Фаза-Мощность стр207-251 (1066265), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

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?

3. Перечислить основные методы измерения фазового сдвига.

4. В чем состоит метод линейной развертки измерения фазового сдвига с помощью осциллографа?

5. Как с помощью осциллографа измеряют сдвиг фазы, используя метод эллипса?

6. Как осуществляют измерение фазового сдвига методом круговой развертки?

7. На каком принципе работает фазометр с преобразованием фазы в интервал времени?

8. На каком принципе работают компенсационные фазометры?

9. Как измеряют фазовый сдвиг в СВЧ-диапазоне?

10. Пояснить принцип действия цифрового фазометра, измеряющего среднее значение фазы. Для пояснения нарисуйте временные диа­граммы.

11. Как работает цифровой фазометр на основе микропроцессора?

12. Как действует фазометр с гетеродинным преобразованием частоты исследуемого сигнала?

13. В каких случаях применяют фазометры с умножением частоты?

14. Поясните принцип измерения сдвига фазы фазовым детектором.

15. Как измеряют фазовый сдвиг с помощью детектора на логиче­ском элементе «Исключающее ИЛИ».

Глава 8 ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

8.1. Общие сведения

В радиотехнике мощность измеряют практически во всем частотном диапазоне — от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. Измерять уровни мощности приходится в очень широких пределах — от до Вт. В последние годы при измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используют относительные (логарифмические) еди­ницы мощности (децибелы). Относительные единицы измерения имеют ряд существенных преимуществ, их применяют для оцен­ки мощности источников радиотехнических сигналов, степени их усиления или ослабления, чувствительности приемных уст­ройств, погрешностей измерений и пр.

Как физическую величину, электрическую мощность определя­ют работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записыва­ют следующим образом: Дж/с = Вт.

Измерение мощности в разных частотных диапазонах имеет оп­ределенные особенности. Измерители мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой дейст­вующей системы учета потребления электрической энергии в на­родном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограничен­ное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков ме­гагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдви­ги, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения на­пряжения и токов теряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. Поскольку поток мощности через любое поперечное сечение линии передачи всегда остается неизменным, то основным параметром, характери­зующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность.

Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле

(8.1)

где U, I — средние квадратические значения напряжения и тока; — сдвиг фазы между их мгновенными значениями.

Если нагрузка R_H в электрической цепи активная ( = 0), то мощность переменного тока

P=UI=I²R_H = U²/ R_H (8.2)

Для сигнала произвольной формы, имеющего периодиче­скую структуру, электрическую мощность можно оценить с по­мощью ряда Фурье:

(8.3)

где U₀,, I₀ — постоянные составляющие; U_n,, I_n — средние квадра­тические значения гармоник напряжения и тока; — фазовый сдвиг между гармониками напряжения U_n, и тока I_n .

Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосредственно с помощью специальных приборов — ватт­метров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные соотношения. Принцип действия ваттметров осно­ван на реализации операции умножения. Применяют устройства прямого и косвенного перемножения. Примерами устройств пря­мого перемножения являются измерительные механизмы ватт-метров электродинамической системы. Прямое перемножение напряжения и тока можно обеспечить с помощью преобразовате­лей Холла, или специальных схем на полевых транзисторах и т.д.

В устройствах косвенного перемножения произведение ве­личин находят путем сложения (вычитания), возведения в сте­пень, логарифмирования, интегрирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные перемножители. Современные ваттметры на частоты 1...10 МГц создают на основе интеграль­ных перемножителей с использованием термопреобразователей.

8.2. Измерение мощности в диапазонах низких и высоких частот

При прямых измерениях в диапазонах частот 1... 10 кГц ино­гда используют электродинамические ваттметры.

Электродинамические ваттметры

Принцип действия электродинамического ваттметра основан на том, что угол поворота а рамки (со стрелкой) электродинами­ческого прибора пропорционален произведению токов, умножен­ному на косинус угла ф между ними:

(8.4)

где k— постоянный для данного прибора коэффициент.

Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой Z_H, к которой приложено среднее квадратиче-ское значение напряжения U_н. Через нагрузку Z_H протекает гармо­нический ток со средним квадратическим значением I_Н сдвинутый по фазе на угол ф по отношению к напряжению. Схема включения катушек электродинамического ваттметра показана на рис. 8.1. Если параметры ваттметра вы­браны так, что R_доб >> Z_H, то ток в неподвижной катушке , а в подвижной — . По­этому угол отклонения стрелки а с учетом формулы (8.4) будет пропорционален активной мощ­ности в нагрузке Р:

(8.5)

где k— коэффициент пропорциональности.

Ваттметры электродинамической системы можно применять Для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко их используют для измерения мощности промышленной частоты.

Ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях

Интегральный перемножитель сигналов реализует передаточную функцию

где k_a — масштабный коэффициент, и₁ и и₂ — перемножаемые напряжения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового интегрального перемножителя двух напряжений (рис. 8.2), в ос­нову принципа действия которого заложен четырехквадрантный метод перемножения. В технике измерения мощностей данную схему иногда называют квадратором.

При перемножении двух аналоговых напряжений произво­дятся операции:

• суммирование —

• вычитание —

• возведение в квадрат —

• вычитание квадратов —

• деление напряжения на четыре —

Чтобы применить перемножитель сигналов в схеме ватт­метра, достаточно в качестве выходного каскада измерителя включить низкочастотный фильтр. Если напряжения и , где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе . Приняв k_a = 1, сопротивление R = 1 Ом и учитывая формулу произведения коси­нусов, получим . Выде­ленная специальным низкочастотным фильтром постоянная со­ставляющая данной мощности будет пропорциональна измеряе­мой мощности, т.е. .

Характеристики

Список файлов учебной работы