С использованием электронно-счетного частотомера

2.1. Собрать схему измерения рис.6.2.

Рис. 7.2. Схема измерения фазового сдвига с помощью цифрового частотомера

Рис. 7.3. Осциллограммы сигналов на входах А и Б
цифрового частотомера при измерении фазового сдвига

Указание. Работа цифрового фазометра времяимпульсного типа основана на методе дискретного счета. В основу положено уравнение (рис.7.3):

(7.1)

где Dt_j - интервал времени, соответствующий измеряемому фазовому сдвигу; Т - период исследуемого синусоидального сигнала; К - градуировочный коэффициент, задающий размерность результата измерения (если К = 360, то размерность - градусы, если К = 2π, то - радианы).

В соответствии с (7.1) в цифровом фазометре величиныDt_jи Т преобразуются в цифровой код, с помощью процессора определяется их отношение, результат умножается на К и выводится на отсчетное устройство. Работа такого цифрового фазометра может быть промоделирована с помощью электронно-счетного частотомера (ЭСЧ), так как этот прибор измеряет каквременной интервал Dt_j , так и период сигнала Т. На основе этих измерений разность фаз двух синусоидальных сигналов можно рассчитать по (7.1).

При измерении временной задержки Dt_j может возникнуть систематическая погрешность D_с , связанная с неодинаковой установкой уровней запуска (порогов срабатывания) формирующих устройств каналов А и Б частотомера (уровни 1 и 2 на рис.7.3). Для обнаружения, уменьшения и исключения этой погрешности целесообразно перед началом измерения фазового сдвига подать на входы А и Б частотомера один и тот же синусоидальный сигнал (например, подключить вход Б частотомера к выходу четырехполюсника) и с помощью регуляторов уровня запуска формирователей каналов А и Б добиться минимального значения D_с по показаниям частотомера. В дальнейшем эту систематическую погрешность нужно исключить из результата измерения.

2.2. Установить частотомер в режим измерения периода. Для уменьшения погрешности квантования (дискретности) выбрать период меток времени Т₀ минимально возможным.

Установить частоту сигнала генератора 0,5 кГц, измерить период Т и записать полученное значение во второй столбец табл. 7.3.

Указание. Для устойчивой работы частотомера уровень сигнала на его входе должен быть не ниже 1 В.

2.3. Переключить частотомер в режим измерения интервалов времени (Т_А-Б). Установить тумблеры запуска каналов А и Б в одинаковые положения запуска (положительными или отрицательными фронтами входных сигналов), а регуляторы уровня запуска - в среднее положение.

Подключить вход Б частотомера к выходу четырехполюсника, т.е. подать на оба входа частотомера один и тот же сигнал. Регулировкой уровней запуска каналов А и Б установить минимальное значение D_с по показаниям частотомера. Значение D_с записать в табл. 7.3.

Указание. Следует иметь в виду, что если в процессе уменьшения D_с уровень запуска канала Б станет ниже уровня запуска канала А, то показания частотомера изменятся скачком от величины D_с до (Т – D_с ). Поэтому не следует добиваться очень малого значения D_с . Кроме того, при измерении величины D_с может возникнуть случайная погрешность, обусловленная нестабильностью уровней запуска. В этом случае за оценку D_с следует принять среднее арифметическое значение из ряда нескольких (3 - 5) измерений.

2.4. Подключить вход Б частотомера ко входу четырехполюсника. Показания частотомера при этом будут соответствовать временной задержке синусоидального сигнала в четырехполюснике на данной частоте. Эти показания могут иметь разброс, связанный с наличием случайной погрешности уровня запуска, поэтому в табл. 7.3 нужно записать результаты 5 измерений , вычислить среднее арифметическое и вычесть D_с. В итоге временная задержка

Указание. Обратите внимание, что изменение показаний в пределах ±1 (единицы) младшего разряда - это погрешность квантования (дискретности).

2.5. Повторить измерения Т, D_с и Dt_j на других частотах, указанных в табл. 7.3, в соответствии с п.п. 2.2 - 2.4.

2.6. Оценить для каждой частоты из табл. 7.3 погрешность уровня запуска

,

где , и суммарную погрешность частотомера при измерении задержки Dt_j:

Примечание.Следует обратить внимание, что погрешность опорного генератора частотомера принципиально не влияет на результат измерения фазового сдвига, поскольку эта величина определяется отношением величин Dt_j и Т и значение периода меток времени T₀ не входит в результат измерения. Именно поэтому в цифровых фазометрах времяимпульсного типа не используют высокостабильные опорные генераторы.

2.7. Вычислить суммарную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига j на каждой частоте по формуле (7.1)

Значение фазового сдвига следует округлить с учетом полученного значения суммарной абсолютной погрешности D_j.

Указание. При расчете D_j , в общем случае, нужно было бы учесть и погрешность измерения периода Т, значение которого входит в формулу (7.1). Поскольку Т, как правило, заметно больше Dt_j , эту составляющую погрешности в данном эксперименте не учитывать.

Результаты измерения фазочастотной характеристики четырехполюсника, полученные с использованием частотомера, нанести на график, построенный при выполнении п.1.10.

Таблица 7.3

Моделирование цифрового фазометра с помощью частотомера

Метка времени Т₀ = мкс

f, кГц	Эксперимент	Расчет
Т, мс	Dс, мс	Dtj, мс	Dtj, мс	Dзап, мс	Dt, мс	Dj, град	j, град
0,5
1,0
2,0
5,0

Сделать вывод об изменении вклада погрешности уровня запуска и погрешности квантования (дискретности) в суммарную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига D_j времяимпульсным методом с увеличением частоты сигнала. Каким образом можно уменьшить погрешность измерения фазового сдвига времяимпульсным методом и в результате расширить частотный диапазон таких фазометров? Какой диапазон частот имеет цифровой фазометр Ф2-34, использованный при выполнении п.1 данной работы?