Измерение частоты, временных интервалов и фазы. Основные сведения об измерении частоты, страница 8

Для измерения разности фаз применяются методы:

- сравнения с помощью осциллографа,

- компенсационный метод,

- преобразования в постоянное напряжение,

- преобразования во временной интервал.

В серийных фазометрах реализованы последние три метода. В них для расширения диапазона частот измерения применяют преобразования сигналов: умножение частоты и гетеродинное преобразование.

Метод преобразования разности фаз во временной интервал основан на идее измерения среднего значения разности фаз за несколько периодов исследуемого сигнала.

Упрощенная структурная схема устройства, реализующего эту идею, представлена на Рис.7.10. Диаграммы напряжения в различных точках фазометра представлены на Рис.7.11.

Напряжения одинаковой частоты, сдвиг фаз между которыми необходимо измерить, подводятся к двум идентичным каналам. Входные устройства обоих каналов предназначены для согласования фазометра с объектом измерения по сопротивлению и масштабного изменения сигнала. Формирующие устройства преобразуют входные сигналы к стандартной импульсной форме. На выходе ФУ создаются прямоугольные импульсы, фронты которых совпадают с точками пересечения нуля входным сигналом от минуса к плюсу, а срезы - с точкой пересечения нуля входным сигналом от плюса к минусу. Эти импульсы из обоих каналов перебрасывают счетный триггер из нулевого состояния в единичное и обратно. Так на выходе триггера со счетным входом формируются временные интервалы ΔT, пропорциональные величине фазового сдвига. На первый временной селектор одновременно поступают пропорциональные разности фаз временные интервалы ΔTи разрешающий потенциал с делителя частоты, длительность которого определяется периодом сигнала кварцевого генератора и коэффициентом деления. Эта длительность определяет время измерения Т_изм.

Делитель частоты предназначен для того, чтобы повысить точность измерения и измерять не мгновенное значение разности фаз (за один период), а ее среднее значение (за много периодов).

При одновременном воздействии на ВС₁ этих сигналов на его выходе появляется последовательность временных интервалов  ΔT, пропорциональных величине фазового сдвига. Количество этих интервалов определяется соотношением периода исследуемых сигналов Т_с и времени измерения и равно

.

Таким образом, на вход второго временного селектора подается последовательность разрешающих потенциалов, суммарную длительность которых необходимо измерить. На второй вход ВС₂ поступают счетные импульсы от ГИ. Количество m_i импульсов в каждой i-й пачке может быть различным, т.к. ГИ вырабатывает счетные импульсы непрерывно, но количество их, укладывающихся на интервал ΔT, может отличаться от периода к периоду из-за наличия погрешности дискретности. Среднее число прошедших на счетчик через ВС₂ за один период исследуемого сигнала импульсов m равно . количество пачек импульсов от ГИ равно числу n прошедших за время измерения периодов входных сигналов.

После прохода через ВС₁ некоторого числа n импульсов со счетного триггера, на временной селектор ВС₁ подается запрещающий потенциал, счет прекращается и показания счетчика оказываются равны числу  импульсов ГИ, поступивших на счетчик за n периодов.

Содержимое счетчика N пропорционально разности фаз и равно

.

Поскольку длительность измерения Т_изм определяется периодом Т_ГИ и коэффициентом деления делителя частоты, ее подбирают таким образом, чтобы

,  к = 0; 1; 2; …

Таким образом, на цифровом индикаторе высвечивается показание Δφ = φ₂  - φ₁, выраженное в единицах измерения разности фаз – градусах и их долях.

Погрешность измерения определяется стабильностью частоты ГИ и заданным коэффициентом деления частоты.