Способ преобразования и измерения фазового сдвига в широком диапазоне частот и устройство для его осуществления
Изобретение относится к технике электрорадиоизмерений и служит для расширения диапазона частот и повышения точности измерения фазовых сдвигов. Фазовый сдвиг между входными напряжениями (ВН) преобразуют в фазовый сдвиг между напряжениями низкой частоты. Одно из них получают путем перемножения ВН измерительного и опорного каналов преобразования частоты и выделения из результата перемножения максимальной из низких частот. При этом ВН расщепляют на две квадратурные составляющие , каждую из которых балансно модулируют (БМ) соответствующими низкочастотными напряжениями, также находящимися в квадратуре. Результаты ВМ суммируют, вновь расщспляют на две квадратурные составляющие , каждую из которых снова БМ соответствующими низкочастотными напряжениями, также находящимися в (Л
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
А1
Н9) S U (1 1 ) 1 (51) 4 С 01 R 25 00
Ч»
Sr ФК.;" Ф1 Я
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4087199/24-21 (22) 04.07.86 (46) 15.03.88. Бюл. Ф 10 (71) Украинский центр стандартизации и метрологии (72) А. А,-Б, Ахмадов (53) 621.317.77(088.8) (56) Ахмадов А. А.-Б,, Проненко В. И, О погрешностях фазометрических уст" ройств, обусловленных повторно"последовательными смещениями частоты.—
Измерительная техника, 1973, Ф 4.
Авторское свидетельство СССР
11 226027, кл. G 01 R 25/00, 1966. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА В ШИРОКОМ
ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ
ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике электрорадиоизмерений и служит для расширения диапазона частот и повышения точности измерения фазовых сдвигов. Фазовый сдвиг между входными напряжениями (ВН) преобразуют в фазовый сдвиг между напряжениями низкой частоты. Одно из них получают путем перемножения ВН измерительного и опорного каналов преобразования частоты и выделения из результата перемножения максимальной из низких частот. При этом ВН расщепляют на две квадратурные составляющие, каждую из которых балансно модулируют (БМ) соответствующими низкочастотными напряжениями, также находящимися в квадратуре. Результаты БМ суммируют, вновь расщепляют на две квадратурные составляющие, каждую иэ которых снова БМ соответствующими низкочастотными напряжениями, также находящимися в
1381405 квадратуре, результаты Р! снова суммируют, и эту Операцию в обоих каналах преобразования частоты повтор)!ют це менее двух раэ. Устройст" (ЗО,;)(.аЛ)»З
<(О>,((уля горы 4n(1)...41)(2!s) и 4о(1)...
И зо(ретеци((7т)(О- >(тcs к те YII!Il(t.
1(>К) ..; ) (>,I, I(O,I 3! CР(I>tr 1 Ц .) l IIOCTt»
) с 1 (; 1 I I !Y е 1! > . > е) (7 i < I I E» " > 1 а с д н ц г а фа з щ(И О!(О)1;!НИ<7 !!р)) создан!(и фазоИЭ)(<зр)! t!Л ННЫХ ". : ТройС >3 ПОВВ>ØС>ННОЙ
Э ;! . Кт)(! 1«>C I I». !!Сл(ц<зос)pетсция — расширение дца!)Нзо!!а астот !I 11() ыще<ц!е точно--! (в1() В>,I Y CE(!
131>П< С! (13111 !1(> ", I, > 1<.СО, (! II!> tli Il c)ilp!)>f ()НИ япяl
<(
Ц 3 f(O I ()P>>I! )I<) <1>>Ч !) г" Т Ц УТ(>М 1»Е>!) Е MIIO ж:.1. »>(:3 !ход!(1!х Напр(>г:1>li!i и.змерцт ..«. !(огс !» Опорного каца. «ов преобТ)
Р C S, .I> < ;1 а It<7 «. >!ОЖ(- !!!1)Я Icа 1(С! IMËËò.—
E!OII 1I3 1!!» .3 К !I)(Ч НОТО Т > I
fir r I tilt< » >!Ж (з 1»)) Г> 1(-3 ° f< I) I I > TTI >! Оп(>рцо» -;1!I:1<)s!: преоб );1 з(713;3Н)»H час Io Is! pë-.r", и )я! т ца д (3 квндратурные cncòs». !Т(к> <)зr, каждую цз которых бала:<с.цо м<7,)уззир .ют соо пзетствунщими! (Its!(o астaò!It>!)tè напряжениями, так же ца Одящ(<и)!ся в квадратуре, результаты балацсцой модуляции суммируют, снова рас!цепляют на две квадPB Ã> f>1<в!Е СО С Та>ЗJ)EIfO(I IIЕ P> КЯЖДУЮ ИЗ КО» т ) ы:с сцов i I>аз<анси о модулируют с оо ттзе тс тв ующи.(ц низ кочас тотными на" пр(1><((нц!зм)», также находящимися в кваДРc)тУРО, РезУ)!ьта) l балансцой...4o(2m), сумматоры 5n(1) ...5n(m) и 5о(1).. ° 5o(п)) напряжения, Кроме того, устройство содержит формирователь 6 квадратурных и опорного на" пряжений, фазометр 7 и перемножитель с фильтром. При реализации технического решения уменьшаются погрешности иэ-эа недостаточного подавления сигналов в зеркальном канале. