Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое измерение фазового сдвига, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое измерение фазового сдвига , настоятельно рекомендую прочитать все из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ.
Одним из основных параметров электрических колебаний, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза.
Наряду с фазой одного колебания интерес представляет соотношение фаз двух колебаний.
Необходимость в измерениях этих параметров возникает при исследовании усилителей, фильтров, линейных цепей, градуировке фазовращателей, снятии фазочастотных характеристик различных радиотехнических устройств и т.п.
Понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени.
Для гармонического колебания u1(t) = Um1sin(ωt+φ1), имеющего амплитуду Um1 и круговую частоту ω, текущая (мгновенная) фаза в любой момент времени t представляет собой весь аргумент функции φ(t) = ωt+φ1, где φ1 - начальная фаза.
Фазовым сдвигом Δφ двух гармонических сигналов одинаковой частоты u1(t) = Um1sin( ωt+φ1 ) и u2(t) = Um2sin(ωt+φ2) называют модуль разности их начальных фаз.
Δφ = |φ1-φ2|, (5.7)
Общепринято величину φ1-φ2 называть разностью фаз двух сигналов. Если начальные фазы φ1 и φ2 сигналов остаются неизменными, то фазовый сдвиг Δφ не зависит от времени.
Для двух гармонических колебаний с разными круговыми частотами ω1 ,ω2 и начальными фазами φ1,φ2, у которых нулевые значения амплитуд при переходе через ось абсцисс сдвинуты на интервал времени τ, разность фаз:
Δφ = (ω1 - ω2)τ+φ1 - φ2, (5.8)
Для негармонических колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием их сдвига во времени.
В этом случае измеряют время задержки одного сигнала относительно другого.
В зависимости от конкретной измерительной задачи и диапазона частот, в котором производятся измерения, требования к точности измерения фазового сдвига могут быть разными - от достаточно грубых измерений (с погрешностью измерения 1...5°) до весьма точных (0,01°).
Рисунок 5.3 Графики двух сигналов с одинаковыми периодами: а - гармонических; б - гармонического и негармонического
Измерение разности фаз колебаний с разными частотами редко представляет практический интерес. Поэтому обычно решают задачу измерения разности фаз двух гармонических колебаний с равными частотами. При этом фазовый сдвиг удобно представить в виде зависимости от сдвига сигналов во времени Δt, соответствующего их идентичным фазам. В частности, для двух гармонических сигналов u1(t) = Umsinωt и u2(t) = U/msinω(t - Δt), имеющих одинаковый период Т = 2π/ω (рис. 5.3, а), фазовый сдвиг в радианах:
∆ϕ=ω∆t =2π∆t
T , (5.8)
Два сигнала с одинаковыми частотами называют синфазными, находящимися в квадратуре и противофазными, если фазовый сдвиг между ними равен 0, π/2 и π соответственно. Применительно к периодическим гармоническому и негармоническому сигналам (рис. 5.3,б) и двум негармоническим сигналам с одинаковым периодом Т используют понятие об их сдвиге (задержке) во времени Δt.
измерение фазового сдвига осуществляют приборами, называемыми фазометрами, а в качестве мер сдвига применяют фазовращатели, т.е. линейные четырехполюсники, у которых выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного. Фазовращатели бывают регулируемыми и нерегулируемыми.Приборы для измерения разности фаз называют фазометрами. Мерами разности фаз служат средства измерений, называемые фазовращателями. Последние представляют собой четырехполюсники, которые имеют известную постоянную или регулируемую разность фаз между входным и выходным сигналами. Для измерения разности фаз применяются следующие основные современные методы: компенсационный, преобразования в постоянное напряжение, преобразования во временной интервал.
Для измерения фазового сдвига применяют различные методы измерений: осциллографические, компенсационный, преобразования фазового сдвига во временной интервал, цифровой (дискретного счета), преобразования частоты. Приборы для измерений фазового сдвига, реализующие перечисленные способы (кроме осциллографических), представлены аналоговыми и цифровыми электронными фазометрами, обеспечивающими измерения в диапазоне от инфразвуковых до высоких частот.
