4. Цифрові фазометри

Фаза (від латинського phasis – «поява») – характеризує стан коливального процесу в кожен момент часу.

Різницею фаз двох гармонічних коливань

і

називають різницю їхніх початкових фаз при однаковій частоті (рис.4.11).

Одним із методів вимірювання різниці фаз є її перетворення в часовий інтервал.

Якщо здійснювати перетворення в кожному періоді вимірюваної величини і квантувати часовий інтервал t_X імпульсами зразкової частоти, то матимемо цифровий фазометр миттєвих значень.

За умови, що отриманні в кожному періоді миттєві значення різниці фаз усереднюються протягом зразкового часового інтервалу (часу вимірювання), отримують цифровий фазометр середніх значень.

4.4.1 Цифровий фазометр миттєвих значень

Принцип дії цифрових фазометрів заснований на перетворенні різниці фаз двох періодичних сигналів однакової частоти у часовий інтервал t_x із наступним його квантуванням імпульсами зразкової частоти f₀.

Структурну схему цифрового фазометра миттєвих значень наведено на рис.4.10, часові діаграми його роботи - на рис.4.11.

Рисунок 4.10

Основними елементами фазометра є два формувача F₁ і F₂, RS - тригер, схема збігу SW, генератор G, двійковий лічильник СТ2 і цифровий відліковий пристрій.

Перетворення різниці фаз двох електричних сигналів u₁(t) і u₂(t) із частотою f_x у часовий інтервал t_x здійснюють відповідні формувачі F₁, F₂ і RS-тригер Т. Квантування часового інтервалу t_x імпульсами зразкової частоти f₀ відбувається за допомогою схеми збігу SW.

Вихідне положення. Тригер Т і тригери двійкового лічильника СТ2 знаходяться у стані логічного “0”. Рівнем логічного нуля закрита схема збігу SW. Тому імпульси зразкової частоти f₀ не поступають на вхід двійкового лічильника. Не відбувається процес квантування часового інтервалу t_x імпульсами зразкової частоти f₀.

Вимірювання. У момент переходу напруги u₁(t) через рівень нуля на виході формувача F₁ формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічної одиниці. Цим рівнем відкривається схема SW, і імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G через відкриту схему SW надходять на СТ2. У лічильнику СТ2 відбувається підрахунок імпульсів f₀.

Рисунок 4.11

Цей процес відбувається доти, поки напруга u₂(t) не перейде рівень нуля. В момент переходу u₂(t) через нульовий рівень на виході формувача F₂ формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічного нуля. Цим рівнем закривається схема SW, і припиняється надходження імпульсів із частотою f₀ на вхід лічильника СТ2.

Кількість імпульсів із частотою f₀, що надійшли до лічильника СТ2 за часовий інтервал t_x, визначається як

. (4.15)

Оскільки різниця фаз , що вимірюється, є різницею початкових фаз напруг u₁(t) і u₂(t)

, (4.16)

то рівняння перетворення цифрового фазометра миттєвих значень матиме вигляд (статична характеристика наведена на рис.4.12)

. (4.17)

Рівняння похибки квантування цифрового фазометра миттєвих значень подається таким співвідношенням

. (4.18)

Рисунок 4.12

Аналіз рівняння похибки квантування (рис.4.13) показує, що результати вимірювань залежать від частоти вхідних сигналів f_x при постійних та .

Рисунок 4.13

Для усунення цього недоліку застосовують усереднення вимірюваних інтервалів t_xпротягом часу вимірювання t_в.