Разность фаз измеряют тремя основными методами: путем ее преобразования во временной интервал, в постоянное напряжение и сравнением с образцовой разностью фаз, воспроизводимой измерительным фазовращателем. Первые два метода дают наибольшую точность на низких частотах, поэтому высокие частоты измеряемых сигналов снижают путем преобразования частоты.

Существуют различные способы преобразования частоты, в том числе и позволяющие переносить измеряемую разность фаз на сигнал образцового генератора со стабильной частотой. При смещении частоты преобразование происходит без образования комбинационных частот.

Стробоскопическое преобразование позволяет строить широкодиапазонные фазометры до единиц гигагерц при узком диапазоне перестройки частоты генератора стробирующих импульсов.

К умножению частоты прибегают для повышения разрешающей способности фазометра. Умножение приводит к неоднозначности отсчета разности фаз. Частоты выходного сигнала умножителей снижают посредством гетеродинного преобразования. В большинстве видов преобразования частоты полезную составляющую выделяют узкополосными фильтрами с высокой крутизной фазочастотной характеристики. Нестабильность частоты сигналов, а также изменения параметров фильтров вызывают погрешность измерений разности фаз.

Измерение разности фаз путем ее преобразования во временной интервал может быть реализовано путем измерений в цифровой форме периода измерительного и опорного сигналов и их временного сдвига. Необходимые расчеты выполняет МПС.

Существует одно- и двухполупериодное преобразование разности фаз в постоянное напряжение. Двухполупериодное преобразование устойчиво к уходам уровней формирования в каналах.

Измерение разности фаз путем ее сравнения с образцовой разностью фаз в зависимости от применяемого индикатора разности фаз и измерительного фазовращателя может быть реализовано в широком диапазоне частот вплоть до СВЧ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. в каких случаях прибегают к преобразованию частоты при измерении разности фаз? Какие виды преобразования Вам известны?

2. Как обеспечивают постоянство шага считывания при стробоскопическом преобразовании в фазометрах? По временной диаграмме, показанной на рис. 10.3, определите частоту генератора, если частота сигнала fc= 1 МГц. Почему генератор должен иметь возможность перестройки по частоте не менее чем в два раза?

3. В каких случаях используют умножение частоты и как повышается разрешающая способность фазометра? В чем заключается неоднозначность при измерениях разности фаз?

4. Назовите основные причины появления погрешностей при преобразовании разности фаз. Поясните, как влияют на погрешность взаимные наводки между каналами и нестабильность частот сигнала и гетеродина.

5. В чем заключается цифровой метод измерения разности фаз и как можно его реализовать? Назовите источники погрешностей. Чем ограничена верхняя граница частотного диапазона фазометра?

6. Постройте временные диаграммы при реализации одно- и двухполупериод-ного преобразования разности фаз в постоянное напряжение. Как изменится градуировочная характеристика фазометра с однополупериодным преобразованием при уходе уровня формирования в одном из каналов?

7. Чем может быть вызвана зависимость показаний фазометра от амплитуд подводимых сигналов?

8. Постройте зависимость Uettnif) для фазового детектора с ключевой схемой. Как она изменится, если время замыкания ключа несколько возрастет?

9. Ко входам цифрового фазометра подведены два напряжения с неодинаковым отношением сигнал-шум. К какому каналу следует подвести напряжение с меньшим отношением сигнал-шум?

ЗАДАЧИ

1. Фазометр со стробоскопическим преобразованием работает в диапазоне частот 2 МГц...1 ГГц. Каково минимально возможное значение высшей частоты перестройки генератора G2, при которой возможна настройка на любую частоту рабочего диапазона? Низшая частота генератора /н=1,99 МГц, /о=10 кГц. В каких пределах должно изменяться число п?

2. В фазометре с гетеродинным преобразованием частоты использованы фильтры с одиночными 1С-контурами с параметрами: Qi = Q2=100, температурные коэффициенты индуктивностей (ALi/Li°C)= Ю, (Д/,2 -2°С) = 1,2-lO"*, температурные коэффициенты емкостей (ACi/Ci°C) = 10"*, (ДСг/СгС) = 1,3-Ю*. Перед проведением измерений контуры настроены на промежуточную частоту. Определите погрешность измерений разности фаз через 2 ч после настройки, если температура увеличивается со скоростью 10 °С в 1 ч. Как часто следует проводить настройку, чтобы погрешность не превышала бы 1 °С?

