5. Нулевой метод измерения фазового сдвига.

Нулевой метод измерения фазового сдвига является разновидностью метода сравнения и часто применяется в практике измерений. Сущность метода заключается в компенсации измеряемого (или дополнении его до 90 или 180°) образцовым фазовым сдвигом, получаемым с помощью градуированного измерительного фазовращателя вида Ф3. Работу фазометра, реализующего нулевой метод можно пояснить следующей упрощенной схемой, приведенной на рисунке 5.3:

Рисунок 5.3 – Структурная схема фазометра, реализующего нулевой метод

Как видно из структурной схемы фазометра (рисунок 5.3) с помощью измерительного фазовращателя (ИФВ) начальная фаза изменяется до тех пор, пока не наступит момент равенства фаз и или сдвига их на 90 или 180°. Этот момент фиксируется с помощью индикатора равенства фаз (ИУ), а по шкале измерительного фазовращателя отсчитывается измеряемое значение . В практических схемах фазометров в измерительный канал включают установочный фазовращатель (УФВ). С его помощью предварительно калибруют фазометр, устраняя неидентичность фазовых характеристик каналов фазометра.

В качестве индикаторов равенства фаз применяют осциллографы и магнитоэлектрические приборы с фазовыми детекторами. При этом сами индикаторы практически не вносят погрешность в результат измерения . Процесс измерения в фазометрах, реализующих нулевой метод, достаточно легко можно автоматизировать. Такие фазометры наиболее эффективно реализуются как цифровые приборы.

Основным узлом фазометра, влияющим на точность измерения , является измерительный фазовращатель – образцовая мера фазового сдвига. В зависимости от его качества погрешность измерения может лежать в пределах от десятых долей до единиц градусов. Фазовращатель должен обеспечивать изменение в пределах 0° - 360° (0° - ±180°) при постоянстве амплитуды выходного сигнала не хуже (3 – 5)%. Нулевой метод измерения может применяться в диапазоне частот от низких до СВЧ и определяет частотным диапазоном образцового измерительного фазовращателя. Поэтому задача проектирования измерительных фазовращателей является достаточно сложной и решается по разному в зависимости от диапазона частот. В радиочастотном диапазоне находят применение RC-фазовращатели, а также индуктивные и емкостные. В диапазоне СВЧ широко распространены фазовращатели на направленных ответвителях, диэлектрические, ферритовые и поляризационные. Кроме этого в диапазоне СВЧ нередко применяют мостовые схемы фазометров с двойными тройниками, щелевыми мостами и др.

6. Интегрирующий цифровой вольтметр постоянного тока с усреднением результатов измерений.

Существенное повышение точности и помехозащищенности ЦВ можно получить, осуществляя обработку результатов многократных наблюдений при измерениях с помощью ЦВ. Методы статистической обработки результатов измерений хорошо известны и реализуются самой схемой ИЦВ. Таким образом, показание такого ИЦВ является средним арифметическим за определенное (достаточно малое) время усреднения. При соответствующем алгоритме выборки мгновенных значений для усреднения можно не только снизить среднеквадратическое отклонение результата измерения, но и ослабить (или даже полностью подавить) помехи. Этот алгоритм реализуется в трех вариантах:

• усреднение групп мгновенных значений, разделенных интервалом времени, кратным нечетному числу полупериодов U_п;

• усреднение мгновенных значений за время, равное или кратное периоду U_п;

• усреднение мгновенных значений, умноженных на весовые коэффициенты, зависящие от .

Помимо мгновенных значений можно усреднять также значения , проинтегрированные аналоговым способом, т.е. сочетать в одном приборе ИЦВ с аналоговым интегрированием и устройство усреднения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему ИЦВ с усреднением мгновенных значений (рисунок 2.24). Процесс усреднения можно рассматривать как цифровое интегрирование, поэтому такие ИЦВ называют еще ИЦВ с цифровым интегрированием.

Рисунок 2.24 – Структурная схема ИЦВ с усреднением мгновенных значений измеряемого напряжения

Как видно из рисунка 2.24, структурная схема ИЦВ с усреднением базируется на структурной схеме неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием(рисунок 2.20). УУ не только обеспечивает синхронную работу всех узлов ЦВ, но и определяет время усреднения путем подачи сигнала на схему совпадения (СС), выполняющую функции селектора. На второй вход СС подаются импульсы длительностью , сформированные в аналоговой части ЦВ с помощью уже известных узлов (см. рисунок 2.20) и дополнительного формирующего устройства (ФУ). На третий вход СС поступают импульсы от ГСИ.

Временные диаграммы, характеризующие работу ИЦВ, приведены на рисунке 2.25.

Из рисунка 2.25 видно, что на выходе СС образуются пачки счетных импульсов . Они поступают на счетчик, где производится подсчет импульсов и усреднение за время . Очевидно,

, (2.41)

где – число усредняемых измерений: .

Таким образом,

(2.42)

и мы вновь получаем прямоотсчетный ЦВ.

Рисунок 2.25 – Временные диаграммы, поясняющие работу ИЦВ с усреднением