Цифровой фазометр

 
 
 

       Цифровой  фазометр 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

 

      Фазовые параметры элементов и узлов  аппаратуры, линий и трактов передачи информации имеют важное значение, так как для правильного воспроизведения сигналов необходимо обеспечить не только правильный вид амплитудной характеристики системы, но и равное время распространения всех передаваемых частот. Особенно это важно при передаче дискретной информации и телевизионных сигналов, а также для всех без исключения сигналов, передаваемых на большое расстояние. Существуют следующие методы измерения разности фаз: осциллографический, измерения суммарных и разностных напряжений , преобразования сдвига фаз во временной интервал между импульсами, сравнения и компенсации, с преобразованием частоты и метод, основанный на измерении входных сопротивлений. В данной работе рассмотрен метод преобразования сдвига фаз во временной интервал между импульсами.

      Принцип измерения состоит в преобразовании измеряемых напряжений в остроконечные однополярные импульсы, соответствующие моментам переходов этих напряжений через нуль от отрицательного к положительному значению, и в последующем измерении относительной длительности (по отношении к периоду) временных интервалов между передними фронтами этих импульсов, которые пропорциональны сдвигу фаз. 

                             рад

                             град                                                              (1) 
 

      Независимость величины относительного интервала  времени и амплитуд измеряемых напряжений , строгое соблюдение линейной зависимости между сдвигом фаз и измеряемого интервала времени, возможность получения непосредственного отсчета в пределах от 0 до 360, а также хорошо разработанная методика измерения временных интервалов определяет широкое применение этого метода в различных типах фазометров.

      Верхняя граничная частота, измеряемая прибором, не превышает (100...200) кГц. Это ограничение  определяется погрешностью увеличение погрешности измерения с ростом частоты за счет возрастания влияния ошибки измерения временных интервалов между импульсами.

      Допустимая  погрешность определения интервала  при допустимой погрешности сдвига фаз, равной 10, составляет 2,78*10-3*Т сек. Например при частоте 100 кГц величина ошибки измерения временного интервала должна быть менее 2.78* 10"8 с. На практике в основном используются три типа фазометров, работающих на данном принципе измерения: с осциллографическим индикатором, измерителями релаксационного вида и цифровые. 

1. Разработка структурной  схемы цифрового фазометра

 
 

      В цифровых фазометрах интервал времени  между остроконечными импульсами измеряется с помощью цифровых измерителей  интервалов времени - счетчиковых частотомеров, работающих в режиме измерения времени.

      В соответствии с уравнением (1) для  определения разности фаз необходимо вычислить временной интервал, соответствующий запаздыванию одного сигнала относительно другого, и интервал, соответствующий периоду измеряемых сигналов.

      Это приводит к непостоянству погрешности  дискретности, которая возрастает с увеличением частоты f. Обычно требуется, чтобы fo/f=103, при этом погрешность дискретности будет меньше 0,5%. Значение частоты следования импульсов в измерителях интервалов времени в силу ограниченности быстродействия счетчиков не превышает 10 МГц и следовательно, максимальная частота сигналов не может превышать 10 кГц. Это является недостатком применения данного метода.

      Для расширения частотного диапазона измерений  счетчиковых фазометров применяется способ измерения среднего значения сдвига фаз. При этом способе увеличивается время измерения, но значительно снижается погрешность измерения. Эта погрешность, так как носит случайный характер, снижается в соответствии с законом сложения случайных ошибок и может быть сделана достаточно малой при небольшом отношении fo/f. Данный способ измерения называется способом перекрытия. Структурная схема фазометра, построенная по такому способу, представлена на рис. 1

 

      Рис. 1 Структурная схема цифрового  фазометра 
 

        Описание работы фазометра по структурной схеме 

        На вход А подается опорное  напряжение ul, а на вход В - измеряемое  напряжение u2. После ограничения  эти сигналы, а также счетные  импульсы образцовой частоты  fo поступают на селекторы 1 и  2, представляющие из себя схемы И. На выходе этих схем получаются импульсы исч1 и исч2, синхронные счетным, если соответствующие входные импульсы положительны в момент прихода счетных импульсов. Следовательно максимальный отсчет фазового сдвига будет равен 180°. Селектор 3 пропускает импульсы исч1 при отсутствии счетных импульсов исч2. Среднее значение фазового сдвига на п периодов равно 

 

      Величина  представляет собой общее время измерения, которое фиксируется счетчиком счетных импульсов

      Для удобства расчетов частота счетных  импульсов выбирается кратной 360 градусам ( в данном случае 3.6*107 Гц), т.е.цена каждого счетного импульса в градусах составляет 10-5. Количество импульсов, прошедших через селектор 3 фиксируется главным счетчиком. Время измерения выбирается равным 1 или 10 с (в данном случае n·N=3,6·107 и n·N·T0=l с). Величина сдвига фазы при этом равна 

 

      q - количество импульсов, прошедшее  через селектор 3.

