Измерение фазового сдвига с помощью осциллографа

ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА

Цель работы –изучение методов определения фазового сдвига и принципов действия приборов, применяемых при этих измерениях. Фазовый сдвиг измеряется способом эллипса; нулевым способом с помощью предварительно отградуированного фазовращателя; цифровым фазометром Ф2-16, работающим по принципу преобразования фазового сдвига во временной интервал.

Общие сведения

Понятие фазы связано с гармоническими (синусоидальными) колебаниями. Для напряжения полной фазой является весь аргумент гармонической функции; величину j называют начальной фазой. Для двух гармонических колебаний с равными частотами

;

,

вводят понятие разности фаз , которую обычно называют фазовым сдвигом.

Обычно принимают за начало отсчета момент времени, при котором начальная фаза первого (опорного) колебания равна 0. Тогда

;

где j – фазовый сдвиг между этими напряжениями.

Для негармонических, в частности импульсных, колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием сдвига во времени. В этом случае измеряют время задержки. Для гармонических колебаний времени задержки соответствует фазовый сдвиг .

Измерение фазового сдвига с помощью осциллографа

Фазовый сдвиг можно измерить непосредственно по осциллограммам исследуемых напряжений, наблюдая их одновременно на экране осциллографа (рис. 3.1). Очевидно, что , где a – расстояние в делениях между пересечениями осциллограммами нулевой линии; b – длительность периода, выраженная в делениях шкалы. Для этих измерений используют осциллограф с двухлучевой электронной трубкой или со встроенным электронным коммутатором. Погрешность измерения угла j этим способом определяется погрешностями измерения длин отрезков а и b:

,

где – погрешность измерения j; – абсолютные погрешности измерения отрезков а и b.

Можно считать максимально возможной погрешностью одно малое деление шкалы осциллографа ; .

Здесь , j – в градусах; а, b – в малых делениях шкалы осциллографа.

При измерении фазового сдвига способом эллипса одно из исследуемых напряжений подают на вход Y, а другое – на вход Х осциллографа. Осциллограф работает в ХY-режиме (генератор линейной развертки отключен). При этом луч на экране описывает эллипс (рис. 3.2). Фазовый сдвиг определяют по формуле

(3.1)

где l , h – отрезки, отсекаемые эллипсом по осям Х и Y; L, H – максимальные отклонения по осям Х и Y.

Погрешность измерения этим способом вычисляют по формуле

, (3.2)

а погрешность принимается равной одному малому делению шкалы осциллографа, H и h – размеры эллипса, выраженные в малых делениях шкалы осциллографа.

При измерениях этим способом необходимо учитывать фазовый сдвиг, вызываемый неидентичностью фазочастотных характеристик усилителей вертикального и горизонтального отклонений осциллографа, , где – сдвиг фаз между каналами Y и Х.

Измерение фазового сдвига нулевым (компенсационным) способом поясняет рис. 3.3. С помощью предварительно отградуированного фазовращателя к фазе напряжения добавляют фазовый угол , такой, чтобы

Рис. 3.3. Компенсационный способ измерения фазового сдвига

фазовый сдвиг между напряжениями и на входах индикатора равенства фаз (нуль-индикатор) был равен 0. При этом измеряемый фазовый сдвиг равен фазовому сдвигу, вносимому фазовращателем: . В качестве нуль-индикатора в данной работе используется осциллограф в ХY – режиме. Равенству фаз напряжений и соответствует момент стягивания эллипса в прямую линию. Погрешность измерения угла j этим способом складывается из погрешности градуировки фазовращателя, систематической погрешности , погрешности определения момента равенства фаз. К недо-статкам метода следует отнести необходимость градуировки фазовращателя на каждой частоте, так как φ_ф зависит от частоты.