Общие сведения. Одним из основных параметров электрических колебаний, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени

Одним из основных параметров электрических колебаний, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза. Наряду с фазой одного колебания интерес представляет соотношение фаз двух колебаний. Необходимость в измерениях этих параметров возникает при исследовании усилителей, фильтров, линейных цепей, градуировке фазовращателей, снятии фазочастотных характеристик различных радиотехнических устройств и т.п.

Понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени. Для гармонического колебания u₁(t) = U_m1sin(ω t + φ ₁), имеющего амплитуду U_m1 и круговую частоту ω, текущая (мгновенная) фаза в любой момент времени t представляет собой весь аргумент функции φ (t) = ω t + φ _1, где φ ₁ — начальная фаза.

Фазовым сдвигом Δ φ двух гармонических сигналов одинаковой частоты

u₁(t) = U_m1sin(ω t + φ ₁) и u₂(t) = U_m2sin(ω t + φ ₂) называют модуль разности их начальных фаз

Δ φ = |φ ₁ - φ ₂| 7.1)

Общепринято величину φ ₁ - φ ₂ называть разностью фаз двух сигналов. Если начальные фазы φ ₁ и φ ₂ сигналов остаются неизменными, то фазовый сдвиг Δ φ не зависит от времени.

Для двух гармонических колебаний с разными круговыми частотами ω ₁ ω ₂ и начальными фазами φ ₁, φ ₂, у которых нулевые значения амплитуд при переходе через ось абсцисс сдвинуты на интервал времени τ, разность фаз Δ φ = (ω ₁ - ω ₂) τ + φ ₁ - φ ₂.

Для негармонических колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием их сдвига во времени. В этом случае измеряют время задержки одного сигнала относительно другого.

В зависимости от конкретной измерительной задачи и диапазона частот, в котором производятся измерения, требования к точности измерения фазового сдвига могут быть разными — от достаточно грубых измерений (с погрешностью измерения 1...5° до весьма точных (0, 01°).

Рис. 7.1. Графики двух сигналов с одинаковыми периодами:

а — гармонических; б — гармонического и негармонического

Измерение разности фаз колебаний с разными частотами редко представляет практический интерес. Поэтому обычно решают задачу измерения разности фаз двух гармонических колебаний с равными частотами. При этом фазовый сдвиг удобно представить в виде зависимости от сдвига сигналов во времени Δ t, соответствующего их идентичным фазам. В частности, для двух гармонических сигналов u₁(t)=U_msinω t и u₂(t))=U_msinω ( t - Δ t), имеющих одинаковый период Т = 2π / ω (рис. 7.1, а), фазовый сдвиг в радианах

Δ φ = ω Δ t = 2π Δ t/T.

Два сигнала с одинаковыми частотами называют синфазными, находящимися в квадратуре и противофазными, если фазовый сдвиг между ними равен 0, π /2 и π соответственно. Применительно к периодическим гармоническому и негармоническому сигналам (рис. 7.1, б) и двум негармоническим сигналам с одинаковым периодом Т используют понятие об их сдвиге (задержке) во времени Δ t.

Измерение фазового сдвига осуществляют приборами, называемыми фазометрами, а в качестве мер сдвига применяют фазовращатели, т.е. линейные четырехполюсники, у которых выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного. Фазовращатели бывают регулируемыми и нерегулируемыми.

Для измерения фазового сдвига применяют различные методы измерений: осциллографические, компенсационный, преобразования фазового сдвига во временной интервал, цифровой (дискретного счета), преобразования частоты. Приборы для измерений фазового сдвига, реализующие перечисленные способы (кроме осциллографических), представлены аналоговыми и цифровыми электронными фазометрами, обеспечивающими измерения в диапазоне от инфразвуковых до высоких частот.