Электронный фазометр

Фазометр предназначен для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями и может быть применен в радиолюбительской практике при разработке, регулировке и эксплуатации электронных и электротехнических аппаратов и устройств. Предлагаемый электронный фазометр дает одновременно информацию о знаке и величине угла сдвига фаз, что делает ее более наглядной. В приборе удалось существенно упростить узлы выделения величины и знака угла и совместить функции отдельных элементов.

Основные технические характеристики

Диапазон измеряемых углов сдвига фаз, эл. град . . . 0...180
Диапазон рабочих частот, Гц . . . 10...104
Диапазон входных напряжений, В . . . 0,01...50
Диапазон измеряемых токов, А . . . 0,01...2
Погрешность измерения, %, не более . . . 2

   Принципиальная схема электронного фазометра приведена на рис. 1.
   Входные напряжения Uвх1 и Uвх2 произвольной формы (например, синусоидальные) от измеряемых цепей через делители R1VD1VD2 и R2VD3VD4 поступают на вход формирователей DA1 и DA2 (компараторы напряжения) и преобразуются в однополярные прямоугольные импульсы с достаточно крутыми фронтами и спадами. Ширина импульсов соответствует длительности полупериода входного сигнала, что иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис.2.
   Динамический D-триггер (DD1) выделяет знак угла сдвига фаз, т. е. фиксирует в момент формирования фронта импульса второго измерительного канала, используемого в данной схеме в качестве синхронизирующего (тактового), опережающий или отстающий характер сигнала первого измерительного канала, выход формирователя которого соединен с информационным входом D-триггера. При этом синхронизирующий импульс своим фронтом переводит D-триггер в состояние, определяемое уровнем напряжения на его информационном входе в данный момент времени. Поэтому, если входное напряжение Uвх1 опережает по фазе напряжение Uвх2 то на прямом выходе D-триггера (вывод 9 DD1.1) устанавливается напряжение, соответствующее логической единице, а на инверсном выходе - логическому нулю.
   Измеритель величины угла сдвига фаз реализован на базе элемента совпадения (DD2.2), один из входов которого соединен непосредственно с выходом формирователя DA2, а второй - через инвертор DD2.1 с формирователем DA1 измерительного канала. Ширина формируемого импульса на выходе такого элемента пропорциональна углу взаимного перекрытия входных импульсов, т. е. углу сдвига фаз между напряжениями Uвх1 и Uвх2 что подтверждается временными диаграммами на рис. 2. Объединение информации о величине и знаке угла в рассматриваемой схеме осуществляется за счет введения в ее состав еще одного элемента совпадения (DD2.3), выполняющего те же функции измерения величины угла, что и описанный выше. Однако каждый из этих элементов 3И-НЕ (DD2.2 и DD2.3) одним из своих входов соединен соответственно с прямым и инверсным выходами D-триггера, в результате чего последний и определяет, на выходе какого из элементов совпадения выделяется импульс, по ширине равный углу сдвига фаз.
   Измерительный прибор РА1 включен между выходами элементов совпадения DD2.2 и DD2.3, образуя при этом дифференциальную схему, вследствие чего его стрелка будет отклоняться в сторону, определяемую знаком угла, и на угол, соответствующий углу сдвига фаз между напряжениями Uвх1 и Uвх2. Конденсатор С1, включенный параллельно индикатору PA1, предназначен для уменьшения пульсации стрелки при измерениях на низких частотах.
   Построение входных цепей фазометра позволяет измерять угол сдвига фаз не только между двумя напряжениями, но и между током и напряжением или между двумя токами, для чего входные делители снабжены соответствующими выводами.

Рис. 1 Принципиальная схема

   Конструкция и детали.
   Электронный фазометр выполнен в виде отдельного блока. На лицевую панель выведены входные клеммы измерительных каналов, микроамперметр, шкала которого проградуирована в эл. град., и выключатель питающей сети. Элементы прибора смонтированы на печатной плате, изготовленной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и закрепленной непосредственно на измерительных зажимах микроамперметра. Соединения печатной платы с входными клеммами прибора выполнены экранированным проводом, что вызвано обеспечением его помехоустойчивости.
   В устройстве использованы резисторы МЛТ и СП3-16 (R5), конденсатор С1 - типа МБМ, а в качестве индикатора PA1 - микроамперметр типа М906 с двусторонней шкалой 50-0-50 мкА.
   Вместо указанных в устройстве могут быть использованы микросхемы других серий аналогичного функционального назначения при соответствующем выборе их питающего напряжения. Формирователи однополярных импульсов DA1 и DA2 могут быть выполнены не только на базе функциональных микросхем К554СА3 или 521СА3, но и на операционных усилителях или транзисторных каскадах, работающих в ключевом режиме и обеспечивающих требуемую крутизну формируемых фронтов импульсов. Диоды VD1 - VD4 выбираются из условий протекания по ним длительно измеряемого тока. Если же фазометр предназначен для измерения сдвига фаз только между двумя напряжениями, то указанные диоды можно заменить любыми другими без предъявления требований по току и о обратному напряжению.
   Питание устройства осуществлено от одного источника однополярного стабилизированного напряжения (рис. 3).
    Расширение пределов измерения по напряжению входного сигнала можно осуществить за счет пропорционального изменения параметров резисторов R1 и R2. Если же нет необходимости в измерении знака фазового угла, то из схемы можно исключить динамический D-триггер, а узел выделения сигнала разности угла сдвига фаз (рис. 4) включить непосредственно к выходам компараторов DA1 и DA2. В этом устройстве элемент DD1.4 реализует дифференциальную схему включения индикатора PA1 и обеспечивает компенсацию напряжения логического нуля.
   В качестве индикатора контролируемого параметра PA1 могут быть использованы электронный осциллограф или цифровой вольтметр, это позволит существенно повысить точность воспроизведения измеряемой величины.
   Электронный фазометр имеет линейную шкалу, что облегчает его тарировку. Для этого в качестве калибровочных напряжений следует взять два линейных напряжения трехфазной сети (угол сдвига фаз линейных напряжений составляет 120 эл. град.). В процессе тарировки необходимо согласовать калибровочные напряжения с допустимым уровнем входных напряжений. Величину отклонений стрелки индикатора не требуемую отметку шкалы осуществляют резистором R5.