапазона частот фазометра используют гетеродинный метод (рис. 8.2, а). Полосовые усилители или фильтры с фазовыми характеристиками Ф, (со - сОо) и Ф2(сй -Шг) настроены на разностную частоту со - СОо, которая содержится в спектре токов смесителей 1 и 2. Буферные каскады с фазовыми сдвигами Ф5, и Ф52 предназначены для устранения проникновения напряжения из первого канала во второй и обратно. Как видно из векторной диаграммы (рис. 8.2,6), такое проникновение приведет к изменениям сдвигов уже на входе синхронного преобразователя: вместо исходной разности фаз ф получится ф. Наибольшее влияние наведенного напряжения будет в случаях.


Рис. 8.2. Структурная схема преобразования фазы гетеродинным методом (в) и векторная диаграмма (6)



Буферный каскад ф, •«-~~Опорный генератор Буферный каскад Ф52

Ojt+tp

Смеситель 1

Фильтр ф1

Смеситель 2

Фильтр 02

Фазометр 9?

Фильтр Ф3

Рис. 8.3. Структурная схема переноса фазы на частоту опорного генератора

когда [/, = [/, и t/j = где [/, и [Jj - амплитуды напряжений на входах 1 и 2; [/, и U2 - суммарные напряжения. Отсюда очевидны соотношения между наведенными напряжениями и сдвигом фаз на входе. При [/jH « Vi и « U2

Дф1„ = [/2„/[/,; A(p2K=UiJU2;

где ф„т„ - максимальный наведенный сдвиг фаз; Ui„ и U2K - наведенные напряжения из смежных каналов.

На входах фазометра действуют напряжения с фазами

Фи = (ю - a)r)t -Ь Ф1 - Ф51 -Ь Ф1 - Аф1н;

Ф22 = (Ю - Юг) t -1- Ф2 - Ф52 + *2 + Дф2Н-

Фазовый сдвиг, который покажет индикатор фазометра,

\]; = ф, - ф2 + ДФ12 - ДФ512 - Дфн>

где ДФ512 и ДФ12 - погрешности, обусловленные неидентичностью фазовых характеристик буферных каскадов и фильтров. Следовательно,

Ф = Ф1 - Ф2 =- ДФ12 + ДФ512 + Дфи-

С учетом калибровки по нулевому уровню получим

Ф - 0 - А(ДФ12) + Д (ДФ512) + Д (Дфн)-

Погрешность Д(Дфн) устраняется калибровкой только при ф = 0. При других ф она может приобретать различные значения, поэтому ее следует уменьшать, совершенствуя развязку с помощью буферных каскадов.

Если в линейных четьфехполюсниках фазовые сдвиги зависят только от частоты, то в усилителях они могут меняться и с изменением амплитуды входного напряжения. Следовательно, при расчете и настройке схемы необходимо добиваться идентичности как частотно-фазовых, так и амплитудно-фазовых характеристик.

При нестабильной частоте напряжения, фаза которого изменяется, измеряемый фазовый сдвиг можно перенести на напряжение опорной частоты генератора, вводимого в схему фазометра. Если измеряемый фазовый сдвиг не изменяется или изменяется медленно, то может быть использована структурная схема, показанная на рис. 8.3. Опорный генератор с частотой Q, воздействует через электронное управляющее устройство на фазовращатель, который равномерно с частотой ф = П изменяет фазовый сдвиг в процессе измерения. Следовательно, на выходе фазовращателя частота сместится на П. В зависимости от условий измерений выходная частота ю будет больше или меньше входной на Й,

На рис. 8.3 приведена схема для случая, когда входная частота возрастает. Напряжение с выхода фазовращателя с частотой ю + + П совместно с входным напряжением с частотой ю воздействует на смеситель. Сигнал разностной частоты О. через фильтр нижних частот Фз подается на фазометр, который покажет фазовый сдвиг

х1; = ф + (ф,-Ф2) + ДФз = = ф-1-ДФ12-1-ДФз(0,

(8.4)

где ДФ,2 - разность сдвигов фаз на фильтре нижних частот и компенсирующем фильтре Ф2; ДФз (t) - погрешность отслеживания функгщи flf фазовращателем.

Из (8.4) следует, что компенсирующий фильтр уменьшает погрешность при преобразовании, так как ДФ12«Ф1.

Погрешность измерения фазы

Дф = Дф - ДФ;2 - ДФз((),

где Дх]; - погрешность фазометра.