Измерение фазового сдвига осуществляется фазометрами, а в качестве мер сдвига применяют фазовращатели, то есть линейные четырехполюсники, в которых выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного. Фазовращатели бывают регулируемыми и нерегулируемыми.
Методы измерения фазового сдвига:
а) Метод линейной развертки
Рассматриваемый метод реализуют при наблюдении на экране одновременно двух сигналов (см. рис. 5.4,а). Способ линейной развертки состоит в подаче напряжений u1(t) = u1 и u2(t) = и2 в каналы вертикального отклонения двухлучевого или двухканального осциллографа (на входы Y1 и Y2) и последующем измерении интервалов Δt и Т. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Применяют различные приборы, например однолучевой осциллограф (рис. 5.4), если на его вход Y подавать исследуемые сигналы поочередно через быстродействующий электронный коммутатор.
Рисунок 5.4 Метод линейной развертки
Электронный коммутатор периодически переключают с помощью импульсов типа «меандр», поступающих с генератора и следующих с частотой F ≥ 25...100 Гц. В том и другом вариантах горизонтальные развертки осциллографов (внутр. синхр.) должны быть синхронизированы одним из исследуемых сигналов. Полезно перед измерением уравнять амплитуды обоих входных напряжений.
Измерив временные отрезки Δt и Т (рис. 5.4), вычисляют фазовый сдвиг сигналов в радианах по формуле:
∆ϕ=360°∆t/ T , (5.9)
При данном методе измерения погрешность измерения фазового сдвига Δφ составляет ± 5...7° и вызвана нелинейностью развертки, неточностью замера интервалов Δt и Т, а также ошибками определения положения оси времени.
б) Метод синусоидальной развертки или метод эллипса
Данный метод можно реализовать с помощью однолучевого универсального осциллографа при подаче одного сигнала на вход Y, а второго - на вход X отклонения луча. При этом генератор развертки осциллографа должен быть выключен. Пусть на входы X и Y осциллографа одновременно поданы исследуемые напряжения u1(t) = u1 =
Um1 sinωt и u2(t) = и2 = Um2 sin(ωt +φ), для которых фазовый сдвиг Δφ = φ (далее в формулах для u1(t) и u2(t) аргумент t для упрощения записей везде опущен). Мгновенные отклонения электронного луча на экране по горизонтали и вертикали равны:
х = hxUm1 sinωt = asinωt, (5.10)
у = hyUm2sin(ωt + φ) = bsin(ωt + φ), (5.11)
где коэффициенты hx, hy - соответственно чувствительности осциллографа к отклонению электронного луча по горизонтали и вертикали; a = hxUm1, b = hyUm2 амплитуды отклонения луча.
Рисунок 5.5 К измерению разности фаз методом эллипса
Электронный луч вычертит на экране осциллографа эллипс (см. рис. 5.5).
Пусть амплитуды отклонений напряжений по входам X = Y. Это условие легко выполнить, подавая исследуемые напряжения поочередно на входы каналов вертикального и горизонтального отклонений осциллографа. Регулируя коэффициенты усиления каналов, добиваются равных отклонений луча. Если а = b, измеряемый фазовый сдвиг связан с размерами эллипса следующим выражением: tg(Δφ/2) = А/В,
где - А - малая, В - большая оси эллипса.
Таким образом, необходимо измерить малую А и большую В оси эллипса и вычислить фазовый сдвиг по формуле:
Δφ = 2arctg(А/В), (5.12)
Метод эллипса не позволяет однозначно определить фазовый сдвиг в диапазоне 0...3600. Неоднозначность измерения имеет место для фазовых сдвигов:
0 < Δφ < 90° и 270° < Δφ < 360°;
90° < Δφ < 180° и 180° < Δφ < 270°; Δφ = 90° и Δφ = 270°.
