Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 31

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

Текст из файла (страница 31)

В фазометре (рис. 7.9, а) импульсы генератора ГИ и иссле­дуемые сигналы и₁ и и₂ не имеют взаимной синхронизации. По­этому возможно изменение номинального числа импульсов и в одном пакете на ± 1 импульс (погрешность дискретности). Одна­ко результирующая погрешность за время измерения Т_к уменьша­ется, так как на счетчик поступают импульсы от m пакетов, в которых увеличение или уменьшение числа импульсов п на один импульс равновероятно. На погрешность показаний фазометра влияет также неточность фиксации преобразователем моментов перехода сигналов и₁ и и₂ через нулевой уровень. Однако погрешности от этих причин, как и погрешность дискретности, уменьшаются при усреднении результата измерения за интервал времени Т_к, значительно больший периода исследуемых сигналов.

Микропроцессорные фазометры

Значительное расширение функциональных возможностей и повышение надежности фазометров обеспечивают при их по­строении на основе микропроцессора, работающего совместно с измерительными преобразователями. Такие фазометры позволя­ют измерять фазовый сдвиг между двумя периодическими сигна­лами за любой выбранный период, наблюдать флюктуации по­добных сдвигов и оценивать их статистические характеристики; математическое ожидание, дисперсию, среднее квад рати чес кое отклонение. Возможно так же как и в рассмотренных выше циф­ровых фазометрах, выполненных по схемам с жесткой логикой работы, измерение среднего значения фазового сдвига.

Структурная схема микропроцессорного фазометра приведена на рис. 7.10, а. Принцип измерения фазового сдвига между сину­соидальными сигналами и₁ и и₂ за один их период Г поясняют вре­менные диаграммы на рис. 7.10, б. В фазометре в схеме импульс­ного преобразователя ИПР сигналы и₁ и и₂ преобразуют соответст­венно в короткие импульсы и'₂ и и'₂. Формирователь Ф1 с по­мощью первой пары данных импульсов вырабатывает импульс и₃ длительностью , равной сдвигу во времени сигналов и₁ и и₂. Им­пульсом и₃ открывают временной селектор ВС1, который в течение времени пропускает на вход счетчика СЧ1 счетные импульсы, следующие с периодом Т₀ и вырабатываемые микропроцессорной системой МПС. Поступающий на вход СЧ1 пакет импульсов обо­значен на рис. 7.10, б через и₄. Число импульсов в пакете

(7.13)

Формирователь Ф2 вырабатывает импульс и₅, длительность которого равна периоду Т исследуемых сигналов и₁ и и₂. Импульс и₅ открывает на время Т временной селектор ВС2, пропускающий от МПС на вход счетчика СЧ2 пакет импульсов u₆. Период им­пульсов в пакете равен Т₀, а их число

N=T/ Т₀ (7.14)

Для оценки искомого значения фазового сдвига за выб­ранный период T требуется найти отношение величин (7.13) и (7.14), равное , а затем, учитывая основную формулу (7.3), домножить это отношение на 360°:

(7.15)

Вычисление выражения (7.15) выполняет МПС, на которую передают вырабатываемые счетчиками СЧ1 и СЧ2 коды чисел п и N. При соответствующей программе МПС на дисплее Д отобра­жают значение фазового сдвига для любого периода Т. За счет сравнения сдвигов в разных периодах появляется возможность наблюдать флюктуации и оценивать их статистические пара­метры. В режиме оценки фазометром среднего значения фазового сдвига за заданное число r периодов Г в счетчиках СЧ1 и СЧ2 происходит накопление кодов от числа импульсов, поступивших на их входы за г периодов, т.е. кодов чисел пr и Nr соответствен­но, которые затем передают в МПС.

7.5. Методы измерения фазового сдвига с преобразованием частоты

Для расширения диапазона частот фазометров применяют преобразование частоты исследуемых колебаний. Основным яв­ляется гетеродинное преобразование частоты, позволяющее све­сти измерение фазового сдвига колебаний практически любых частот к измерению фазового сдвига на фиксированной проме­жуточной частоте.

Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты

Структурная схема фазометра с подобным преобразованием показана на рис. 7.11. Пусть через входные цепи ВЦ1 и ВЦ2 на смесители СМ1 и СМ2 преобразователя частоты поступают соот­ветственно сигналы и , имеющие фазовый сдвиг а также гармоническое напряжение гете­родина Г . На смеситель СМ1 воздействует напряжение и₁ + и_Г, а па СМ2 — и₂ + и_Г . На выходе каждого из смесителей появляются колебания с суммарными, разност­ными и комбинационными частотами, составленными из частот анализируемых входных сигналов и напряжения гетеродина. Сложные колебания с раз­ностной (промежуточной} частотой выделяют уси­лителями промежуточной частоты УПЧ1 и УПЧ2 каждого канала.