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. модуляции снова суммируют, и зти Операции в обоих каналах преобразования частоты повторяют це менее двух раз. На чертеже представлена структур" цая схема фазоиэмерительного устройства, Осуществляющего способ ° Устройство содержит измеритель-! О ный канал 1 преобразования частоты, опорный канал 2 преобразования частоты, широкодиапаэонные фазорасщепит ели 3п (1) -Зп (ш), 3o (! ) -Зо (n), балацсцые модуляторы 4п(1)-4n(2m), 4o(1)-4о(2m), сумматоры 5п(1)-5п(m), 5о (1) -5o(n) напряжений, формирователь б квадратурных и опорного напряжений, фазометр 7, перемножитель 8 с фильтром. Устройство работает следующим образом, Исследуемые напряжения U„(t) и U,(t) одинаковой частоты И, значец:!е которой может задаваться в широ25 ком диапазоне частот, а угол сдвига фаз между которыми ц подлежит изме<) p(f»Etl(>, например, > U„(t) = cos((at +Чп) (t) cosut 30 в широкодиапазонных фаэорасщепителях 3n(1) и 3o(1) измерительного и опорного каналов преобразования частоты (ПЧ) преобразуются в две пары квадратурных составляющих U„(t) = cos ((t)t +Co„); Л <)((-) = sin(ut +()<)) 1! 1, (t) = cosset; 40 ! 1 (t) m slnQt. Эти две пары напряжений в двух парах балансных модуляторов каждого канала ПЧ попарно модулируются напряжениями, поступающими от формирователя квадратурных и опорных напряжений: U (t) = cosA„, t; л U„(t) U (t) cosA А Uî„(t) sin а05(t) У где Й, 0 — частоты квадратурных )) напряжений соответ" коэффициенты подавления зеркальных частот" ных составляющих в выходных напряжениях соответствующих сумматоров измерительного и опорного каналов ПЧ соответственно; М n — фазовый сдвиг между входными напряжениями; Ч !)!2 — дополнительные фазовые сдвиги, возникающие при каждом смещении частоты в измерительном канале ПЧ (в опорном канале ПЧ эти сдвиги условно приняты равными нулю). Напряжения на выходах вторых сумматоров каждого канала ПЧ: Un (t) = cos (((e+ Qns+>n2) t + Mn +gni+ + In ) + n2 COS j(>+ A n(- S2nx) t + ((в„+ +Pns (-в !)21 + К)! COS E((e) в))! + в! въ) + ственно измерительного и опорного каналов ПЧ. Квадратурный сдвиг фаз (90 ) модулирующих напряжений выбран таким образом, чтобы в измерительном и опорном каналах информация о фазовом сдвиге между входными напряжениями переносилась по оси частот во взаимно противоположных направлениях. Следовательно, входные напряже" ния первых сумматоров напряжений обоих каналов ПЧ могут бьггь описаны следующим образом: U„(t) = cos ((ы+ Л„!) t+4n + Q„j + + Я „, сos ((G3+ Л „, ) t + cp „+ (р.,); U, (t) = сов(ьз-A ) t + E cos(u+ + (2,, ) t гдето)s 6„ 38)405 4 +Ц„+Ц„, +(.,1+ 6n + 6.2 СОЗ ((Ыо)) An2) + Ve) Р!)! (.((в)2) ю U0 (t) сов ((U 1 о! o2) tj+ + 5 сов ((я ло)Ф A()2 ) t + о! соз ((Я+ + вв()! . (()2 ) t)+ ()! 502 COS ((("2+ Q (:)! + +o„) с). 20 рая выделяется заданным фильтром, т ° е. 45 в) +, д ) + lYI ° сов ((С (); + U (t) - сов((::.(); 5с )в so +Q() )t -y„+(), 5 ° где — суммарный статический сдвиг фаз, вносимый всем трактом преобразования частоты. ВтоРой член последнего выражения вызывает приращение фазы к его ос" новной составля)ощей, что приводит к погре)ности измерения, максимальное значение которой равно Напряжения на выходах соответ10 ственно m"ro и и-го сумматоров: п! U„(t) = cos ((ts+ () „) t ! =! ns-! ° ).)вб„„сов ((в!в()„,-()Д ) t ls с!„в (,))+...+ 6„,6„...6„,,ñoâ ((to )вв- -Е Л„ ++A.-) t t+ V.-,--,)+ +8„,3„,... ° " 6,(.,) 6.. -в ((ы-Е .; ) + Fn-4) )) и U, (t) - сов ((а- Q O» ) t)+ 5с! n+ 6,„cos ((to+ K () л,„) t)+... 5=! )) -1 вв ...+S„6„... 6„„, co! ((tc-g().,— 5=! — (),„) t)+ 6„6„... 6о(„,, сов ((u + f ()., ) tj, 30 где,, (— суммарный сдвиг фаз, вносимый частью тракта преобразования, от входа широкополосного фаэорасщепителя 35 до выхода соответству" ющего сумматора. Эти напряжения перемножаются в перемножителе с фильтром. При этом в произведении будет только два чле40 на с частотой (Q Q;+ 0 Д ), котоi=0 5-0 1381405 dl(„„= arctg(l1 3„; 11 II, ), РаД ° 5 1 М 3 t> II> h(1 -(---) (-- ) =0 002 град 2 2 (или 7 ), 6() 11>о Г 30 (Данньп1 способ преобразования фазового сдвига позволяет существенно повысить точность средств измерений угла сднига фаэ при раб«те в широком диапазоне частот. Ф о р м у л а и з о б р е т е и и я 1, Способ преобразования и изме- 40 ре1гия фазового сдвига в широком диапазоне частот, в соотнетств1ги с которым фазов1п1 сдвиг между вхадн11ми напряжениями преобразу1от в фазовый сдвиг между