9.2.2 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на струм чи напругу

Перетворення КФЗ на струм ілюструється на прикладі ключових схем фазочутливих випрямлячів – ФЧВ (рис. 9.2, а). Один з сигналів х₁ подається на вхід 1–1, другий сигнал х₂, який зазвичай називають опорним (ще комутуючим, керуючим), змінюється за допомогою ключа S провідність вимірювального кола від G₀ до 0 (рис. 9.2, б). Залежність вихідного сигналу від часу показано на рис. 9.2, в. При застосуванні згладжуючого фільтра постійна складова вихідного сигналу І₀ буде рівна

І₀=CX_1m G₀ cos φ, (9.4)

д

Рисунок 9.2 - Вимірювання КФЗ шляхом перетворення на напругу чи струм

е С – постійний коефіцієнт; X_1m – амплітуда сигналу х₁.

Як бачимо, струмовий вихідний сигнал пропорційний до амплітуди вхідного сигналу х₁, косинусу КФЗ і не залежить від амплітуди опорного сигналу. Тому за опорний сигнал використовують менш стабільний з двох вхідних сигналів за амплітудою сигнал з попереднім підсиленням і обмеженням. Амплітуду іншого вхідного сигналу X_1m слід підтримувати постійною.

Чутливість ФЧВ

(9.5)

залежить від КФЗ; вона максимальна при φ=90˚ і наближається до нуля при φ=0 і φ=180˚, тому такий ФЧВ зазвичай використовують в діапазоні 30˚<φ<150˚.

Основними джерелами похибок фазометрів з ключовими ФЧВ є зміна параметрів кола під впливом дестабілізуючих факторів, непостійність амплітуди вхідного сигналу, похибка відлікового пристрою, похибка градуювання і відхилення нуля.

9.2.3 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на код

Ці методи засновано на перетворенні КФЗ в інтервал часу і заповненні отриманого інтервалу часу імпульсами відомої частоти. Фазометри, побудовані на цьому методі, містять перетворювач КФЗ на інтервал часу (перетворювач фаза-час - ПФЧ) і автоматичний пристрій перерахунку числа імпульсів в значення КФЗ. ПФЧ ділять на тригерні і перетворювачі з перекриттям. Обидва типи можуть бути виконані як по однопівперіодній, так і по двохпівперіодній схемах.

В найпростішому однопівперіодному пристрої (рис. 9.3) досліджувані напруги u₁ і u₂ подаються на входи формувачів Ф1 та Ф2, які при переході напруги від від’ємної до додатної формують імпульси u’₁ і u’₂, що надходять на вхід тригера Т.

На вході тригера отримуємо імпульс, тривалість котрого пропорційна до КФЗ

, (9.6)

де Т – період вхідного сигналу. Недоліком однопівперіодних тригерних перетворювачів є залежність показів приладу від наявності постійної складової вхідного сигналу, наявності парних гармонік та ін.

Найпростіший фазометр з перетворенням КФЗ в код за один період досліджуваної напруги (рис. 9.4) складається з перетворювача ПФЧ, схеми співпадіння СС, генератора квантуючих імпульсів Г та лічильника Ліч.

Рисунок 9.4 - Найпростіший фазометр з перетворенням КФЗ на код

КФЗ між напругами u₁ і u₂ перетворюється на сигнал U₃ тривалістю t_φ, який надходить на схему СС. На виході схеми співпадіння отримуємо імпульси, число N котрих пропорційне до t_φ, тобто КФЗ

N= t_φ/T₀, (9.7)

де Т₀ – період квантуючих імпульсів. Пам’ятаючи, що , цей вираз можемо переписати у вигляді

. (9.8)

При номінальному значенні КФЗ φ_ном=360˚ число імпульсів N_ном, підраховане лічильником, визначається виразом

N_ном=Т/Т₀. (9.9)

При φ_ном=360˚ максимальна похибка від квантування буде рівною

. (9.10)

Нижня робоча частота фазометра необмежена, а верхня обумовлюється похибкою квантування

. (9.11)

Тут f₀ – частота квантуючих імпульсів. При f₀=100 МГц і δ₀=0,05 % значення f_max=14 кГц.

Фазометри даного типу мають найвищу швидкодію.