Осциллографические методы измерения фазового сдвига

Метод круговой развертки

На рис. 22 представлена схема измерения фазовых сдвигов методом круговой развертки. С помощью фазорасщепителя синусоидальное напряжение измерительного генератора преобразуется в два аналогичных напряжения, сдвинутых по фазе на 90° (вместо одноканального измерительного генератора и фазорасщепителя может быть использован двухканальный генератор с возможностью синхронизации каналов и сдвига фазы одного канала относительно другого). Эти напряжения при соответствующей регулировке коэффициентов усиления каналов вертикального и горизонтального отклонения луча создают круговую развертку. Яркость уменьшают настолько, чтобы окружность, прочерчиваемая лучом на экране, была еле заметна.

Входное U_t и выходное U₂ напряжения исследуемого четырехполюсника преобразуются формирователем в последовательности коротких однополярных импульсов, сдвинутые относительно друг друга на время АТ= <�р°77 360°. Из формирователя импульсы подаются на вход канала управления яркостью осциллографа и кратковременно увеличивают яркость свечения. Осциллограф и исследуемый четырехполюсник подключены к одному генератору. За время Тодного полного оборота луча каждое из входных напряжений формирователя меняет знак при положительном значении производной один раз, на экране наблюдается изображение двух светящихся точек (рис. 23), угол между которыми, измеренный из центра описываемой лучом окружности, равен сдвигу фаз. Погрешность измерения фазового сдвига таким методом составляет 1−2°.

Рис. 22. Схема измерения фазовых сдвигов методом круговой развертки с модуляцией яркости.

Рис. 23. Схемагическое изображение процесса измерения фазового сдвига методом круговой развертки с модуляцией яркости.

При реализации этого метода на входы вертикальных каналов двухлучевого или однолучевого двухканального осциллографа с коммутацией каналов подают два гармонических исследуемых напряжения U_x и U₂ одинаковой частоты, между которыми измеряется фазовый сдвиг. На рис. 24 приведены осциллограммы указанных напряжений при совмещении горизонтальной развертки лучей в одну линию.

Рис. 24. Осциллограммы двух гармонических напряжений со сдвигом фаз.

Из измерений линейных размеров i и / осциллограмм, соответствующих периоду напряжений Т и временному сдвигу АТ, фазовый сдвиг определяют из выражения.

Погрешность измерения фазового сдвига данным способом зависит от погрешности измерения линейных размеров L и /, смещения горизонтальной оси, идентичности фазовых характеристик вертикальных каналов, толщины луча и может достигать 15−20°.

При измерении фазового сдвига между двумя напряжениями по фигурам Лиссажу одно из них подается на вход канала вертикального отклонения, а другое — на вход канала горизонтального отклонения. При этом на экране осциллографа будет наблюдаться фигура Лиссажу в виде эллипса. Параметры эллипса (рис. 25) зависят от фазового сдвига между напряжениями и могут служить мерой угла фазового сдвига между ними.

Рис. 25. Схематическое изображение эллипса на экране осциллографа и его параметры.

После измерения параметров эллипса величину фазового сдвига находят по одному из следующих соотношений:

где a, b, X, Y, х, у указаны на рис. 25.

При равенстве напряжений разверток обоих каналов осциллографа результат измерения подсчитывается по формулам.

Недостатком рассматриваемого способа является измерение фазового сдвига только в диапазоне 0−180° без определения знака, а также необходимость вычисления угла фазового сдвига вручную. Погрешность измерения рассматриваемым способом складывается из неточности определения длин отрезков, конечной ширины луча, деформации эллипса вследствие наличия высших гармоник в исследуемых напряжениях, неидентичности фазочастотных характеристик усилителей каналов вертикального и горизонтального отклонения. Погрешность максимальна и может составлять 10°, когда измеряемые углы фазового сдвига близки к 90°. При измерении фазовых сдвигов вблизи 0° или 180° погрешность достигает 2−3°. Если сигнал содержит высшие гармоники, величина которых составляет 2% общего напряжения, то указанные погрешности возрастают примерно в 2 раза.