Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 30

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 30)

Компенсационный метод используют и в СВЧ-диапазоне для измерения фазового сдвига, создаваемого отрезком волновода, полосковой линии и т.п. Процесс измерений поясняет структур­ная схема, показанная на рис. 7.6. Измерение выполняют в два этапа. Вначале собирают установку, представленную на рис. 7.6, а. При включении генератора Г в тракте устанавливается стоячая волна. В произвольное сечение ФВ вводится зонд, соединенный с диодом и индикатором. Перестраивая фазовращатель, добиваются совмещения узла напряжения стоячей волны с плоскостью сечения, в которую введен зонд. Момент совмещения устанавливают по нулевому показанию индикатора. Со шкалы ФВ считывают показа­ние фазового угла cp_t. Затем собирают установку, показанную на рис.7.6, б, в которой между ФВ и короткозамыкающей заглушкой вводится испытуемое устройство Z. В тракте распространения СВЧ-колебаний происходит смещение узла напряжения. Пере­страивая ФВ, снова добиваются (по нулевому показанию индика­тора) совмещения узла с плоскостью установки зонда. Со шкалы ФВ считывают новое показание . Фазовый сдвиг, вносимый уст­ройством Z, определяют по формуле .

Процесс измерения фазового сдвига компенсационным мето­дом легко автоматизировать, считая объектом автоматизации из­мерительный фазовращатель. Соответствующие фазометры назы­вают автокомпенсациоппыми.

Точность измерения компенсационным методом высокая. Погрешность измерения определяется в основном качеством гра­дуировки шкалы фазовращателя и достигает 0,1...0,2°.

7.3. Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

Структурная схема устройства, преобразующего фазовый сдвиг во временной интервал и эпюры, поясняющие его работу, показаны на рис. 7.7. Устройство включает преобразователь ис­комого фазового сдвига в интервал времени и измерительный прибор. Преобразователь имеет одинаковые формирователи Ф1 и Ф2 и триггер Т. Принцип действия формирователей был пояснен в разделе 6.3. Синусоидальные сигналы и_} и и₂, имеющие некоторый фазовый сдвиг , подают на идентичные формирователи Ф1 и Ф2, преобразующие их в последовательности коротких импуль­сов и₃ и и₄ (рис. 7.7, 6). Импульсы и₃ запускают, а импульсы и₄ сбра­сывают триггер Т в исходное состояние. В результате на выходе триггера формируют периодическую последовательность импульсов напряжения, период повторения и длительность которых равны пе­риоду Т и сдвигу во времени исследуемых сигналов и₁ и и₂.

Импульсы, поступая на резистор R, соединенный с измеритель­ным прибором — микроамперметром , преобразуют в последова­тельность импульсов тока i с аналогичными периодом и длитель­ностью и амплитудой (см. рис. 7.7. б). В качестве измерительного прибора применяют микроамперметр магнитоэлектрической сис­темы, реагирующий на среднее значение тока i за период Т. Пусть — среднее значение протекающего через прибор тока i. Тогда

его показание с учетом формулы (7.3), определится как:

(7.7)

где — измеряемый фазовый сдвиг.

Шкалу микроамперметра градуируют непосредственно в гра­дусах. Измеренное значение фазового сдвига является средним за время измерения. Рассмотренное устройство — прямо показываю­щий фазометр. Диапазон его рабочих частот ограничен снизу инерционностью магнитоэлектрического микроамперметра, а сверху — конечностью длительностей фронтов импульсов фор­мирователей, влияющих на работу триггера Т. Аналоговые фазо­метры измеряют фазовый сдвиг сигналов в диапазоне частот 20,..10⁶ Гц с погрешностью + 1...2⁰.

7.4. Цифровые методы измерения фазового сдвига

Большинство цифровых фазометров близки по принципу действия к цифровым измерителям интервалов времени и рабо­тают по методу дискретного счета. Метод дискретного счета (бо­лее точно — цифровой метод измерения фазового сдвига), ис­пользуемый в цифровых фазометрах, включает две операции: преобразование фазового сдвига в интервал времени и измерение интервала времени методом дискретного счета.

Цифровые фазометры

Структурная схема цифрового фазометра, реализующая ме­тод дискретного счета, содержит преобразователь искомого фа­зового сдвига в интервал времени , временной се­лектор ВС, формирователь счетных импульсов f/nf, счетчик СЧ и цифровое отсчетное устройство ЦОУ (рис. 7.8, а). Схема и прин­цип действия преобразователя полностью совпадает со схемой и принципом действия преобразователя, описанного в разд. 7.3. Временной селектор представляет собой ключевую логическую схему. Формирователь счетных импульсов построен на базе умножителя частоты входного сигнала и схемы формиро­вания выходных импульсов.

