Устройство для измерения фазовых характеристик

 

Изобретение служит для повышения точности измерения фазовых характеристик . Устройство обеспечивает формирование опорного и измерительного сигналов (выход 1 и выход 2) одинаковой частоты с заданным фазовым сдвигом иизменяющейся на выходе 2 амплитудой. Сдвиг фаз задается отсчетным фаяовоащателем 13 на ниякой Betxo I ЫХ т е с- Я частоте в фазозадающем блоке 4. Затем переносится на высокую частоту генератора 1 с помощью систем 8 и 9 фазовой автоподстройки частоты формирователя 3 боковых составляющих и блока 5 восстановления нес:,тпей. Амплитуда на выходе 2 изменяется регулятором 2 уровня. Демодулятор (Д) 6 и индикатор 7 используются как индикатор нулевых фазовых сдвигов между несушей (выход 2) и боковьпми составллютими. Введенный регулятор 17 уровня служит ддя уменьшения изменений амплитуды несущей на входе Д 6, чтобы устранить большую часть амплитудно-фазовой погрещности Д 6. Чем меньше перепад амплитуды между соседкими точками проверки, тем меньшую погрешность вносит Д, 6 в измерения, Имеются также установочный фазовращатель 10, генератор 11 сдвига частоты , компенсирующий фазовращатель 12, трехвходовый сумматор 14, квадратичный элемент 15 и фильтр 16, i to сл U: ЁО М ч со а -.« S-. П1 го L f-, r-n S5 г-n „„о44а.«тг4&дтапяп 1 t fu

COOS СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИН ьп p G 01 i2 35/00

l3„"

%НИЛА «.:

РюмОР 7

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 1247690 (21) 4217053/24-21 (22) 25.03.87 (46) 15.11.88. Вюл. rr. 42 (71) Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Г.Ф.легтярев, Jt.Í.Êèì и С.H.Ïîïîâ (53) 621.317.77(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

1"- 1247690, кл. Г 01 К 25/00, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК (57) Изобретение служит для повышения точности измерения фазовых характеристик. Устройство обеспечивает формирование опорного H измеритель— нога сигналов (выхад 1 и выход 2) одинаковой частоты с заданным фазавым сдвигом и изменяющейся на выходе

2 амплитудой. Сдвиг фаз задается атсчетным фазовращателем 13 на ни.-.кой

КЗ7Дб Л2 частоте в фазозацающем блоке 4. Затем переносится на высокую частоту генератора 1 с помощью систем 8 и 9 фазавай автоподстрайки частоты формирова.-еля 3 боковых составляющих и блока 5 восстановления несушей, Амплчтуда на выходе 2 изменяется регулятором 2 уровня. Демодулятор (Д) 6 и индикатор 7 используются как индикатор нулевых фазовых сдвигов между несушей (выход 2) и боковыми состав" ляюшими. Введенный регулятор 17 уровня служит для уменьшения изменений амплитуды несущей на входе Д 6, чтобы устранить большую часть амплитудна-фазовой погрешности Д 6. Чем меньше перепад амплитуды между соседними точками проверки, тем меньшую погрешность вносит jl 6 в измерения.

Имеются также установочный фазоврашатель 10, генератор 11 сдвига частоты, компенсчруюший фазоврашатель

12, трехвходовый сумматор 14, квадратичный элемент 15 и фильтр 16.

girigad f

1437796

Изобретение относится к радиоиэмерительной технике и может быть использовано для определения фазовых характеристик фазометрических устройств как в функции изменения вход5 ной разности фаз, так и в функции изменения амплитуды сигнала на их . входу.

1О

Цель изобретения — повышение точности измерения фазовых характеристик фазометрических устройств при расширении динамического диапазона выходных сигналов. 15

На чертеже дана схема устройства.