Для получения правильного результата измерения Δφ, необходимо подавать сигнал и2 на вход Y осциллографа через фазовращатель, создающий дополнительный фазовый сдвиг на 90°. По изменению осциллограммы можно сделать вывод о значении Δφ.
Погрешность измерения фазового сдвига между синусоидальными сигналами методом эллипса составляет ± (2...5)°. Она зависит от точности измерения длин отрезков, входящих в выражение (5.12), размера осциллограммы и точности фокусировки луча на экране осциллографа. Эти причины оказывают тем большее влияние, чем ближе значение измеряемого сдвиг фаза к нулю или к 90°. Возможна и систематическая погрешность измерения из-за наличия разного фазового сдвига, создаваемого усилителями каналов вертикального и горизонтального отклонения. Для ее устранения можно (перед началом измерений) один из исследуемых сигналов подать на вход Y осциллографа непосредственно, а на вход X - через регулируемый фазовращатель. Изменяя настройку фазовращателя, надо добиться появления на экране осциллографа наклонной прямой линии, расположенной под углом 45°. Затем, сохраняя эту настройку, подают на вход фазовращателя второй сигнал и проводят измерение фазового сдвига.
Структурная схема устройства, преобразующего фазовый сдвиг во временной интервал и эпюры, поясняющие его работу, показаны на рис. 5.6. Устройство включает преобразователь Δφ → Δt искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени Δt и измерительный прибор. Преобразователь Δφ → Δt имеет одинаковые формирователи Ф1 и Ф2 и триггер Т. Синусоидальные сигналы u1 и u2 имеющие некоторый фазовый сдвиг Δφ подают на идентичные формирователи Ф1 и Ф2, преобразующие их в последовательности коротких импульсов u3 и u4 (рис. 5.6,б). Импульсы u3 запускают, а импульсы u4 сбрасывают триггер Т в исходное состояние. В результате на выходе триггера формируют периодическую последовательность импульсов напряжения, период повторения и длительность которых равны периоду Т и сдвигу во времени Δt исследуемых сигналов u1 и u2.
Рисунок 5.6 Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал:
а) схема измерения; б) эпюры сигналов
Импульсы, поступая на резистор R, соединенный с измерительным прибором - микроамперметром μА, преобразуют в последовательность импульсов тока i с аналогичными периодом и длительностью и амплитудой Im (см. рис. 5.6,б). В качестве измерительного прибора применяют микроамперметр магнитоэлектрической системы, реагирующий на среднее значение тока i за период Т. Пусть Iср - среднее значение протекающего через прибор тока i. Тогда его показание определится как:
(5.13)
где Δφ - измеряемый фазовый сдвиг.
Шкалу микроамперметра градуируют непосредственно в градусах. Измеренное значение фазового сдвига является средним за время измерения. Рассмотренное устройство - прямопоказывающий фазометр. Диапазон его рабочих частот ограничен снизу инерционностью магнитоэлектрического микроамперметра, а сверху - конечностью длительностей фронтов импульсов формирователей, влияющих, на работу триггера Т. Аналоговые фазометры измеряют фазовый сдвиг сигналов в диапазоне частот 20...106 Гц с погрешностью ± 1...20.
Большинство цифровых фазометров близки по принципу действия к цифровым измерителям интервалов времени и работают по методу дискретного счета. Метод дискретного счета (более точно - цифровой метод измерения фазового сдвига), используемый в цифровых фазометрах, включает две операции: преобразование фазового сдвига в интервал времени и измерение интервала времени методом дискретного счета.
Структурная схема цифрового фазометра, реализующая метод дискретного счета, содержит преобразователь искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени Δt (Δφ —> Δt), временной селектор ВС, формирователь счетных импульсов f/nf, счетчик СЧ и цифровое отсчетное устройство ЦОУ (рис. 5.7,а).
