Цифрові фазометри (стр. 2 из 3)

а – структурна схема; б, в – часові діаграми

Дискретність характеризує роздільну здатність фазометра. При

град/імп вона дорівнює .

Таким чином, результат вимірювання не залежить від частоти вхідних сигналів і є пропорційним усередненому значенню m фазових зсувів. Цим забезпечується зменшення в разів СКЗ випадкової складової похибки вимірювання. Водночас у таких фазометрах з'являється похибка, обумовлена можливістю втрати цілого пакета імпульсів або його частини, якщо не є цілим числом. Ця похибка за своєю природою являє собою похибку квантування інтервалу часу . Для забезпечення малого значення цієї похибки необхідно виконати умову m >> 1 або >>T, що істотно обмежує нижню межу частотного діапазону фазометра середніх значень. Тому такі фазометри належать до високочастотних. В області низьких частот, виходячи із забезпечення мінімального часу вимірювання, доцільно застосовувати фазометри миттєвих значень.

Цифрові фазометри з проміжним перетворенням фазового зсуву в постійну напругу

Такі фазометри складаються з двох основних вузлів: фазового детектора (перетворювача фазового зсуву в постійну напругу) і цифрового вольтметра ЦВ, призначеного для вимірювання цієї напруги (рис.7.17, а). Якщо на входи фазометра подати синусоїдні напруги u1(t) і u2(t) (рис.7.17, б), то у фазовому детекторі буде відбуватися проміжне формування послідовності прямокутних імпульсів напруги тривалістю (рис.7.17, в), амплітуда яких стабілізується фіксатором рівня.

Ці імпульси потрапляють на фільтр нижніх частот ФНЧ, який виділяє їхнє середнє значення

,

звідки

,

тобто при середнє значення напруги пропорційне фазовому зсуву . Напруга вимірюється за допомогою ЦВ постійного струму, проградуйованого в одиницях фазового зсуву.

Рис. 3. Цифровий фазометр з проміжним перетворенням:

а – структурна схема; б, в – часові діаграми.

З усіх складових сумарної похибки даного фазометра найбільш вагомою є похибка, яка обумовлена неточністю формування тривалості прямокутних імпульсів (незважаючи на заходи, що вживаються для її зменшення), зокрема вона істотно залежить від амплітуд і коефіцієнта гармонік вхідних сигналів. Тому похибка таких фазометрів нормується з урахуванням цих характеристик, а саме:

- основна абсолютна похибка вимірювань указується при однакових і різних амплітудах вхідної напруги для різних діапазонів частот;

- задається додаткова похибка вимірювань, що вноситься нелінійними викривленнями, наприклад у вигляді

.

Цифрові компенсаційні фазометри

Такі фазометри ґрунтуються на відомому методі зрівноважування (компенсації) вимірюваного фазового зсуву зразковим, який створюється мірою фазового зсуву. Особливість міри полягає в тому, що вона виконується дискретною. Підрахунок кількості кроків при її перебудові в процесі зрівноважування з урахуванням "ваги" кроків складає результат вимірювання фазового зсуву. Використовують міри фазового зсуву з прямокутною або східчастою синусоїдною напругою.

На рис. 4 зображена спрощена структурна схема цифрового компенсаційного фазометра, в якому міра фазового зсуву відтворює кусково-східчастий компенсаційний сигнал

, що апроксимує синусоїду, з дискретно регульованою фазою .

Формується сигнал

за допомогою цифроаналогового перетворювача, який входить до складу міри. Методи і засоби формування таких сигналів розглядаються.

Синусоїдні напруги

і , між якими вимірюється фазовий зсув , і компенсаційна напруга подаються на нуль-індикатор фази.

Таблиця.

Автоматично змінюючи фазовий зсув компенсаційної напруги за сигналами нуль-індикатора фази, дістають умови , яка фіксується нуль-індикатором фази. Підраховуючи число кроків перебудови з урахуванням їхньої "ваги" і знака до моменту досягнення рівності , одержують цифровий код результату вимірювання, який відображається блоком індикації.

