Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 126
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра Теоретических основ радиотехники
ОТЧЕТ
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Основы метрологии и радиоизмерений»
Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА
Студент гр. 1111 Искаков Б.
Студент гр. 1111 Кузнецов Г.В.
Студент гр. 1111 Федоров В.А.
Студент гр. 1111 Поздняков А.А.
Преподаватель Митянин Е.А.
Санкт-Петербург
2023
Цель работы: изучение методов определения фазового сдвига между 2-мя сигналами, измерение фазового сдвига реакции на фазовращателе, Т-мосте и линии задержки. Знакомство с устройствами измерения фазового сдвига (фазометр Ф2-16).
Основные теоретические положения:
Понятие фазы:
Понятие фазы связано с гармоническими (синусоидальными) колебаниями. Для напряжения
полной фазой является весь аргумент гармонической функции; величину 
называют начальной фазой. Для двух гармонических колебаний с равными частотами
и 
вводят понятие разности фаз 
, которую обычно называют фазовым сдвигом.Обычно за начало отсчета принимают момент времени, при котором начальная фаза первого (опорного) колебания равна
. Тогда
и 
где – фазовый сдвиг между этими напряжениями.Для негармонических, в частности импульсных, колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием сдвига во времени. В этом случае измеряют время задержки. Для гармонических колебаний времени задержки
соответствует фазовый сдвиг 
.
Измерение фазового сдвига с помощью осциллографа:
Фазовый сдвиг можно измерить непосредственно по осциллограммам исследуемых напряжений, наблюдая их одновременно на экране осциллографа (рис.1). Очевидно, что
, где a – расстояние в делениях между пересечениями осциллограммами нулевой линии; b – длительность периода, выраженная в делениях шкалы. Для этих измерений используют осциллограф с двухлучевой электронной трубкой или со встроенным электронным коммутатором. Погрешность измерения угла 
этим способом определяется погрешностями измерения длин отрезков а и b:
,где 
– погрешность измерения ; 
, 
– абсолютные погрешности измерения отрезков а и b.Можно считать максимально возможной погрешностью одно малое деление шкалы осциллографа
; 
. Здесь , – в градусах; а, b – в малых делениях шкалы осциллографа. При измерении фазового сдвига способом эллипса одно из исследуемых напряжений подают на вход Y, а другое – на вход Х осциллографа. Осциллограф работает в ХY-режиме (генератор линейной развертки отключен). При этом луч на экране описывает эллипс (рис.2). Фазовый сдвиг определяют по формуле
,где l , h – отрезки, отсекаемые эллипсом по осям Х и Y; L, H – максимальные отклонения по осям Х и Y.
Рисунок 1. Измерение фазового Рисунок 2. Измерение фазового
сдвига с помощью осциллографа сдвига элептическим методом,
в режиме DUAL. осциллограф в режиме XY.
Погрешность измерения этим способом вычисляют по формуле:
. Погрешность
принимается равной одному малому делению шкалы осциллографа; l и L – размеры эллипса, выраженные в малых делениях шкалы осциллографа. При измерениях этим способом необходимо учитывать фазовый сдвиг, вызываемый неидентичностью фазочастотных характеристик усилителей вертикального и горизонтального отклонений осциллографа, 
, где 
– сдвиг фаз между каналами Y и Х.Измерение фазового сдвига нулевым (компенсационным) способом поясняет рис.3. С помощью предварительно отградуированного фазовращателя
к фазе напряжения 
добавляют фазовый угол 
, такой, чтобы фазовый сдвиг между напряжениями 
и 
на входах индикатора равенства фаз (нуль-индикатор) был равен 0. При этом измеряемый фазовый сдвиг равен фазовому сдвигу, вносимому фазовращателем: 
. В качестве нуль-индикатора в данной работе используется осциллограф в ХY – режиме. Равенству фаз напряжений и соответствует момент стягивания эллипса в прямую линию. Погрешность измерения угла этим способом складывается из погрешности градуировки фазовращателя, систематической погрешности , погрешности определения момента равенства фаз. К недостаткам метода следует отнести необходимость градуировки фазовращателя на каждой частоте, так как зависит от частоты.
Рисунок 4. Компенсационный способ измерения фазового сдвига.
Приборы, используемые в лабораторной работе:
1. Цифровой фазометр Ф2-16.
Основные технические характеристики цифрового фазометра
1) диапазон рабочих частот 0,002...2000, кГц;
2) диапазон входных напряжений 0,002...2, В;
3) пределы измерения разности фаз
180°; 0...360°;4) основная погрешность измерения разности фаз (при относительной нестабильности частоты сигнала не более
за 10 мин) 
, где – измеряемая разность фаз в градусах, A – отношение входных напряжений в дБ;5) входное сопротивление прибора более 1 МОм, входная емкость 30 пФ;
Принцип действия:
В фазометре Ф2-16 измеряемый фазовый сдвиг преобразуется во временной интервал (рис. 4, а и б). С помощью формирующих устройств (ФУ) из
исследуемых напряжений
и 
вырабатываются кратковременные импульсы в моменты перехода напряжений через 0 в сторону увеличения. Эти импульсы поступают на входы S и R триггера T, и на его выходе формируются прямоугольные импульсы. Длительность импульсов
триггера
пропорциональна измеряемому сдвигу фаз:
. Среднее значение напряжения на выходе триггера, пропорциональное
измеряемому фазовому сдвигу
,измеряется встроенным цифровым вольтметром постоянного напряжения.
При этом амплитуда импульсов
выбирается таким образом, чтобы показания вольтметра численно совпадали с фазовым сдвигом , выраженным в градусах. При таком способе измерения фазового сдвига может возникнуть систематическая погрешность из-за несимметричного ограничения исследуемых напряжений в ФУ. В этом случае напряжение на выходе ограничителя, например в ФУ1, будет иметь постоянную составляющую (рис. 4, в). Дифференцирующая цепь, входящая в ФУ, постоянную составляющую не пропускает, поэтому моменты перехода напряжения через нуль смещаются (показано на рисунке стрелками). Изменение интервала
приводит к погрешности измерения фазового сдвига.
а
Рисунок 4. Структурная схема и временные диаграммы фазометра.
Структурная схема.
Фазометр Ф2-16 выполнен по двухканальной схеме; опорный канал (ОК) и измерительный канал (ИК) идентичны (рис.5). Для устранения погрешности из-за несимметричного ограничения в фазометре используются два триггера. Усилители ограничители выполнены по двухтактной схеме, поэтому их выходные напряжения
, 
и 
, 
противофазны (рис.6).Роль дифференцирующих цепочек выполняют дискриминаторы уровня.
Рисунок 5. Детальная схема фазометра Ф2-16.
Дискриминаторы ОК срабатывают при прохождении через 0 напряжений u3,
в сторону увеличения, а дискриминаторы ИК срабатывают при прохождении через 0 напряжений
, в сторону уменьшения. Триггер Т2 переключается положительным импульсом
и отрицательным импульсом 
. Триггер Т2 переключается соответственно импульсами 
и
, которые сдвинуты на полпериода относительно и . Прямоугольные импульсы 
и 
амплитудой 6 В с Т1 и Т2 складываются в сумматоре, образуя 
. Туда же подается напряжение смещения – 12 В. Усилитель постоянного тока