Устройство для измерения фазовых характеристик содержит генератор высокочастотных сигналов, регулятор .2 уровня, формирователь 3 боковых составляющих, фазозадающий блок 4, блок 5 восстановления несущей, демодулятора 6 и индикатор ?.Первый вход формирователя 3 боковых составляющих подключен к выходу генератора 1 вы- 25 сокочастотных сигналов и образует первую выходную клемму устройства.

Второй вход формирователя 3 боковых составляющих подключен к одному из выходов фазозадающего блока 4, другой выход которого соединен с вторым входом блока 5 восстановления несущей. Первый вход блока 5 восстановления несущей объединен с вторым входом демодулятора 6 и подключен к

35 первому выходу формирователя 3 боковых составляющих, второй выход которого соединен с третьим входом демодулятора 6. Выход блока 5 восстановления несущей через регулятор 2 уровня соединен со второй выходной клеммой устройства. Выход демодулятора

6 соединен с входом индикатора 7.

Генератор 1 высокочастотных сигна. лов может быть любого типа, его выходные параметры полностью определяются входными параметрами исследуемого фазоизмерителя, подключаемого к выходным клеммам устройства.

Регулятор 2 уровня представляет собой четырехполюсник с переменным коэффициентом передачи.

Формирователь 3 боковых составляющих может быть реализован на основе использования способов однополосной модуляции. Наилучшие результаты дос55

1 тигаются при использовании двух типовых систем ФАПЧ по вторичным биениям, включенных последовательно либо параллельно. В последнем случае (см. чертеж) объединенные входы эталонного сигнала обоих систем 8 и 9

ФЫИ образуют первый вход формирователя 3 боковых составляющих и подключены к выходу генератора 1.высокочастотных сигналов. Вход сигнала с частотой сдвига системы 8 ФАПЧ объединен с входом установочного фазовращателя 1О и образует второй вход формирователя 3 боковых составляющих, подключенный к одному иэ выходов фазозадающего блока 4. Вход сигнала с частотой людвига системы 9 ФАПЧ подключен к выходу установочного фазовращателя 10, а выход этой системы ФАПЧ образует второй выход формирователя 3 боковых составляющих,первый вход которого образован выходом системы 8 ФАПЧ. Каждая иэ систем

ФАПЧ содержит подстраиваемый генератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот, управляющий элемент, замкнутые в кольцо фаэовой автоподстройки частоты по вторичным биениям, Один из входов смесителя образует вход эталонного сигнала системы ФАПЧ (другой подключен к выходу подстраиваемого генератора), а один иэ входов фазового детекторавход сигнала с частотой сдвига (другой вход фазового детектора подклкг чен к выходу смесителя). В диапазоне частот формирователь 3 боковых составляющих может быть реализован на основе использования поисковых систем ФАПЧ по вторичным биениям.

Фазоэадающий блок 4 в простейшем виде представляет собой генератор 11 сдвига, выход которого соединен с объединенными входами двух фазовращателей — компенсирующего и отсчетного. Выход компенсирующего фазовращателя 12 образует один выход фазовращающего блока 4„ другой выход блока 4 образован выходом отсчетного фазовращателя 13, Блок 5 восстановления несущей может быть выполнен с использованием методов однополосной модуляции. Наилучшие результаты дает применение системы ФАПЧ по вторичным биениям, идентичной системе 8 или 9 ФАПЧ формирователя 3 боковых составляющих, при этом вход эталонного сигнала этой системы ФАПЧ образует первый вход блока 5 восстановления несущей,, подключенный к первому выходу фор1437796 мирователя 3 боковых составляющих, а вход сигнала с частотой сдвига— второй вход блока 5 восстановления несущей, подключенный к другому выходу фазозадающего блока 4.

