Цифровой фазометр. Устройство, принцип работы преобразователя фазового сдвига во временной интервал, цифрового фазового детектора

Фазовым сдвигом φ называется модуль разности аргументов двух гармонических сигналов одинаковой частоты: u ₁ = U ₁ sin (t + φ ₁) и u ₂ = U ₂ sin (t + φ ₂), т. е. разности начальных фаз φ ₁ – φ ₂ (рис. 10).

Фазовый сдвиг является постоянной величиной и не зависит от момента отсчёта.

Метод дискретного счета (более точное название — цифровой метод измерения фазового сдвига), используемый в цифровых фазометрах, включает две основные операции:

1) преобразование фазового сдвига в соответствующий интервал времени;

2) измерение интервала времени методом дискретного счета.
Рассмотрим реализацию метода дискретного счета в простейшем

цифровом фазометре (рис. 8.8, а), в состав которого входят преобразователь Δφ→Δ t искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени Δ t, временной селектор ВС1, генератор счетных импульсов ГИ, счетчик СЧ и цифровое отсчетное устройство ЦОУ.

Устройство и принцип действия преобразователя Δφ→таково: Преобразователь имеет два одинаковых формирователя Ф1 и Ф2 и триггер Т.

Синусоидальные сигналы u₁ и u₂, имеющие некоторый фазовый сдвиг Δφ, подаются на идентичные формирователи Ф1 и Ф2, преобразующие их в последовательности коротких импульсов u₃ и u₄ (рис. 8.7, 6). Импульсы u₃ запускают, а импульсы u₄ сбрасывают триггер Т в исходное состояние. В результате на выходе триггера формируется периодическая последова-тельность импульсов напряжения, период повторения и длительность которых равны периоду Т и сдвигу во времени Δ t исследуемых сигналов u₁ и u₃.

Временной селектор представляет собой ключевую логическую схему. Генератор счетных импульсов состоит из кварцевого генератора гармонических колебаний стабильной частоты и схемы формирования импульсов.

Цифровой фазометр работает следующим образом. Преобразователь Δφ→Δ t из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u₁ и u₂, имеющих фазовый сдвиг Δφ, формирует последовательность прямоугольных импульсов u₃

(рис. 8.8, б), имеющих длительность Δ t и период повторения Т, равные соответственно сдвигу во времени и периоду сигналов u₁ и u₂.

Импульсы u₃, а также счетные импульсы u₄, вырабатываемые генератором ГИ, подаются на входы временного селектора ВСІ. Данный селектор открывается на время, равное длительности Δ t импульсов u₃, и в течение этого времени пропускает на выход импульсы генератора u₄. При этом на выходе селектора ВСІ формируются пакеты импульсов u₅, следующие с периодом Т.

За один период повторения T сигналов u₁ и u₂ на счетчик СЧ с выхода селектора поступает количество импульсов, содержащееся в одном пакете и равное n = Δ t/T₀, где T₀ — период следования счетных импульсов генератора

Цифровой фазовый детектор на логическом элементе «исключающее ИЛИ»

 

а) U1 – гармонический сигнал, преобразованный в меандр

б) U2 – гармонический сигнал, преобразованный в меандр

в) выходные сигналы элемента у и фазового детектора u(t) после ФНЧ

В этом детекторе из исследуемых гармонических сигналов U1 и U2 формируется соответствующее импульсное напряжение типа меандр. Например, используется триггер Шмидта или «усилитель ограничитель». На выходе логического элемента (сумматор по модулю 2) вырабатываются импульсы напряжения у длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу входных сигналов U1 и U2. далее этот сигнал подается на фильтр низких частот и постоянное напряжение u(t) на выходе ФНЧ пропорционально сдвигу сигнала U1 относительно опорного U2.