Работа с осциллографом

4.3. Измерение сдвига  фаз

Сдвиг фаз показывает взаимное расположение двух колебательных процессов  во времени. Но его измеряют не в  единицах времени (которые откладываются  по горизонтальной оси), а в долях  периода сигнала (т.е. в единицах угла). В этом случае одинаковому  взаимному расположению сигналов будет  соответствовать одинаковый фазовый  сдвиг, независимо от периода и частоты  сигналов (т.е. независимо от реального  масштаба графиков по оси времени). Поэтому наибольшая точность измерений  получается, если растянуть период сигнала на весь экран.

Поскольку в аналоговом осциллографе графики сигнала обоих каналов  имеют одинаковый цвет и одинаковую яркость, то для того, чтобы их различать  между собой, рекомендуется сделать  их разной амплитуды. При этом напряжение, измеряемое каналом I прибора, лучше  делать большим – в этом случае синхронизация будет лучше «держать»  изображение. Подготовка к измерениям производится так (см. рис.26, на нем для большей наглядности напряжение и ток показаны разными цветами):

1. Ручками   обоих каналов их линии развертки устанавливаются на среднюю линию сетки экрана (при отсутствии сигналов на входах).
2. Ручками регулировки усиления каналов вертикального отклонения (ступенчато и плавно) сигнал 1-го канала устанавливается большой амплитуды, а 2-го канала – меньшей амплитуды.
3. Ручками регулировки скорости развертки устанавливается такая ее скорость, чтобы на экране отображался примерно один период сигнала.
4. Ручкой «Уровень синхронизации» добиваются того, чтобы график напряжения начинался с оси времени (с линии развертки) – точка А.
5. Ручкой   добиваются того, чтобы график напряжения начинался с крайней левой вертикальной линии сетки экрана – точка А.
6. Ручками «Скорость развертки» (ступенчато и плавно) добиваются того, чтобы период графика напряжения заканчивался на крайней правой вертикальной линии сетки экрана.
7. Повторяют пункты 4…6 до тех пор, пока период графика напряжения не будет растянут на весь экран, причем его начало и конец должны совпадать с линией развертки (рис. 26).

Прежде, чем измерять величину сдвига фаз, необходимо определить, какой  из сигналов (напряжение или ток) опережает, а какой отстает. От этого зависит  знак угла сдвига фаз φ. На рис. 26а  ток отстает от напряжения – начало его периода расположено во времени  позже, чем начало периода напряжения (начало периода напряжения в точке А, а периода тока – в точке Б). Ток начинается позже, следовательно, он отстает, а напряжение опережает. Этой ситуации соответствуют положительные значения угла сдвига фаз. На рис. 26б ток опережает, а напряжение отстает. Поскольку начало периода тока на экране не отображается, то сравниваются окончания первого полупериода: первым к нулю вернется тот график, который начался раньше (точка Г наступает раньше во времени, чем точка В). Угол сдвига фаз при этом отрицателен.

Рис. 26. Ток отстает от напряжения, φ>0 (а); ток опережает  напряжение, φ<0 (б).

Модуль угла сдвига фаз  φ это расстояние между началами или между концами периода (положительного полупериода) сигналов в делениях сетки  экрана (рис. 27). Далее значение модуля φ находится из пропорции, учитывая, что один полный период любого колебания  равен 360 градусов:

здесь N – число делений  сетки, занимаемых одним периодом сигнала,  
α – число делений сетки между началами периодов (концами положительного полупериода). 
В примере на рис. 18 модуль φ в обоих случаях равен:

Следует учитывать, что

Рис. 27. Измерение угла сдвига фаз.

В принципе, величину сдвига фаз можно измерить и в конце  периода (точки Д и Е на рис. 26), но в правой части экрана линейность напряжения развертки наихудшая, поэтому погрешность измерения будет максимальна. 
Если сдвиг фаз равен нулю (в цепи только активная нагрузка или происходит резонанс), то напряжение и ток будут начинаться и заканчиваться одновременно, рис. 28.

Рис. 28. Осциллограмма при  сдвиге фаз, равном нулю.