Цифровые методы измерения фазового сдвига.

В основе работы цифровых фазометров всех систем лежит принцип преобразования измеряемого угла сдвига фаз во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению измеряемой величины. Длительность временного интервала определяется при этом методом дискретного счета непосредственно, или с промежуточным преобразованием длительности временного интервала в пропорциональное ему значение величины напряжения постоянного тока.

Фазометры с непосредственным преобразованием значения длительности временного интервала в код в свою очередь подразделяются на две группы: с измерением за время одного периода входных напряжений и с измерением в течение нескольких периодов. Фазометры первой группы называются фазометрами мгновенного значения, а второй группы — фазометрами среднего значения. Фазометры среднего значения, называемые также фазометрами с постоянным временем измерения, благодаря хорошим характеристикам получили наибольшее распространение. На рис. 13.5 приведена структурная схема такого фазометра, а временные диаграммы его работы показаны на рис. 13.6.

Входные синусоидальные напряжения и₁, и и₂ с помощью формирующих устройств преобразуются в периодические последовательности коротких импульсов, сдвинутые относительно друг друга на временной интервал Δ T = (Δ φ /2π) Т.

Эти импульсы, попадая на два входа устройства управления, формируют на его выходе последовательность прямоугольных импульсов длительностью Δ T и с периодом следования Т. Полученные прямоугольные импульсы подаются на вход 2 (управляющий) временного селектора I, а на его вход 1 (сигнальный) подается последовательность коротких импульсов с выхода генератора счетных импульсов, период следования которых равен Т_сч.

В результате на выходе временного селектора I формируется последовательность пачек счетных импульсов (см. рис. 13.4). При условии, что Δ Т > Т_сч число импульсов п в каждой пачке, без учета погрешностей, есть:

Эти пачки счетных импульсов подаются, в свою очередь, на вход 1 временного селектора II. На его вход 2 с выхода формирователя, в качестве которого работает делитель частоты, подается прямоугольный импульс длительностью T_mw. В результате, на выходе временного селектора II образуется конечная последовательность пачек счетных импульсов.

Длительность одного цикла измерений Т_им выбирается так, чтобы

Т_изм > > Т_нижн, (13-2)

где Т_нижн — период самого низкочастотного напряжения, исследуемого фазометром. При выполнении этого условия общее количество счетных импульсов N, попавших на вход счетчика, будет равно:

Погрешность в определении N будет тем меньше, чем больше число импульсов п в каждой пачке, и чем лучше выполняется условие (13.2).

Код числа N с выхода счетчика поступает на цифровой индикатор.

Если длительность одного цикла измерений выбрать в соответствии с выражением T_изм=KT_сч/2, где К — коэффициент деления частоты, то выражение (13.3) можно записать в виде:

Значение К выбирают, как правило, из условия К= 720 х 10^m, где т = 0; 1; 2 и т. д. В этом случае значение угла сдвига фаз есть:

Δ φ = 10^-m N = q N,

где q — значение единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства фазометра.

При т = 0 имеем q = 1°; при т = 1 имеем q = 0, 1°; при т = 2 — соответственно q = 0, 01° и т. д.

Видно, что такой цифровой фазометр является прямопоказывающим, это одно из его достоинств. Особенность цифрового фазометра с усреднением состоит в том, что его погрешность дискретизации имеет две составляющие: одна связана с ограниченным числом импульсов в каждой пачке, а другая — с ограниченным числом пачек, попадающих в интервал Т_изм. С изменением частоты входных напряжений влияние этих двух составляющих погрешности дискретизации изменяется в противоположных направлениях. С увеличением частоты количество импульсов в каждой пачке уменьшается, но количество подсчитанных пачек возрастает, с уменьшением частоты происходит противоположный процесс. Возрастание одной составляющей погрешности дискретности при уменьшении п лимитирует верхнюю границу частотного диапазона фазометра, а возрастание другой составляющей при уменьшении числа пачек — нижнюю границу.