Алешечкин А.М. Метрология и радиоизмерения

Подождите немного. Документ загружается.

ВБ

Интерфейс

вво

да

ИКАР

МП

ОЗУ

ПЗУ

ГТИ

Системный

интерфейс

Интерфейс

вывода

Интерфейс

вывода

Интерфейс

вывода

Интерфейс

вывода

Интефейс

ввода

БАК

ВЗУ

ПУ

ЦД

Клавиату

ра

АЦП

Промежуточные

данные

Константы,

числа

Программы работы

МП

вх

ШД

ША

ШУ

Рис. 5.10. Микропроцессорный универсальный цифровой вольтметр

ВБ – входной блок, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦД – цифровой дисплей;

БАК – блок автокалибровки, ПУ – печатающее устройство, ВЗУ – внешнее запоминающее

устройство, ИКАР – интерфейсная карта, МП – микропроцессор, ОЗУ – оперативное запо-

минающее устройство, ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ГТИ – генератор

тактовых импульсов, ШД – шина данных, ША – шина адреса, ШУ – шина управления

Выходной сигнал АЦП преобразуется в виде параллельного двоичного

кода. В АЦП двойного интегрирования и времяимпульсных АЦП цифро-

вой код снимается в параллельном виде со счётчика импульсов и подаётся в

интерфейс ввода.

В случае применения АЦП двойного интегрирования МП управляет

временем интегрирования. Его определяет оператор, задавая с клавиатуры

число индицируемых разрядов.

Клавиатура. Относится к устройству ввода (как и АЦП) и представляет

собой совокупность органов управления – клавиш, расположенных на перед-

121

ней панели прибора. Клавиатура служит для задания режима работы прибора,

вида измерения, переключения пределов измерения (при работе в ручном ре-

жиме), задания программ работы ЦВ (при использовании в приборе несколь-

ких программ измерений).

Клавиши обычно сгруппированы в логические блоки, обозначенные

подписями: ВИД ИЗМЕРЕНИЯ, РЕЖИМ РАБОТЫ, ДИАПАЗОН, ПРО-

ГРАММА и т.п. Клавиатура обслуживается МП в режиме опроса.

Цифровой дисплей (ЦД). Обеспечивает отображение результатов изме-

рений и другой информации. Взаимодействует с клавиатурой, отображает

не только цифры, но и единицы измерения, знаки (+ и −), слова или буквы,

несущие важную информацию для оператора. Вводимые константы также

отображаются ЦД, позволяя контролировать правильность их ввода.

Блок автокалибровки (БАК) подключается к МП системе через интер-

фейс вывода и управляет ВБ. Он содержит внутри образцовый ЦАП.

БАК выполняет следующие функции:

1. Коррекции смещения нуля.

2. Уточнения масштабных коэффициентов, зависящих от характеристи-

ки внутренних цепей ЦВ. К таким цепям относятся, в частности, имеющиеся

во входном блоке аттенюатор, усилители переменного или постоянного

напряжения, измерительные преобразователи напряжения переменного тока в

напряжение постоянного тока. В энергонезависимой памяти (ОЗУ или ЭПП-

ЗУ) хранятся в виде констант точные значения коэффициентов передачи трак-

тов прохождения сигналов от входных зажимов до АЦП.

Значения констант различны для каждого поддиапазона и вида измере-

ний. Реальные масштабные коэффициенты определяются с помощью образ-

цового напряжения, задаваемым образцовым ЦАП и подаваемым на входные

зажимы ЦВ.

3. Автоматической коррекция в области ВЧ коэффициента передачи

тракта прохождения сигнала.

4. Автокалибровки, которые производятся регулярно либо через уста-

новленный интервал времени после каждого изменения диапазона измерений,

либо при выборе большего интервала интегрирования.

Выполняя каждую из процедур автокалибровки, МП сравнивает полу-

ченные данные с записанными в памяти пределами и при их несоответствии

выдаёт соответствующую информацию, привлекающую внимание оператора.

Микропроцессорный ЦВ может работать по разнообразным програм-

мам измерений. Для примера можно привести возможный алгоритм измере-

ния среднеквадратического значения напряжения для случая вычисления его

значений с помощью МП. В соответствии с ним в дискретные моменты вре-

мени измеряются мгновенные значения напряжения u(t), подводимого к ЦВ,

и производятся вычисления по формуле:

122

[ ]

∑

)(

где

– среднеквадратическое значение напряжения

)(tu

;

)(

– мгно-

венное значение напряжения

)(tu

в момент i – ой выборки; N – общее число

выборок, за которое находится U;

– интервал времени между соседними

выборками.

Данный алгоритм определения среднеквадратического значения напря-

жения не накладывает ограничений при измерении напряжения самой низкой

частоты, но в области высокочастотных напряжений применяемость его огра-

ничена быстродействием АЦП и МП.

6. ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА

6.1. Введение

Решение многих задач радиотехники невозможно без измерения наряду

с амплитудой и частотой также фазового сдвига (ФС) сигналов. Фазовые ме-

тоды измерений позволяют решать многие задачи, связанные с измерением

дальности, координат, помехоустойчивой передачи информации и т. д.

Например, фазовые радиотехнические системы ближней навигации

обеспечивают измерение дальности и координат с погрешностью 0.1–1 м,

спутниковые системы глобальной навигации позволяют определять расстоя-

ние с точностью до нескольких миллиметров, угловое положение – с точно-

стью до единиц угловых минут. Устройства на основе фазовых методов с ис-

пользованием лазерной техники могут измерять малые расстояния с погреш-

ностью 10

-9

м и менее.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 приборы для измерения фазового

сдвига и группового времени запаздывания относятся к подгруппе Ф включа-

ют:

• Ф1 – установки и приборы для поверки измерителей фазового сдвига и

группового времени запаздывания;

• Ф2 – измерители фазового сдвига;

• Ф3 – фазовращатели измерительные;

• Ф4 – измерители группового времени запаздывания.

Фазовым сдвигом (ФС)

называется модуль разности аргументов

двух гармонических сигналов с одинаковой частотой.

)tcos(Um)t(U

1111

ϕ+ω⋅=

)tcos(Um)t(U

2222

ϕ+ω⋅=

где

ω=ω

123

В соответствии с приведенным определением ФС сигналов

)t(U

определится как

ϕ−ϕ=ϕ

. Фазовый сдвиг является постоянной ве-

личиной при

ω=ω

и не зависит от момента измерения.

Фазовый сдвиг сигналов

)t(U

можно определить по формуле

∆⋅

=∆⋅ω=ϕ

, (6.1)

где

− период гармонического сигнала;

∆

− интервал времени между

моментами, когда сигналы находятся в одинаковых фазах, например при

переходах через нуль от отрицательного к положительному значению

(рис. 6.1).

U1 t( )

U2 t( )

20 t

0 0.5 1 1.5 2

∆

Рис. 6.1. К определению фазового сдвига

В (6.1) значение ФС

выражено в радианах, для выражения

в гра-

дусах необходимо в (6.1) заменить

на

360

∆⋅=∆⋅ω=ϕ

360

. (6.2)

По схеме построения различают аналоговые и цифровые измерители

фазового сдвига. Для измерения в области низких частот используют фазо-

метры без преобразования частоты. При измерениях в диапазоне высоких ча-

стот применяют гетеродинное или стробоскопическое преобразования часто-

ты, позволяющие расширить частотный диапазон измеряемых сигналов.

Для негармонических сигналов вместо ФС используют задержку по

времени между сигналами

∆

и ее измерение.

6.2. Аналоговые фазометры

124

Среди аналоговых фазоизмерителей различают: осциллографические

методы измерения ФС; компенсационные фазометры; стрелочные фазометры,

которые, в свою очередь, делят на корреляционные фазометры и триггерные

фазометры. Кроме того, разработаны оптимальные алгоритмы оценки ФС в

условиях воздействия на измеряемый сигнал шумовых помех.

6.2.1. Осциллографические методы измерения

В зависимости от вида развертки осциллографа различают три метода

измерений ФС: метод линейной развертки; метод синусоидальной развертки;

метод круговой развертки.

Метод линейной развертки. В каналы вертикального отклонения ос-

циллографа подают напряжения

)tcos(Um)t(U

1011

ϕ+ω⋅=

)tcos(Um)t(U

2022

ϕ+ω⋅=

. Генератор развертки осциллографа включен. Осцил-

лограф должен быть двухлучевым или двухканальным с коммутацией вход-

ных сигналов. На экране будут наблюдаться два гармонических сигнала (рис.

6.2).

0 0.5 1 1.5 2

a b c

Рис. 6.2. Изображение двух гармонических сигналов на экране осциллографа

Значение фазового сдвига определяется путем измерения длины отрез-

ков ab и ac по формуле

360

⋅=ϕ

. (6.3)

Погрешность измерения определяется неточностью измерения отрезков

ab и ac, нелинейностью развертки, влиянием фазовых характеристик каналов

и т. д. Суммарная относительная погрешность измерения обычно составляет

Метод синусоидальной развертки. Пусть измеряется значение фазового

сдвига между напряжениями

)tcos(Um)t(U

1011

ϕ+ω⋅=

)tcos(Um)t(U

2022

ϕ+ω⋅=

. Напряжение

)t(U

подают на Y-вход (вход верти-

125

кального отклонения) осциллографа,

)t(U

− на X-вход (вход горизонтально-

го отклонения). Генератор развертки отключен.

Мгновенные отклонения луча на экране осциллографа по осям X и Y

,)tsin(Y)t(Uh)t(y

,)tsin(X)t(Uh)t(x

001

ϕ+ω⋅=⋅=

ω⋅=⋅=

(6.4)

где

UmhX

⋅=

UmhY

⋅=

− амплитуды отклонений.

