Измерение фазового сдвига. Осциллографические методы измерения фазового сдвига

ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА

Понятие фазы связано с гармоническими (синусоидальными) колебаниями. Для напряжения полной фазой является весь аргумент гармонической функции; величину j называют начальной фазой. Для двух гармонических колебаний с равными частотами ; , вводят понятие разности фаз , которую обычно называют фазовым сдвигом.

Обычно принимают за начало отсчета момент времени, при котором начальная фаза первого (опорного) колебания равна 0. Тогда ; где j – фазовый сдвиг между этими напряжениями.

Для негармонических, в частности импульсных, колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием сдвига во времени. В этом случае измеряют время задержки. Для гармонических колебаний времени задержки соответствует фазовый сдвиг .

Фазовый сдвиг можно измерить непосредственно по осциллограммам исследуемых напряжений, наблюдая их одновременно на экране осциллографа (рис. 3.1). Очевидно, что , где a – расстояние в делениях между пересечениями осциллограммами нулевой линии; b – длительность периода, выраженная в делениях шкалы. Для этих измерений используют осциллограф с двухлучевой электронной трубкой или со встроенным электронным коммутатором. Погрешность измерения угла j этим способом определяется погрешностями измерения длин отрезков а и b:

 ,где  – погрешность измерения j;  – абсолютные погрешности измерения отрезков а и b. Можно считать максимально возможной погрешностью одно малое деление шкалы осциллографа ; . Здесь , j – в градусах; а, b – в малых делениях шкалы осциллографа.

При измерении фазового сдвига способом эллипса одно из исследуемых напряжений подают на вход Y, а другое – на вход Х осциллографа. Осциллограф работает в ХY -режиме (генератор линейной развертки отключен). При этом луч на экране описывает эллипс (рис. 3.2). Фазовый сдвиг определяют по формуле                                 где l, h – отрезки, отсекаемые эллипсом по осям Х и Y; L, H – максимальные отклонения по осям Х и Y.

 

Погрешность измерения этим способом вычисляют по формуле , а погрешность  принимается равной одному малому делению шкалы осциллографа, H и h – размеры эллипса, выраженные в малых делениях шкалы осциллографа.

При измерениях этим способом необходимо учитывать фазовый сдвиг, вызываемый неидентичностью фазочастотных характеристик усилителей вертикального и горизонтального отклонений осциллографа, , где – сдвиг фаз между каналами Y и Х.

Метод круговой развертки

Этот метод обеспечивает измерение фазового сдвига практически в пределах от 0 до 360 градусов. Измерение фазового сдвига между сигналами u1=Um1sinwt u2=Um2sinw(t-t1). Генератор развертки предварительно выключается и на входы X Y подаются сигналы u1 и u2(задержанный относительно u1 по фазе на 90 с помощью доп фазовращателя). При одинаковом отклонении луча по горизонтали и вертикали на экране осц будет наблюдаться осциллограмма, в форме окружности. Анализируемы напряжения u1 и u2 поступают так же на входы идентичных формирователей, преобраз синусоидальные колебания в последовательность коротких однополярных импульсов u4 и u5. Передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментом перехода синусоид через нулевое значение при их возрастании. Импульсные сигналы соед спомощью логической схемы ИЛИ. Ее выходной сигнал в виде двухимпульсной последовательности подается на вход Z управления яркости луча осц. В результате на окружности в точках 1 и 2 появл отметки повышенной яркости. Изменение фазового сдвига между u1 и u2 выполняется как показано на рис. Полную окружность, которой соответствует угол 360 луч описывает за время равное периоду сигналов, а дугу между точками 1 и 2, которой соотв некоторый угол ∆фи – за время задержки этих сигналов ∆t=∆фи*T/360

 

 

26.Компенсационный метод измерения фазового сдвига (нулевой метод). Фазовый детектор.

Сущность-сравнение измеряемого фазового сдвига с известным фазов сдвигом.

Позволяет получить высокую точность. Использование калиброванного фазовращателя (линейное устройство).

 

Подаем сигнал U1 на вход Y через фазовр, а U2 на вход Х.

Фазов сдвиг ∆φ между U1 и U2 опред путем изменен фазы дополнит сигнала U1’ с помощью фазовращ до момента появления на экране наклонной прямой линии, т.е. до момента равенства фаз сигналов U2 и U1’. При этом искомый фазовый сдвиг считывают по шкале образцового фазовращ.