Рис. 4. Структурна схема цифрового компенсаційного фазометра

Для розширення частотного діапазону цифрових фазометрів в область високих частот використовують, як і в цифрових частотомірах, їх перенесення на більш низькі частоти, здійснюване або гетеродинним, або стробоскопічним перетворювачами частоти. Але для зменшення відносної похибки вимірювання малих фазових зсувів, при однаковому значенні абсолютної похибки вимірювання, переносять частоти досліджуваних сигналів у більш високу область, що приводить до пропорційного розширення фазового зсуву

. Нехай поточні фази досліджуваних сигналів і , де - початкові фази сигналів. Різниця поточних фаз визначає вимірюваний фазовий зсув . Після збільшення частоти сигналів в k разів їхні поточні фази також збільшуються в k разів, а значення вимірюваного фазового зсуву

збільшується в k разів, що відповідає зменшенню в k разів похибки квантування. Дійсне значення фазового зсуву дорівнює

.

Цифрові вольтметри

Промисловість випускає значну кількість цифрових вольтметрів (ЦВ) різних типів, які відрізняються один від одного призначенням, принципами будови і технічними характеристиками. За призначенням, що визначається кількістю і фізичною природою вимірюваних величин, ЦВ розділяють на чотири групи: ЦВ постійної напруги; ЦВ змінної напруги; універсальні ЦВ, які дозволяють вимірювати постійні і змінні напруги та ряд інших фізичних величин (здебільшого постійний і змінний струм, активний опір, відношення напруг і струмів, а інколи і температуру, ємність конденсаторів та ін); імпульсні ЦВ, призначені для вимірювання амплітуди імпульсних напруг.

Цифрові вольтметри постійної напруги

Основу таких ЦВ складають АЦП, які й визначають суть процесу вимірювання постійної напруги. Різниця між ЦВ постійної напруги і АЦП зводиться до того, що, по-перше, вольтметри мають декілька меж вимірювань, а АЦП виконуються частіше за все з однією або двома межами перетворення, по-друге, АЦП не мають індикації. Ці відмінності не є принциповими, а тому метод вимірювання постійних напруг у ЦВ збігається з методом аналого-цифрового перетворення. В сучасних ЦВ постійної напруги найбільш широко використовуються методи час-імпульсного і кодоімпульсного, меншою мірою – частотно-імпульсного аналого-цифрового перетворення.

Цифрові вольтметри постійної напруги з час-імпульсним перетворенням

У таких вольтметрах використовуються дві групи методів проміжного перетворення вимірюваної напруги у часовий інтервал: методи пропорційного, або розгортального, часового перетворення миттєвих значень напруги та інтегрувальні методи.

Метод пропорційного, або розгортального, часового перетворення ґрунтується на порівнянні вимірюваної постійної напруги зі зразковою напругою, яка змінюється за лінійним законом і є або лінійно-зростаючою в часі, або лінійно-падаючою в часі. Метод передбачає дві операції: перетворення вимірюваної напруги в пропорційний часовий інтервал і вимірювання цього інтервалу методом дискретної лічби. У ЦВ застосовуються різні варіанти такого методу, які обумовлюють різні за складністю і метрологічними характеристиками схеми приладів.

Структурна схема та часові діаграми найпростішого ЦВ з пропорційним перетворенням наведені на рис. 5. Вимірювана напруга

через вхідний пристрій, коефіцієнт передачі якого для спрощення записів візьмемо рівним одиниці, подається на один із входів компаратора (рис. 5, а). Другий вхід компаратора вмикається до генератора лінійно-змінної напруги (ГЛЗН). Припустимо, що робоча напруга ГЛЗН є лінійно зростаючою (рис. 5, б). У початковому положенні ГЛЗН знаходиться в режимі очікування; часовий селектор закритий для проходження імпульсів опорної частоти . Процес вимірювання починається в момент часу , коли блок керування видає сигнал Пуск (Старт) (рис.7. 19, а). Цим сигналом запускається ГЛЗН і одночасно відкривається часовий селектор, через нього в блок індикації починають надходити імпульси частотою з генератора опорної частоти. Водночас ГЛЗН формує зразкову напругу (рис. 5, б). У момент часу , коли зразкова напруга досягає значення вимірюваної напруги , компаратор формує сигнал Стоп, який повертає часовий селектор в початкове положення, тобто закриває його для проходження імпульсів частоти . На цьому процес вимірювання завершується, в блоці індикації фіксується число імпульсів