Цифровой фазометр работает следующим образом. Преобра­зователь из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов и₁ и и₂ с фазовым сдвигом формирует после­довательность прямоугольных импульсов и₃ (рис. 7.8, б), имею­щих длительность и период повторения Т, равные соот­ветственно сдвигу во времени и периоду сигналов и₁ и и₂. Им­пульсы и₃, а также счетные импульсы и₄, вырабатываемые формирователем счетных импульсов, подают на входы временного селектора. Селектор открывают на время, равное длительности импульсов и₃, и в течение этого интервала пропускает на вход счет­чика импульсы и_4. На выходе селектора формируют пакеты им­пульсов и₅, следующие с периодом Т.

Измерение проводится за один период Т следования сиг­налов и₁ и и₂ (схема управления, обеспечивающая такой режим измерения, на рис. 7.8, а для упрощения не приведена). При этом на счетчик с выхода селектора поступает количество импульсов, содержащееся в одном пакете:

(7.8)

В цифровых фазометрах период следования счетных им­пульсов формирователя для удобства схемной реализации при­нимают , m = (1, 2, 3...).

Подставляя в (7.8) соотношение для из (7.3), находим выражение для измеряемого фазового сдвига сигналов и₁ и и₂

(7.9)

Из (7.9) следует, что фазовый сдвиг пропорционален чис­лу счетных импульсов п, поступивших на счетчик. Кодовый сиг­нал со счетчика, пропорциональный фазовому сдвигу , подают на ЦОУ, показания которого выдаются в градусах при m = 1, с учетом десятых долей градуса при m = 2 и т.д.

Погрешность данного цифрового фазометра определяется погрешностями дискретности и аппаратуры. Погрешность дис­кретности связана с тем, что интервал времени можно изме­рить с точностью до одного периода счетных импульсов. Аппара­турная погрешность определяется отклонением длительности от , нестабильностью преобразователя и пр.

Для уменьшения погрешностей измерения используют циф­ровые фазометры среднего значения, результатом измерения которых является среднее значение измеряемого фазового сдвига за большое число периодов Т анализируемого гармонического колебания. Структурная схема цифрового фазометра среднего значения с поясняющими эпюрами представлена на рис. 7.9. Она отличается от схемы (см. рис. 7.8, а) рассмотренного выше фазомет­ра наличием второго временного селектора ВС2, генератора импуль­сов ГИ и формирователя импульсов ФИ.

Принцип работы фазометра удобно анализировать, выделяя в нем функционально законченные устройства. К их числу отно­сится преобразователь искомого фазового сдвига двух синусоидальных сигналов и₁ и и₂ в интервал времени , формирующий импульсный сигнал и₃ (рис. 7.9, б), а также преобразователь интервала в соответствующее число (пакет) импульсов п. Преобразователь , формирующий пакеты импульсов и₅, состоит из генератора импульсов ГИ и временного селектора ВС1. Номинальное число импульсов и в одном пакете определяется выражением (7.8).

Для усреднения результата измерения пакеты импульсов и₅ подают на устройство, выдающее т таких пакетов за калиброван­ный отрезок времени Т_к » Т (Т— период повторения исследуе­мых сигналов и₁ и и₂). В состав устройства входит формирователь импульса ФИ длительностью Т_к и временной селектор ВС2. Схе­ма ФИ построена на базе делителя частоты с коэффициентом де­ления К_Д.. На его вход поступают импульсы напряжения и₄ с пе­риодом повторения Т₀ (на рис. 7.9, б период Т₀ показан стрелкой) от генератора импульсов. При этом на выходе ФИ формируют импульс и₆ длительностью Т_к = К_Д Т₀, открывающий временной селектор ВС2. В результате на выход последнего проходит ряд пакетов импульсов и₅, число которых

(7.10)

Сигнал щ с выхода временного селектора ВС2 (см. рис. 7.9, б) поступает на счетчик СЧ. связанный с ЦОУ. Общее число им­пульсов, поступивших на этот счетчик, с учетом выражений (7.8), (7.10) и основной формулы (7.3) составит

(7.11)

Из формулы (7.11) находим измеряемый фазовый сдвиг меж­ду гармоническими напряжениями и₁ и и₂:

(7.12)

В выражении (7.12) коэффициент k является постоянным и для данного прибора k = 10 ^а, где а — целое число. При этом на шкале ЦОУ показания фазового сдвига отражают в градусах. Чем больше а, тем выше разрешающая способность фазометра, опре­деляемая коэффициентом k.

Характеристики

Список файлов книги