      Погрешность измерения учитывается автоматически, путем ограничения числа значащих цифр показаний главного счетчика четырьмя первыми цифрами.

      Подобные  фазометры работают в диапазоне  частот от долей герца до нескольких мегагерц. Их погрешность зависит от частоты, возрастая с ее увеличением. При частотах около 300 кГц она равна 0,3°. 

2. Разработка функциональной  схемы

 
 
 

      На  основе структурной схемы может  быть спроектирована функциональная схема фазометра.

      При максимальной частоте диапазона  измерений в качестве усилителей ограничителей могут быть выбраны быстродействующие операционные усилители, включенные по схеме с положительной емкостной обратной связью. Так эти усилители вносят фазовые сдвиги, то необходимо их настроить с одинаковыми фазовыми характеристиками.

      В качестве селекторов 1 и 2 можно применить  логические элементы "И". В качестве селектора 3 применяем логические элементы, выполняющие функцию генератор импульсов для обеспечения малой погрешности должен быть окварцованным и выполнен на двух инверторах в режиме усиления с положительной обратной связью с помощью кварцевого резонатора.

      Электронный ключ выполняется на триггере со схемой И. Включение ключа осуществляется по команде Пуск , выдаваемой с помощью кнопки, выключение после заполнения счетчика импульсов (через время измерения). В качестве этого счетчика можно использовать 6 двоично-десятичных счетчиков.

      Главный счетчик состоит из 7 двоично-десятичных счетчиков.

      Устройство  цифрового отсчета состоит из 4 светодиодных индикаторов и 4 преобразователей из двоично-десятичного кода в семисегментный код.

      Функциональная  схема представлена на рис. 2 
 
 

3. Описание принципиальной  схемы.

 

      Принципиальная  схема фазометра представлена на рис. 3 В качестве усилителей ограничителей применены ОУ 544УД1. В качестве логических элементов и счетчиков применены микросхемы серии 555. Эта серия представляет ТТЛШ-логику, т.е. транзисторно-транзисторную логику с диодами Шотки. Применение диодов Шотки позволило при незначительном потреблении создать микросхемы с очень высоким быстродействием. Время задержки этих микросхем составляет порядка 3 не, что обеспечивает устойчивую работу счетчиков на частоте свыше 10 МГц.

      Работа  фазометра по принципиальной схеме  Измеряемые синусоидальные сигналы одинаковой частоты поступаю на операционные усилители с большим коэффициентом усиления. Эти усилители формируют прямоугольные сигналы с одинаковыми длительностями фронтов. Прямоугольные сигналы с выходов ОУ поступают на схему формирования разности фаз на эл. DD1 и DD2. По приходу команды "Пуск" с внешнего устройства триггер DD1 устанавливается в 3, в результате чего разрешается формирования импульса времени измерения и подсчета числа импульсов, заполняющих временной интервал, соответствующий разности фаз. Временной интервуал формируется на 8 двоичнодесятичных счетчиках на эл. 555ИЕ2. После подсчета 36*106 импульсов, что соответствует времени измерения 1 с, с помощью дешифратора, настроенного на код 36 формируется импульс, сбрасывающий триггер DD1 в 0, прекращая подсчет импульсов заполняющих временные интервалы с выхода mcx.DD2.1. Генератор импульсов, собранный на двух элементах 555ЛАЗ, с положительной обратной связью на частоте кварца СН 36106 формирует образовую частоту. Сдвиг фазы фиксируется счетчиком на эл. DD12...DD18. Индикация осуществляется с помощью светодиодных индикаторов на мех АЛС521 А. Для дешифрации двоично-десятичного кода в семисегментный используются 4 дешифратора на мех 514ИД1.

4. Конструкция фазометра

 

      Конструктивно фазометр выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Вводные сигналы и напряжения от источников питания подаются через специальный семиконтактный разъем.