4.5 Цифровий фазометр миттєвих значень

Принцип дії цифрових фазометрів заснований на перетворенні різниці фаз двох електричних сигналів однакової частоти у часовий інтервал t_x із наступним його квантуванням імпульсами зразкової частоти f₀.

Структурну схему цифрового фазометра миттєвих значень наведено на рис.4.11, часові діаграми його роботи - на рис.4.12.

Рисунок 4.11

Основними елементами фазометра є два формувача F₁ і F₂, RS - тригер, схема збігу SW, генератор G, двійковий лічильник СТ2 і цифровий відліковий пристрій. Перетворення різниці фаз двох електричних сигналів u₁(t) і u₂(t) із частотою f_x у часовий інтервал t_x здійснюють відповідні формувачі F₁, F₂ і RS-тригер. Квантування часового інтервалу t_x імпульсами зразкової частоти f₀ відбувається за допомогою схеми збігу SW.

У момент переходу напруги u₁(t) через рівень нуля на виході формувача F₁ формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічної одиниці. Цим рівнем відкривається схема SW, і імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G через відкриту схему SW надходять на СТ2. У лічильнику СТ2 відбувається підрахунок імпульсів f₀.

Рисунок 4.12

Цей процес відбувається доти, поки напруга u₂(t) не перейде рівень нуля. В момент переходу u₂(t) через нульовий рівень на виході формувача F₂ формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічного нуля. Цим рівнем закривається схема SW, і припиняється надходження імпульсів із частотою f₀ на вхід лічильника СТ2. Кількість імпульсів із частотою f₀, що надійшли до лічильника СТ2 за часовий інтервал t_x, визначається як

. (4.15)

Оскільки різниця фаз , що вимірюється, є різницею початкових фаз напруг u₁(t) і u₂(t)

, (4.16)

то рівняння перетворення цифрового фазометра миттєвих значень матиме вигляд (статична характеристика наведена на рис.4.13)

. (4.17)

Рівняння похибки квантування цифрового фазометра миттєвих значень подається співвідношенням

. (4.18)

Рисунок 4.13

Аналіз рівняння похибки квантування (рис.4.14) показує, що результати вимірювань залежать від частоти вхідних сигналів f_x при постійних та .

Для усунення цього недоліку застосовують усереднення вимірюваних інтервалів t_xпротягом часу вимірювання t_в.

Рисунок 4.14

4.6 Цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення

Принцип дії заснований на перетворенні вимірюваної напруги U_x в часовий інтервал t_x, із наступним його квантуванням імпульсами зразкової частоти f₀.

Структурна схема цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення наведена на рис.4.15, часові діаграми його роботи подані на рис.4.16.

Рисунок 4.15

Основним елементом цього вольтметра є перетворювач вимірюваної напруги U_x у часовий інтервал t_х, який реалізований на двох компараторах ПП1 і ПП2, генераторі G1 лінійно змінюваної напруги U_г і RS-тригері Т. Квантування часового інтервалу t_х імпульсами зразкової частоти f₀, які формуються на виході генератора G2, здійснюється у схемі збігу SW.

Рисунок 4.16

Двійковий лічильник СТ2 підраховує кількість імпульсів f₀ за час t_х. Результат вимірювання відображається на цифровому відліковому пристрої. У момент часу t₀ сигналом «Пуск» запускається генератор G1 напруги, яка змінюється лінійно. Напруга U_г з виходу генератора G1 одночасно подається на входи компараторів ПП1 і ПП2, які по черзі спрацьовують у моменти часу t₁ і t₂.

При переході напруги U_г через рівень нуля (момент часу t₁) спрацьовує компаратор ПП2, і на його виході формується імпульс «Старт», що по S-входу встановлює в одиничний стан тригер Т. Рівнем логічної одиниці відкривається схема SW, і імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G2 надходять на вхід лічильника СТ2. Напруга U_г нa виході генератора G1 зростає, поки не стане рівною U_x. Момент рівності U_г = U_x (момент часу t₂) фіксує компаратор ПП1 і на своєму виході формує сигнал «Стоп». Сигнал «Стоп» на R - вході встановлює тригер Т в нульовий стан і закриває схему SW. На цьому процес вимірювання U_x закінчується. Таким чином, на виході тригера Т формується часовий інтервал t_x, пропорційний вимірюваній напрузі U_x, який квантується імпульсами зразкової частоти f₀ з виходу G2. Кількість імпульсів із частотою f₀, що надходять на лічильник СТ2 за час t_х, визначається так:

. (4.19)

Оскільки t_х = k U_x (k-коефіцієнт пропорційності, що залежить від крутизни лінійно змінюваної напруги), то рівняння перетворення N_В = =f(U_x) цифрового вольтметра (рис.4.17) набуває вигляду

, (4.20)

а рівняння похибки квантування подається співвідношенням

. (4.21)

Рисунок 4.17

Залежність похибки квантування від вимірюваної напруги наведена на рис.4.18.

Крім того, похибка таких засобів вимірювань в основному зумовлена нелінійністю та нестабільністю лінійно змінюваної напруги U_г, нестабільністю порогу чутливості компаратора і нестабільністю частоти зразкового генератора.

Рисунок 4.18

Суттєвим недоліком цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення є низька завадостійкість. Для підвищення завадостійкості застосовують аналогове та цифрове інтегрування.