Фазометр на трех диодах

А. Даниленко, А. Авдеенко
Для измерения углов сдвига фаз двух синусоидальных напряжений одинаковой частоты можно применить простую схему фазометра на трех диодах, которая обладает рядом существенных достоинств. Отсчет углов сдвига фаз производится непосредственно по стрелочному индикатору, шкала прибора остается линейной в широком диапазоне частот, точность фазометра вполне удовлетворительная, амплитуды входных напряжений не обязательно должны быть одинаковыми.

Упрощенная схема прибора изображена на рис. 1, а временные диаграммы, поясняющие физические процессы в фазометре, на рис. 2.

В результате действия сдвинутых по фазе напряжений U1 и U2 между точками «а» и «б», то есть на сопротивлении R2, выделяются ограниченные сверху импульсы Uaб1 и Uaб2, Уровень ограничения Uогр определяется параметрами схемы. Диод Д3 ограничивает снизу результирующие напряжения и через индикаторный прибор протекают почти прямоугольные импульсы тока (рис., 2,в), высота которых не зависит от амплитуд подводимых напряжений. Отношение длительности импульса tи к длительности паузы tп зависит от угла сдвига фаз между напряжениями U1 и U2.

Если φ=π, то tи/tп=0,так как tи=0.

Если φ=0, то tи/tп=1.

На временных диаграммах (рис. 2) изображен случай, когда φ=π/2. В свою .очередь среднее значение тока через прибор I0 зависит от отношения tи/tп и меняется от нуля до максимального значения при изменении угла сдвига фаз от π до 0. Градуировочная кривая прибора изображена на рис. 3.

Конденсаторы C1 и С2 на рис. 1 являются разделительными, а дроссели Др1 и Др2 замыкают цепь постоянных составляющих тока на входах фазометра. Поскольку рассматриваемый фазометр работает в режиме двухстороннего ограничения, то его работу удобно анализировать при помощи статической характеристики ограничения, изображенной на рис. 4.

Под статической характеристикой ограничения условимся подразумевать зависимость постоянного тока, протекающего через индикаторный прибор, от величины постоянного напряжения, приложенного к одному из входов фазометра, минуя разделительный конденсатор (точки 1, 2 или 3, 4). Если считать сопротивление диодов постоянному току в проводящем направлении неизменным, то характеристика ограничения будет иметь вид ломаной линии. При больших отрицательных значениях Uвх потенциал точки «а» относительно «земли» будет отрицательным, диод Д3 закрыт и через индикаторный прибор ток не пойдёт. При увеличении напряжения на входе, потенциал точки «а» повышается и, начиная с некоторого значения Uвх=U', диод Д3 откроется, и через прибор начнет протекать ток. При дальнейшем повышении Uвх' ток растет, но как только Uвх станет равным U" диод Д1 закроется, ток через индикаторный прибор прекратит дальнейший рост, достигнув своего максимального значения Iмакс (рис. 4).

Сумму абсолютных значений U' и U" равную ΔU, назовем «раствором» характеристики, Показания фазометра не будут зависеть от амплитуд входных напряжений в том случае, если эти амплитуды в несколько раз больше величины ΔU. Если обозначить символом Uмин ту минимальную амплитуду входного напряжения, при которой амплитудные погрешности не наблюдаются, то очевидно, что для уменьшения Uмин необходимо сужать «раствор» характеристики ограничения. Для уменьшения погрешностей прибора необходимо, чтобы двустороннее ограничение входного напряжения было симметричным, что будет выполнено при соблюдении равенства абсолютных значений U' и U".

На высоких частотах (выше 150 кгц) на показания индикаторного прибора начинает оказывать влияние паразитная емкость между точками «а» и «б». Для уменьшения влияния паразитной емкости необходимо уделять особое внимание тщательному монтажу схемы. При работе на частотах выше 150 кгц между точками «а» и «б» включается сопротивление R2, которое снижает постоянную времени цепи заряда и разряда паразитной емкости. Экспериментальный график зависимости величины R2 от частоты изображен на рис. 5.