3. В фазометре с гетеродинным преобразованием частоты использованы фильтры с одиночными LC-колебательными контурами с добротностями Qi =40 и Q2 = 50. Определите СКО погрешности измерений разности фаз, если частота гетеродина характеризуется кратковременной нестабильностью с СКО 100 Гц. Промежуточная частота f„ = 100 кГц. Указание: случайные отклонения частоты следует считать настолько медленными, что инерционность контура не проявляется.

4. Выведите соотношение для расчета СКО шумовой погрешности цифрового фазометра, если шум имеется только в измерительном канале. Рассчитайте СКО шумовой погрешности, если Ui = \ В, ai = 10 мВ, уровень формирования Lфl=0, /=10 кГц, ф= 10°.

5. Выведите соотношение для расчета СКО случайной погрешности цифрового фазометра с учетом погрешности дискретизации и шумовой погрешности. Рассчитайте СКО, если СКО шумового напряжения в измерительном канале ai = = 20 мВ, амплитуды напряжений U, = U2=l В, /=100 кГц, /о=10 МГц, ф = 30°.

Указание: шумовую погрешность и погрешность дискретизации можно считать статистически независимыми.

6. В формирующем устройстве измерительного канала фазометра с однополу-периодным преобразованием (рис. 10.7) уровень формирования увеличился на 30 мВ относительно нуля. Постройте реальную градуировочную характеристику фазометра, если U] = \ В, (7о=10 В. Импульсы ыд считать прямоугольными.

7. Постройте реальную градуировочную характеристику фазометра с двух-полупериодным преобразованием, если минимальный интервал между импульсами и„ и ык, при которых триггер уверенно запускается, составляет 50 не. Частота сигнала 100 кГц, Uo = 5 В.

8. Определите, при какой разности фаз выходное напряжение индикатора разности фаз (рис. 10.9) будет равно нулю при неидентичных детекторах. При расчетах следует принять К\ = К\ К2 = К -\-и считать изменение разности фаз Дф малым по сравнению с индицируемой в идеальном случае разностью фаз 90°. Рассчитайте изменение разности фаз Дф при U\ = U2 и Д/( ( = 0,1.

9. Фазовращатель СВЧ диапазона представляет собой измерительную линию, к одному концу которой от генератора подведено напряжение падающей волны (У,,, а другой конец нагружен на согласующее сопротивление. Выходное напряжение снимают с зонда. Постройте зависимость фазового сдвига выходного напряжения от расстояния от зонда от нагрузки для двух значений коэффициента отражения от нагрузки р = 0 и р = 0,1. Определите максимальное отклонение зависимости от линейной. Влиянием зонда на поле в линии пренебречь, фазовый угол наведенного на зонде напряжения принять равным фазовому углу напряжения в линии. Указание: для построения удобно пользоваться векторными диаграммами падающей и отраженной волн.

10. Структурная схема измерений разности фаз ф,, вносимой исследуемым четырехполюсником, показана на рис. 10.11. Напряжения ui и ыг с частотой / = = 100 МГц подведены к фазометру по коаксиальным кабелям неодинаковой длины /i = 10 м и /2= 11 м. Выведите соотношение для расчета систематической погрешности 9,, измерений разности фаз за счет неодинаковых длин кабелей. Как эту погрешность можно исключить? Выведите соотношение для расчета предельной погрешности Д,,, измерений разности фаз, обусловленной нестабильностью частоты генератора. Рассчитайте погрешности, если предельная погрешность воспроизведения генератором частоты составляет Ю*"/. Коаксиальный кабель заполнен полиэтиленом (е = 2,3), длина волны в кабеле Лк = Ле"", где X - длина волны в свободном пространстве.

11. Задержку т, гармонического сигнала в линии задержки можно рассчитать по разностям фаз ф1 и ф2, вносимых линией на двух частотах /1 и /2 (рис. 10.12). Выведите соотношение для расчета задержки и предельной погрешности Длз измерений задержки за счет погрешностей воспроизведения частот и измерений разности фаз фазометром. Запишите результат измерений, если частоты fi= 100 МГц

£

®