Вначале каждое из напряжений подают на входы осциллографа по

отдельности. Регулировкой усиления Y-канала добиваются равенства ам-

плитуд отклонений луча. После подачи двух напряжений на пластины осцил-

лографа на экране появится простейшая фигура Лиссажу – эллипс. Значения

большой и малой полуосей эллипса А и B связаны со значением ФС уравне-

нием













из которого можно определить значение фазового сдвига как













⋅=ϕ

arctg2

. (6.5)

Метод круговой развертки (рис. 6.3) позволяет выполнять измерения

ФС в пределах

180

с указанием знака.

На рис. 6.3 представлены схемы подачи напряжений на пластины ос-

циллографа и изображения на экране электронно-лучевой трубки для различ-

ных случаев: a − при отсутствии напряжения

)t(U

; б − при положительном

значении

; в − при отрицательном значении

; г − при синфазных сигна-

лах; д − при противофазных сигналах.

126

Однополупериодный

выпрямитель

ФВ 90

Осцил.

Y Z

)t(U

ϕ+

ϕ−

=ϕ

180

=ϕ

a б в

г д

Рис. 6.3. Схема измерения ФС методом круговой развертки

Данный способ является более точным, чем метод синусоидальной раз-

вертки. Кроме того, получают прямой отсчет фазового угла с указанием зна-

ка.

6.2.2. Компенсационные методы измерения

Компенсационные методы измерения состоят в компенсации имеюще-

гося значения ФС между напряжениями. Для компенсации применяют граду-

ированный фазовращатель и индикатор нуля фазового сдвига. Результат из-

мерения ФС считывают со шкалы градуированного фазовращателя.

В качестве индикатора нулевого фазового сдвига между напряжениями

может быть применен, например, осциллограф в режиме синусоидальной раз-

вертки. При нулевом значении фазового сдвига между напряжениями на экра-

не появится наклонная прямая линия, свидетельствующая о том, что имею-

щийся ФС между сигналами скомпенсирован образцовым фазовращателем.

Значение фазового сдвига между напряжениями, подаваемыми на пластины

осциллографа, считывается по шкале образцового фазовращателя.

6.2.3. Однополупериодный триггерный фазометр

Схема однополупериодного триггерного фазометра приведена на

рис.6.4

127

)t(U

Вх.У

ФУ

S T

Рис. 6.4. Структурная схема однополупериодного триггерного фазометра

Эпюры напряжений в различных точках схемы триггерного фазометра –

на рис. 6.5.

U1 t( )

U2 t( )

20 t

0 0.5 1 1.5 2

)t(U

∆

Рис. 2.5. Эпюры напряжений

Значение фазового сдвига определяется по формуле

360360

⋅=⋅=ϕ

, (6.6)

где

− постоянная составляющая последовательности прямоугольных им-

пульсов на выходе триггера (точка 4), определяемая как

128

⋅==

, (6.7)

где q – скважность импульсной последовательности.

Измерительный прибор магнитоэлектрической системы, находящийся

на выходе триггера, выделяет постоянную составляющую последовательно-

сти прямоугольных импульсов

, пропорциональную значению фазового

сдвига

между напряжениями

)t(U

Триггерным фазометрам присущи следующие недостатки:

• Фазометр имеет большую погрешность из-за ухода нулевой линии:

∆

⋅=ϕ∆

360

. Погрешность

ϕ∆

может достигать значений 1.5° – 3.0°;

• Имеется мертвая зона (рис. 6.6), определяемая временем разрешения триг-

гера:

МЗ

ϕ∆

Рис. 6.6. Зависимость постоянной составляющей напряжения

на выходе триггера

от значения ФС между напряжениями

Величина мертвой зоны определяется выражением

ìç

⋅=ϕ∆

360

, (6.8)

где

− время разрешения триггера (минимальный интервал времени между

импульсами на входах S и R, при котором они воспринимаются триггером как

раздельные).

6.2.4. Двухполупериодный триггерный фазометр

Структурная схема двухполупериодного триггерного фазометра приве-

дена на рис.6.7.

На рис.6.8 приведены эпюры напряжений, поясняющие принцип рабо-

ты двухполупериодного триггерного фазометра.

Значение фазового сдвига определяется по формуле

129

0000

180360180360

−⋅=−⋅=ϕ

−ϕ+ϕ

. (2.9)

)t(U

Вх.У

ФУ

+ϕ

−ϕ

Рис. 6.7. Схема двухполупериодного триггерного фазометра

U1 t( )

U2 t( )

20 t

0 0.5 1 1.5 2

)t(U

+ϕ

+ - + -

+ +- -

+ϕ

−ϕ

Рис. 6.8. Эпюры напряжений двухполупериодного фазометра

Для уменьшения погрешностей обычно берут среднее значение интер-

валов

+ϕ

−ϕ

130