Из графика видно, что с увеличением рабочей частоты необходимо уменьшать сопротивление R2. При использовании фазометра только на низких частотах (ниже 150 кгц) сопротивление R2 можно не ставить. Если фазометр используется для снятия фазовых характеристик широкополосных усилителей, линий задержек или других широкополосных четырехполюсников, сопротивление R2 выбирается по наивысшей рабочей частоте. Однако с уменьшением сопротивления R2 падает входное сопротивление фазометра. Под входным сопротивлением фазометра подразумевается отношение амплитуды входного напряжения к амплитуде первой гармоники тока, протекающего в цепи фазометра от точки 1 к точке 2 (либо от точки 3 к точке 4). График зависимости Rвх от величины R2 изображен на рис. 6. Если требуется обеспечить большое входное сопротивление фазометра на высоких частотах, то на входе фазометра ставятся катодные повторители.

Основными источниками погрешностей фазометра являются неточность показаний индикаторного прибора, влияние паразитных емкостей и нестабильность опорного напряжения. Для уменьшения погрешностей необходимо выбирать наиболее точный измерительный прибор, опорное напряжение подавать от стабилизированного источника питания и более тщательно производить монтаж. При правильно подобранных элементах прибора и соблюдении вышеупомянутых условий полная погрешность прибора не превышает 1...2%.

При расчете элементов схемы фазометра может возникнуть два варианта:

а) индикаторный прибор уже имеется в наличии. В этом случае определяются все остальные элементы схемы и минимальная амплитуда входного напряжения Uмин.

б) минимальная амплитуда входного напряжения Uмин задана. В этом случае выбирается индикаторный прибор и остальные элементы схемы.

В практике чаще возникает первый случай, когда прибор уже имеется. Тогда расчет производится следующим образом. Для полного использования шкалы прибора необходимо, чтобы максимальное значение постоянной составляющей I0 макс импульсов тока, протекающих через диод Д3 (при φ=0°) равнялось верхнему пределу шкалы индикаторного прибора. При φ=0° tи/tп=1, и тогда можно записать:

Iмакс/Io макс = 2, где

Iмакс — высота импульсов тока через диод Д3;
Io макс — постоянная составляющая тока, протекающего через прибор при φ=0°.

Таким образом, зная верхний предел шкалы индикаторного прибора, определяем необходимую высоту импульсов тока через диод.

1) Iмакс = 2Io макс

Величина сопротивления R2 выбирается по верхней рабочей частоте из графика, изображенного на рис. 5.

Сопротивление R1 определяем по формуле:

где Еоп — опорное напряжение (см. рис. 1),
Rinp — внутреннее сопротивление индикаторного прибора,
Riд — внутреннее сопротивление диода.

Емкость, блокирующая прибор по переменной составляющей, находится из условия:

где fн — наименьшая рабочая частота, на которой производятся измерения.

Сопротивление дросселя постоянному току определяется из условия симметрии характеристики ограничения и находится по формуле:

4) Riдр ≈ Riпр + Riд

Величина индуктивности дросселя должна быть возможно большей при выбранном Rдр. В тех случаях, когда внутреннее сопротивление источников напряжения U1 и U2 велико, на входе фазометра необходимо ставить катодный повторитель. В этом случае индуктивность дросселя определяется по формуле:

где Rнагр— сопротивление нагрузки катодного повторителя.

Емкости переходных конденсаторов выбираются из соотношения:

Минимальная рабочая амплитуда входного напряжения определяется по формуле:

На этом расчет фазометра закончен.

На рис. 7 изображена практическая схема фазометра, выполненного на полупроводниковых диодах и имеющего катодные повторители.

Журнал "Paдиo" №12, 1958 г.

[ На главную ] [ В раздел ]