Есть индикатор нуля (ИН), показывает, когда сдвиг фаз = 0

Фазовращатель вносит известный калиброванный фазовый сдвиг. Он не должен при этом менять амплитуду.

Подаем 2 напряжения и регулировкой фазовращателя добиваемся равенства фаз. Отсчет производится по шкале фазовращателя.

Погрешности: градуировки фазовращателя, его шкалы;фиксации «0» в индикаторе;неидентичность фазовых набегов в нуль-индикатора.

Фазовый сдвиг нужно измерять от 0 до 360 => фазовращатель должен иметь большую шкалу (или от 0 до 180) или может быть цепочка фазовращателей. На практике получается мерить от 0 до ≈160 градусов.

На низких частотах используется фазовращатель в виде RC – цепочек: интегрир. цепь.

На СВЧ: используется линия передачи переменной длины. Изменение длины соответствует фазовому сдвигу.

Недостатки: непрямопоказывающий метод; не хватает иногда фазового сдвига; фазовращатель всегда имеет меняющийся от частоты фазовый сдвиг.

Нулевой метод пригоден только там, где есть отградуированный на нужной нам частоте фазовращатель.

 

Нуль-индикатор – это фазовый детектор, который фиксирует нулевой фазовый сдвиг.

Фазовый детектор. ∆φ между 2мя гармонич сигнал одной част можно измерить фазовым детектором. Сигналы U1 и U2, между которыми измеряется фазовый сдвиг, преобразуются в постоянное напряжение. На выходе его включен вольтметр, измеряющий пост составляющую напряжения. Если амплитуды исследуемых напряжений поддерживать постоянными, шкалу вольтметра можно проградуировать непосредственно в значение фазового угла. С помощью ФД получаемая погрешность измерения около (2…3)˚. Погрешность завис от выполнения условий, от стабильности этих величин во времени, чувствительности вольтметра. ФД используется как прямо показывающий фазометр.
27. Фазометры с преобразованием фазового сдвига во временной интервал.

Приборы для фазовых измерений могут содержать преобразователи – устройства, формирующие электрические сигналы, параметры которых функционально связаны с измеряемым фазовым сдвигом.

С помощью формирующих устройств (ФУ) из исследуемых напряжений u1 и u2 вырабатываются кратковременные импульсы в моменты перехода напряжений через 0 в сторону увеличения. Эти импульсы поступают на входы S и R триггера T, и на его выходе формируются прямоугольные импульсы. Длительность импульсов триггера пропорциональна измеряемому сдвигу фаз: . Среднее значение напряжения на выходе триггера, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу , измеряется встроенным цифровым вольтметром постоянного напряжения. При этом амплитуда импульсов Um выбирается таким образом, чтобы показания вольтметра численно совпадали с фазовым сдвигом ϕ, выраженным в градусах.

При таком способе измерения фазового сдвига может возникнуть систематическая погрешность из-за несимметричного ограничения исследуемых напряжений в ФУ. В этом случае напряжение на выходе ограничителя, например в ФУ1, будет иметь постоянную составляющую (рис. 3.4, в). Дифференцирующая цепь, входящая в ФУ, постоянную составляющую не пропускает, поэтому моменты перехода напряжения через нуль смещаются (показано на рисунке в стрелками). Изменение интервала τ приводит к погрешности измерения фазового сдвига.
28.Измерение частоты осциллографическим и гетеродинным методами. Погрешности методов.

Погрешности: главная - погрешность меры (сравниваем неизвестное с эталоном) + небольшая - погрешность устройства сравнения (когда фигура лиссажу не неподвижна, а вращается, частота вращения – погрешность).

Беда метода: на высоких частотах метод работает, но не стабилен сам измеряемый сигнал и невозможно поймать момент остановки, даже с идеальной мерой. А на низких все ок. мера плавно регулируется. Все видно, низкая стабильность, дискретность шкалы.

Гетероидный метод. Высокая точность сравнения.

Преобразование частоты. На выходе магнитоэлектрический прибор. Сравниваем частоты так, чтобы разностная частота была равна 0. Хитрость: магнитожлектрический прибор показывает либо среднее значение на высоких частотах, либо мгновенное значение медленно меняющегося тока – это медленное биение сигнала с частотой разности. В момент нуля биения останавливаются. Это очень точный способ фиксации момента 0.