Если в измерителе фазы с гетеродинным преобразованием часто­ты каскады ВЦ1 и ВЦ2, СМ1 и СМ2, УПЧ1 и УПЧ2 идентичны, то выходные сигналы усилителей промежуточной частоты и'₂ и и'₂ после простых преобразований можно представить в следую­щем виде:

(7.16)

(7.17)

где k— коэффициент преобразования сигналов.

Из (7.16) и (7.17) следует, что фазовый сдвиг двух сигналов, полученных на выходах УПЧ, равен фазовому сдвигу иссле­дуемых сигналов и₁ и и₂. Сигналы и'₁ и и'₂ поступают на низко­частотный НЧ фазометр, измеряющий фазовый сдвиг на проме­жуточной частоте. Чтобы проводить измерения в широком спек­тральном диапазоне сигналов, применяют гетеродин с перестраи­ваемой частотой. Разработаны фазометры с гетеродинным преобра­зованием частоты, работающие в диапазоне от 20 Гц до 20 Мгц, а также в диапазоне СВЧ — 0,1. ..15 ГГц.

Фазометры с умножением частоты

Подобные фазометры применяют для измерения малых фа­зовых сдвигов. В фазометре используют два одинаковых умно­жителя, на один из которых подают сигнал и₁, а на второй — и₂. Если эти сигналы имеют фазовый сдвиг , то после умноже­ния их частоты в п раз, фазовый сдвиг в них увеличивается и становится равным . Такой фазовый сдвиг можно из­мерить с меньшей погрешностью. Искомый фазовый сдвиг оп­ределяют как .

Фазометры с умножением частоты могут иметь дополни­тельную погрешность измерения, вызванную усилением влияния сторонних шумов. Такие шумы, поступая на оба умножителя вместе с сигналами и₁ и и₂, вызывают случайные отклонения фа­зы каждого из этих сигналов. Чем больше коэффициент умножения п, тем больше флюктуации фаз сигналов на выходе умножи­телей и погрешность измерений. Возможна также сис­тематическая погрешность измерений, вызванная неидентич­ностью фазовых характеристик двух умножителей. Эту погреш­ность можно учесть и устранить, если подать на каждый умножи­тель частоты один и тот же сигнал (например, и₁). Показания фазометра, взятые с обратным знаком, следует использовать в качестве поправки для последующих измерений.

7.6. Измерение фазового сдвига фазовыми детекторами

Фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами од­ной частоты можно измерить фазовым детектором., одна из воз­можных схем которого приведена на рис. 7.12. Сигналы и₁ и и₂, между которыми измеряют фазовый сдвиг , преобразуют фазо­вым детектором в постоянное напряжение. На его выходе вклю­чают вольтметр ЦФ, измеряющий постоянную составляющую напряжения между точками а и б, которое равно разности проде-тектированных напряжений U₁ и U₂. Если амплитуды исследуе­мых напряжений поддерживать постоянными, шкалу вольтметра можно преградуировать непосредственно в значениях фазового угла. С помощью фазового детектора получают погрешность измерений около 2...3⁰. Погрешность зависит от выполнения условий, накладываемых на параметры схемы и амплитуды ис­следуемых напряжений, от стабильности этих величин во време­ни, чувствительности вольтметра и т.д.

Цифровые фазовые детекторы можно построить на различных цифровых логических схемах: элементе JK-триггере, «Исключающее ИЛИ» и пр. При этом достаточно просто удается полу­чить длительность выходных импульсов, пропорциональную фазовому сдвигу между сигналами и₁ и и₂ после чего сгладить эти импульсы в ФНЧ.

Временные диаграммы работы рассматриваемой схемы показа­ны на рис. 7.13, б - г. В этом детекторе из исследуемых синусоид и₁ и и₂ формируют соответствующие напряжения типа «меандр» (рис. 7.13, б, в). На выходе логического элемента вырабатываются импульсы напряжения у, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу входных сигналов (рис. 7.13, г). Далее этот сигнал подают на ФНЧ. Напряжение U(t) на выходе ФНЧ пропорциональ­но сдвигу сигнала щ относительно опорного и₂.

Контрольные вопросы

1. Какой смысл вложен в понятие «фаза» сигнала?

2. Что называют фазовым сдвигом двух сигналов?

Характеристики

Список файлов книги