Учебное пособие: Цифрові фазометри

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

.

???. 5. ???????? ????????? ????????? ??????? ? ????? ????????????:

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

Із подібності трикутників на діаграмі (рис. 5, б) виходить, що часовий інтервал можна виразити через вимірювану напругу :

, (7.14)

де - крутість лінійно-змінної напруги ;

- її максимальне значення;

- час робочого ходу ЛЗН .

, (7.15)

де - дискретність вимірювання напруги .

Відрізняють циклічний і ациклічний режими перетворення напруги . У циклічному режимі максимальне значення напруги не залежить від значення вимірюваної напруги , воно підтримується незмінним в усьому діапазоні вимірювань. У цьому разі часові інтервали часу відновлення , або зворотного ходу, та робочого ходу ГЛЗН є величинами постійними. Сумарний інтервал визначає час перетворення та швидкодію АЦП. Ациклічному режиму відповідає зв'язок з виходу компаратора на вхід ГЛЗН (пунктир на рис. 5, а). У такому режимі розгортка зразкової ЛЗН закінчується в момент часу . Ділянка відновлення початкового положення ГЛЗН показана пунктиром на рис. 5, б.

Основними джерелами похибок розглянутого ЦВ є: запізнення початку розгортки, нестабільність крутості і нелінійність ЛЗН , поріг спрацювання компаратора і похибка квантування. Нестабільність опорної частоти призводить до похибки, значно меншої за вказані похибки, і її можна не враховувати.

Запізнення початку розгортки ЛЗН відносно сигналу Пуск на величину викликається інерційністю ГЛЗН, внаслідок чого час відкритого положення часового селектора перевищує інтервал на величину і в блок індикації ЦВ потрапляє додаткова кількість імпульсів , що й обумовлює похибку вимірювання. Для її вилучення в схему ЦВ вводиться інший компаратор.

У цій схемі сигнал Пуск з блока керування подається тільки на запуск ГЛЗН у момент часу , його вихідна напруга подається на входи обох компараторів. Першим спрацьовує компаратор 1 у момент часу досягнення напругою нульового значення і на його виході формується сигнал Старт, яким відкривається часовий селектор. Компаратор 2, як і в схемі (рис. 5, а), формує в момент часу сигнал Стоп, який закриває часовий селектор.