Перенос ф на напряжение опорного генератора можно осуществить и без применения фазовращателя. В этом случае (рис. 8.3) частоту в первом канале смещают, выделяя разностную частоту после смесителя 1 поло-



совым фильтром. Фазы напряжений в точках, обозначенных на рис. 8.3 цифрами, следующие:

3 - (Ort; 4 - Mrt + Ф5,; 5 - (ю + (Or) + ф + + Ф51; б-юГ + Фг; 7-ЮгГ-ЬФ52; 8-Юг( +

+ Ф + Ф51+(Ф1+Ф2) + Фз-

PjHaHKaTop фазометра покажет разность фаз между сигналами

\1; = ф+ДФ,2 + ДФ512+Фз-

Отсюда

Ф = + ДФ12-ДФ512-Фз-

Второй буферный каскад и компенсирующий фильтр сглаживают неучитываемые фазовые сдвиги в первом буферном каскаде и в фильтре Ф] соответственно.

Как следует из принципа работы схемы, измерения можно вести на частоте опорного генератора, стабильность которого должна быть достаточно высокой. Для точного измерения фазы важно, чтобы хотя бы на одном из входов фазометра не было помех. На выходе опорного генератора помехи отсутствуют, и это способствует повьппению точности измерений.

Знание фазовых соотношений в радиотехнических цепях позволяет создавать узкополосные фильтры, вьщелять полосы модуляции, улучшать свойства электронных генераторов, антенн, усилителей и других устройств. Большое значение измерение фазы имеет в устройствах и системах определения пространственного положения объектов и повьппения достоверности передачи сообщений в условиях естественных и организованных помех. Использование методов измерения фазы сигнала позволяет получить высокие точности при определении расстояний, разности расстояний, углов и других параметров. Фазовые радионавигационные и радиогеодезические разностно-дально-мерные системы обеспечивают современные требования к точности определения координат движущихся объектов. Фазовые пеленгаторы позволяют измерять угловые величины с предельно высокой точностью.

Использование фазовых методов при измерении частоты позволяет осуществить сравнение эталонных частот с погрешностью 1 Ю и менее. Фазовые методы находят применение в расходометрии, при измерении малых углов наклона (электронных уровней), линейных коэффициентов термического расширения материалов и определении напряженности магнитного поля, а также в фазовых системах программного управления станками в металлообрабатывающей про-мьшгленности.

В технике измерения неэлектрических величин в ряде случаев наиболее предпочтительным оказывается преобразование величины не в напряжение, а в фазу переменного напряжения. При измерениях амплитуды напряжения преобразованных сигналов чувствительность преобразователей ограничивается флюктуационными помехами и определяется эффективным значением переменного напряжения ]/ui. Чувствительность фазометрических устройств зависит от наличия «фазового шума» и от уровня полезного сигнала (1/с) Дфш»х = Omoxl/t/t с» где

Umax - коэффициент пропорциональности. Если при измерении амплитуды чувствительность преобразователя может быть улучшена только снижением уровня шумов, при фазовых измерениях она уменьшается также путем увеличения амплитуды сигналов на входе. Поскольку линейная электрическая система не изменяет закона распределения Vmax, то всякое линейнос преобразование спектра сигналов, сопровождающееся уменьшением уровня амплитудных шумов на выходе, будет сопровождаться соответствующим уменьшением значения Дфтах-

Частотный диапазон фазовых методов измерения физических величин практически не ограничен, так как за счет преобразования частоты можно осуществлять «перенос» спектра измеряемых сигналов в область, доступную для использования имеющихся методов и средств измерения фазовых сдвигов.

8.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ

Одним из простейших методов измерения фазы является использование электронного осциллографа, при этом методе фазовый сдвиг определяется по характеру и форме осциллограмм. К числу осциллографических методов относятся: линейной раз-ве]тки, двух осциллограмм, эллипса, круговой развертки и яркостных меток. При этих измерениях существенную роль ифают амплитудная и особенно фазовая симметрии каналов передачи сигналов на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины, качество фокусировки электронного луча, нелинейные искажения усилителей, генераторов развертки и самой трубки.

Погрешность измерения осциллографи-ческими методами составляет 2-5°. Даже небольшой процент гармоник во входных сигналах значительно увеличивает погрешность измерения. Ее уменьшение может бьггь достигнуто применением компенсационного метода, при котором осциллограф исполь-



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


0.0114