опорным напряжением низкой фикс11рованнай частоты и выходным измерительным папряжением этой же частоты, полученным в результате перемножения двух напряжений, сформированных в каналах преобразования частоты иэ входпых напряжений, причем полученный фазовый сдвиг измеряют, о т л и ч а ю 1ц и и с я тем, что, с цель|о расширения диапазона частот и повышения точности измерения, входные напряжения в измерительном и опорном каналах преобразования частоты расщепляют на две 50 квадратурные составляющие, каждую Диапазон частот, в котором можЕт функционировать данное устройство, 5 определяется в основном рабочим диапазоном частот используемых в нем фазовращателей. Поскольку перекрытие диапазона частот современных фазовращателей, т.е. отношение верхнего значения рабочей час7оты к нижнему значению, может дос гигать сотен и даже десятков тысяч, то очевидно, что данный способ позволяет во много раэ расширить диапазон частот. Следует отметить, что если использовать в данном устройстве простейшие фазорасшепители, а число преобразований частоты в каждом канале ПЧ 20 выбрать равным 3, то в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц (перекрытие по частоте равно 1000 раз) FIorрешность измерения, обусловленная фазовой погрешностью преобразования, не превысит из которых балансно модулируют низкочастотными напряжениями, также находящимися в квадратуре, результаты балансной модуляции суммируют, снова расшепляют на две кнадратурные составляющие, каждую из которых снова балансно модулируют низкочастотными напряжениями, находящимися в квадратуре, результаты балансной мо" дуляции снона суммируют, зти операции в измерительном канале преобразования частоты выполняют ш раэ (m = 2,3,4,...,), а н опорном " 17 раэ (и = 2,3,4,... в частном случае m=17), причем квадратурный сдвиг фаз низкочастотных модулирующих напряжений осушествляют таким образом, чтобы смещение частоты в измерительном и опорном каналах преобразования частоты происходило ва взаимно противопол«жных направлениях, а значение низкой фиксированной частоты, на которой произ(1«дят измерегн1е фазового сдвига, выбирают равным час тате максимальной частотной составляющей н>вкне11 боковой полосы частот, получе1п1«й B pLçóãòüòàòå перемножения выходных напряжений измерительного и опорного каналов преобразаFlàFièÿ частоть1, 2. Устройство для преобразования и измерения фаз«вага сдвига в широ«oм диапазоне частот, содержашее перемнажитель с фильтрам, саединенн11й с измеритель11ым вх«дам фаз«метра, и два балансных модулятора по одному в измерительном и опорном каналах пре«бразог1ания частоты, а т л и ч а ю Ш е е с я тем, что, с целью расширения диапазона частот и повышения т«чпасти измерения, «но снаб.кено формиранателем ш и пар низкочастотных квадратурнь1х и адп«го опор" ного напряжений, в измег>ительном и «парном каналах преобразователя часготы, с««7.âå Tc I нелла m и и широкодиапазанными квадратурными фазорасШепителями, m I 17 сумматорами напряжений и 2п1-1 и 2и-1 балансными модуляторами (m 2, и > 2), причем входные зажимь1 устройства соединены соответственно как в измерительном, так и н опорном каналах преобразования частоты с входом первого ширакадиапазоннога фазорасшепителя, первый и второй выходы которых гадключены к высокочастотному входу первого и второго балансных 1381405 Составитель Ю, Макаревич Редактор М. Циткина Техред M.Äèäûê Корректор О. Кундрик Заказ 1181/40 Тираж 772 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 модуляторов, выходы которых соответ" ственно подключены к двум входам первого сумматора напряжений, выход которого соединен с входом второго широкодиапазонного фазовращателя, первый и второй выходы которого под" ключены к высокочастотному входу третьего и четвертого балансных модуляторов, выходы которых соот" ветственно подключены к двум входам второго сумматора напряжений, причем выходы последнего ш-ro в измеритель" ном и п"ra сумматоров напряжений в опорном канале соединены с первым и вторым входами перемножителя с фильтром, опорный вход фаэометра подключен к опорному выходу формирователя низкочастотных квадратурных и опор" ного напряжений, m+n пар квадратур" ных выходов которого соединены с низкочастотными входами соответствук цих 2ш и 2п балансных модуляторов измерительного и опорного каналов преобразования частоты.
