Цифровые фазометры.

Большинство цифровых фазометров работают по методу дискретного счета. Этот метод используется в цифровых фазометрах и включает 2 операции: преобразование фазового сдвига в интервал времени и измерение интервала времени методом дискретного счета.

Метод дискретного счета.

Структурная схема цифрового фазометра, реализующая метод дискретного счета содержат преобразователь искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени Δt, временного селектора, формирователя счетных импульсов (f\nf), счетчик, ЦОУ.

Рис. 1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Принцип действия преобразователя пояснен на рис.3 и рис.4. Синусоидальные сигналы U1 и U2 имеющие фазовый сдвиг Δφ попадает на идентичный формирователь Ф1 и Ф2 преобразует их в последовательность коротких импульсов U’1 и U’2. U’1 запускает, а U’2 сбрасывает триггер в исходное состояние. В результате на выходе триггера формируется периодическая последовательность импульсов U3, период повторения Т и сдвигу во времени Δt исследуемых сигналов U1 и U2.

Временной селектор выполнен в виде ключа логической схемы. Формирователь счетных импульсов построен на базе импульсного умножителя частоты входных сигналов и схемы выходных импульсов.

Цифровой фазометр работает следующим образом: преобразователь Δφ в Δt из U1 и U2 с фазовым сдвигом Δφ формирует последовательность прямоугольных импульсов U3 имеющих длительность и период повторения Т равный соответствующему сдвигу во времени и периоду сигналов U1 и U2. Импульс U3, а также U4 формируют счетные импульсы имеющие период повторения То подают на вход временного селектора.

Временный селектор открывается на время равное Δt импульсов U3 и в течение этого интервала пропускают U4. На выходе селектора формируются пачки U5, следующие с периодом Т.

Измерения проводятся за Т следования сигналов U1 и U2 (схема управления, обеспечивающая такой режим измерения на структурной схеме не показан).

При этом на счетчик с выхода селектора поступает следующее количество импульсов, содержащихся в одном пакете:

n=Δt/To (1)

В цифровом фазометре период следования счетных импульсов формирователя для удобства схематичной реализации узлов фазометра задают в следующем виде:

То=Т/(36*10^m), где m = 1,2,3… (*)

Зависимость Δφ от Δt:

Δφ=360⁰*Δt/Т (2)

Подставив (1) в (2) и учитывая (*), находим выражение для измеряемого фазового сдвига сигналов U1 и U2:

Δφ=n\10^m-1 (3)

Из (3) следует, что Δφ пропорционально n поступивших на счетчик. Кодовый сигнал со счетчика пропорциональный Δφ подают на ЦОУ, показания которого выдаются в градусах при m=1 с учетом десятичных долей градуса m=2 и т.д.

Погрешность данного цифрового фазометра определяется погрешностями дискретности и аппаратуры. Погрешность дискретности связана с тем, что Δt можно измерить с точностью до одного периода счетных импульсов.

Аппаратурная погрешность определяется отклонением длительности от Δt, не стабильным преобразованием Δφ→Δt и другими причинами.

Цифровые фазометры среднего значения фазового сдвига

Для уменьшения погрешности используют цифровые фазометры среднего значения фазового сдвига, результатом измерения которых является среднее значение измеряемого фазового сдвига за большее число периодов Т анализируемого гармонического колебания.

Структурная схема фазометра отличается от фазометра дискретного счета наличием второго временного селектора ВС2, генератора импульсов ГИ и формирователя импульсов ФИ.

Преобразователь Δt→n формирующий пакеты импульсов U5, состоит из генератора импульсов ГИ и временного селектора ВС1.

Номинальное число импульсов n в одном пакете определяется выражением n= Δt/То.

Для усреднения результата измерения пакеты импульсов U5 подают на устройство, выдающее m таких пакетов за калиброванный отрезок времени Тк>>Т, где Т – период повторения исследуемых сигналов U1 и U2.

В состав устройства входит формирователь импульсов ФИ длительностью Тк и временной селектор ВС2.

Схема ФИ построена на базе делителя частоты с коэффициентом деления kд. На его вход (ФИ) поступает импульсы напряжения U4 с периодом повторения То от ГИ. При этом на входе ФИ формируется импульс U6 длительностью

Тк=То*kд (4)

открывающий временной селектор ВС2. В результате на вход приходит ряд пакетов импульсов U5, число которых:

m=Тк/Т (5)

Сигнал U7 с временного селектора ВС2 поступает на счетчик, связанный с ЦОУ. Общее количество импульсов, поступивших на счетчик с учетом формул (4), (5) и основной формулы (2) будет:

N=m*n=(Δt*kд*To)/(To*T)=(kд*Δt)/T=kд*(Δφ/360⁰) (6)

Из формулы (6) находим измеряемый фазовый сдвиг между гармоническими напряжения U1 и U2:

φΔ=N*(360⁰/kд)=N/k (7)

где k – коэффициент, постоянный для данного прибора, k=10^a, где a – 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 импульсы генератора ГИ исследуемых сигналов U1 и U2 не имеют взаимной синхронизации. Поэтому возможно изменение номинального числа импульсов n в одном пакете на +1 импульс (погрешность дискретности).

Однако результирующая погрешность за время измерения Тк уменьшается, т.к. на счетчик поступают импульсы от m пакетов, в котором выше или ниже числа импульсов n на один импульс равновероятны.

На погрешность фазометра влияет также неточность фиксации преобразователя Δφ в Δt моментов переходов сигналов U1 и U2 через нулевые уровни. Однако погрешности от этих причин, как и погрешность дискретности, уменьшаются при усреднении результата измерений за интервал времени Тк, значительно больше периода исследуемых сигналов.