Временной селектор представляет собой ключевую логическую схему. Формирователь счетных импульсов построен на базе умножителя частоты входного сигнала и схемы формирования выходных импульсов.
Рисунок 5.7 Цифровой метод измерения фазового сдвига:
а - структурная схема; б - временные диаграммы
Цифровой фазометр работает следующим образом.
Преобразователь Δφ → Δt из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u1 и u2 с фазовым сдвигом Δφ формирует последовательность прямоугольных импульсов u3 (рис. 5.7,б), имеющих длительность Δt и период повторения Т, равные соответственно сдвигу во времени и периоду сигналов u1 и u2. Импульсы u3, а также счетные импульсы u4, вырабатываемые формирователем счетных импульсов, подают на входы временного селектора. Селектор открывают на время, равное длительности Δt импульсов u3, и в течение этого интервала пропускает на вход счетчика импульсы u4. На выходе селектора формируют пакеты импульсов u5, следующие с периодом Т.
Измерение проводится за один период Т следования сигналов u1 и u2 (схема управления, обеспечивающая такой режим измерения, на рис. 5.7,а для упрощения не приведена). При этом на счетчик с выхода селектора поступает количество импульсов, Содержащееся в одном пакете:
n = Δt/То/, (5.14)
В цифровых фазометрах период следования счетных импульсов формирователя для удобства схемной реализации принимают То =
Т/(36·10m), m = (1, 2, 3...).
Выражение для измеряемого фазового сдвига сигналов u1 и u2: n
∆ϕ=10m−1 , (5.15)
Фазовый сдвиг Δφ пропорционален числу счетных импульсов n, поступивших на счетчик. Кодовый сигнал со счетчика, пропорциональный фазовому сдвигу Δφ, подают на ЦОУ, показания которого выдаются в градусах при m = 1, с учетом десятых долей градуса при m = 2 и т.д.
Погрешность данного цифрового фазометра определяется погрешностями дискретности и аппаратуры. Погрешность дискретности связана с тем, что интервал времени Δt можно изменить с точностью до одного периода счетных импульсов. Аппаратурная погрешность определяется отклонением длительности от Δt, нестабильностью преобразователя Δφ —> Δt и пр.
Измерение фазового сдвига применяется в различных областях и индустриях в зависимости от конкретных потребностей и условий. Вот несколько областей, где измерение фазового сдвига является важным:
Телекоммуникации: В беспроводных и проводных коммуникационных системах фазовый сдвиг играет ключевую роль. Измерение фазы помогает оптимизировать передачу сигналов, управлять фазовой модуляцией и демодуляцией, а также координировать временные параметры в системах с множеством каналов.
Электроника и схемотехника: В электронных схемах и устройствах фазовый сдвиг может влиять на время работы сигналов. Измерение фазы помогает оптимизировать схемы, синхронизировать сигналы и предотвращать интерференцию.
Оптика: В оптике фазовый сдвиг используется, например, в интерферометрии и голографии. Измерение фазы световых волн позволяет создавать изображения с высоким разрешением и проводить точные измерения в оптических системах.
Медицинская диагностика: В медицинской области измерение фазового сдвига может использоваться, например, в технологиях изображения для улучшения качества изображений в медицинских сканерах.
Акустика: В акустике измерение фазового сдвига применяется для анализа звуковых волн, а также для контроля и управления акустическими системами.
Радиосвязь: В области радиосвязи измерение фазы используется для точной синхронизации и передачи данных, особенно в системах с множеством каналов.
Научные исследования: В различных областях научных исследований, таких как физика и инженерия, измерение фазового сдвига играет роль в экспериментах, например, при исследовании свойств материалов и волн.
Измерение фазового сдвига предоставляет информацию о временных характеристиках сигнала, его взаимодействии с другими сигналами или средой, что является важным аспектом в различных технологических и научных областях.
Информация, изложенная в данной статье про измерение фазового сдвига , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое измерение фазового сдвига и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Термины: МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