МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРИФИКАЦИЯ Измерения фазового сдвига Ленцман

каф. МСС СПб ГУТ

к аргументу сигнала синусоидальной формы:

фаза – выражение

где f – частота, а - начальная фаза.
При исследовании фазочастотных характеристик усилителей, фильтров и т.п. устройств необходимо измерять разность аргументов двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты (например, на выходе и входе исследуемого устройства):



т.е.разность фаз определена разностью начальных фаз этих сигналов. Модуль разности фаз называют фазовым сдвигом.

фаз и соответственно, фазовый сдвиг пропорциональны отношению временной задержки одного

синусоидального сигнала относительного другого к периоду сигнала. Если коэффициент пропорциональности выбрать 2π, то фазовый сдвиг будет выражен в радианах (обычно в теоретических расчетах), если 360 – то в градусах (в практике измерений).

сдвига от частоты. Однако графическое представление ФЧХ:










не очень удобно для

обнаружения небольших отклонений этой характеристики от линейности.

прохождения» (ГВП) – первую производную ФЧХ по круговой частоте, взятую

с отрицательным знаком:
Линейному изменению фазового сдвига с изменением частоты соответствует постоянное значение ГВП:








На графике τГВП(f) легко обнаружить малые фазовые искажения исследуемого четырехполюсника.

приращение фазы при небольшом приращении частоты, а далее рассчитывают отношение:


Если

приращение фазы выражено в градусах, а приращение частоты - в герцах, то значение ГВП будет получено в секундах, а если частота в ГГц, то ГВП - в наносекундах.

анализаторах цепей, соответствующие операции оценки ГВП проводятся автоматически.
Относительно недавно появились

анализаторы цепей, очень точно измеряющие ГВП в диапазоне СВЧ путем анализа так называемых S - параметров исследуемых четырехполюсников.

эллипса, отображаемого на экране при подаче сигналов на входы Y

и X.






Достоинства метода - оперативность и простота,
Недостатки - большие погрешности (порядка нескольких градусов) и ограниченный диапазон частот, поскольку ширина полосы канала X осциллографа существенно уже полосы канала Y.

или

это преобразование, называют фазовым детектором (ФД), а соответствующие фазометры -

триггерными фазометрами. Для измерения постоянного напряжения на выходе ФД можно использовать интегрирующие АЦП – так создавали первые цифровые фазометры.

на применении устройств, вносящих известный и регулируемый фазовый сдвиг -

эталонных фазовращателей, которые являются по сути дела цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) «код – фазовый сдвиг».

сдвиг:




Интервалы времени с помощью меток преобразуют в число импульсов. Следует

обратить внимание, что результат измерения не зависит от значения и, соответственно, от долговременной нестабильности генератора меток времени.
Далее необходимо разделить Nt на NT, и умножить на градуировочный коэффициент 360.

существенно возрастает с ростом частоты измеряемого сигнала F!
Например, при T0=1мкс

погрешность возрастет до 0,36° уже на частоте F=1кГц, что существенно ограничивает частотный диапазон таких фазометров.
Но поскольку фазовые измерения, как правило, не требуют обеспечения высокого быстродействия, результаты измерений можно усреднять по большому числу периодов – соответственно можно уменьшить погрешность квантования.

схем ЭСЧ в режимах измерения частоты и периода.










Условные обозначения:
ФУ1 и

ФУ2 – формирующие устройства, Г – генератор меток
ДЧ – делитель частоты, коэффициент деления которого выбирают кратным числу 36, например 360000, ВС1 и ВС 2 – временные селекторы;
ДДС – двоично-десятичный счетчик; УУ – устройство управления.

числа импульсов в одной пачке на количество пачек импульсов

устройств (компараторов),
и двумя погрешностями квантования:

.

, где

- среднее число импульсов в пачке, а
N2 – среднее число пачек импульсов в интервале

для измерения фазового сдвига сигналов на частотах до 5 МГц

(без дополнительного преобразования частоты) с разрешающей способностью порядка 0,01° и нормируемой погрешностью порядка десятых долей градуса.

импульсных схем, частотный диапазон время-импульсных фазометров расширен до частот порядка

нескольких сотен МГц.
Полезно также представлять, что большинство современных процессорных ЭСЧ позволяют («как отход производства») измерять разность фаз двух сигналов с разрешающей способностью порядка долей градуса до частот порядка сотен МГц .

цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) "код-фаза". Упрощенная структурная схема компенсационного фазометра.





Условные обозначения:
ФД

– фазовый детектор;
ЭФ – эталонный фазовращатель, управляемый кодом;
УУ – устройство управления;
Устройство управления по определенному алгоритму изменяет код, подаваемый на эталонный фазовращатель, до тех пор, пока напряжение на выходе фазового детектора не станет близким к нулю. При этом код ЭФ будет соответствовать, в пределах погрешности квантования, значению разности фаз входных сигналов.

входит и погрешность квантования) и погрешностью фазового детектора.
Принципиальным достоинством такого

фазометра является широкий частотный диапазон – вплоть до СВЧ