Фаза-Мощность стр207-251 (1066265), страница 3

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

Текст из файла (страница 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.

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.

Характеристики

Список файлов учебной работы