Демодулятор 6 может быть реализован на основе перемножителя (смесителя, синхронного детектора и т.п.), а также квадратичного элемента. В последнем случае демодулятор 6 содержит трехвходовый сумматор 14,входы которого одновременно являются входами демодулятора 6, квадратичный элемент 15, вход которого подключен к выходу сумматора 14, а выход соединен с входами фильтра 16. Выход фильтра 16 одновременно является выходом демодулятора 6 и соединен с входом индикатора 7. Два входа сумматора 14 подключены к выходам формирователя 3, а третий — к выходу дополнительного регулятора 17 уровня, вход которого соединен с выходом регулятора 2 уровня.

В качестве ин;;икатора 7 может быть использовано любое устройство (осциллограф, вольтметр и т.п.), пригодное для регистрации уровня низкочастотных сигналов и обладающее достаточно высокой чувствительностью, Дополнительный регулятор 17 уровня представляет собой четырехполюсник с переменным (изменяемым) коэффициентом передачи. Динамический диапазон изменения величины сигнала на выходе этого регулятора должен быть . не меньше обеспечиваемого регулятором 2 уровня.

При достаточно высокой чувствительности демодулятора 6 нВ бы .м ) где U g — норминальное значение сигнО нала на первом входе демодулятора 6, U — минимальный уровень сиг5blA. МЬН нала на второй выходной клемме устройства.

Дополнительный регулятор 17 выполнен в виде аттенюатора.

При низкой чувствительности демодулятора 6 где U — максимальный уровень

Ьщ,макс сигнала на второй выход ной клемме ус тр ойства.

Дополнительный регулятор 17 выпол5 няется в виде усилителя с изменяемым коэффициентом передачи.

Способ регулирования здесь значения не имеет, так как калибровка регулятора 17 по уровню, фазе, линейности управления и др. не является необходимой. При U ь,„м„„ U д 6

1 бы м кс дополнительный ре улят<

17 выполняется таким образом, чтобы в процессе измерения фазовых характеристик исследуемых образцов для

L „„ (U „g обеспечить усиление, а для U „„ > U „g — ослабление сигналов.

Устройство работает следующим

2р образом.

На выходе генератора 1

A «s(< ct + Чс ), 25 где A сд c q c — соответственно

С амплитуда, часто- та и начальная фаза высокочастотного сигнала.

На выходах формирователя 3 боковых составляющих имеем соответственно

А < (t) = A cos P(gс — Я) t +

А (t) = A>cos ((р +G) t +

ll

+q +q +(p +Ц> +

40 где А — амплитуда боковых составляющих

Q, g — соответственно частота и начальная фаза сигнала с

45 частотой сдвига на выходе генератора 9, (q„,Ö) — состояния (фаэовые сдвиги) компенсирующего 12 и установочного 10 фазовращателей соответственно.

Постоянными фазовыми сдвигами в блоках и элементах устройства можно пренебречь, так как на сущность процессов они не влияют и могут быть учтень| и скомпенсированы при началь55 ной настройке (регулировке) и калибровке .устройства.

На выходе блока 5 восстановления несущей формируется сигнал

«Р«1

+ ОР +Ц>

1437796

A соз(« — С ») cos(gt 4v, + — + — ) 2 2

+Ч +Чк +

А„сов(д,,t

+ Чо +А Чк+ Р) ° гдеп=0,1,2, 20

A (t) = A„cos(У t +«Р +

+ Ч. Мк) где А„— амплитуда выходного сигнала блока 5; состояние (фазовый сдвиг) отсчетного фазонращателя

13.

Тогда испытательный сигнал на выходе регулятора 2 уровня (второй выходной клемме устройства) может быть представлен в виде: где А — амплитуда испытательного

h сигнала;

Ц> — фаэовыи сдвиг,. создаваемый регулятором 2 н процессе изменения уровня выходного сигнала.

Сигнал иа выходе дополнительного регуляторА 17 уровня

A* cos(«t + « с + «-Ро «ф» + аР

+Ц)р+ ЧдР ), где А — амплитуда сигнала на выход де дополнительного регулятора 17 уровня, (Р фаз оныи сдви1 вносим>м дополнительным регулятором

17 уровня.

На вход квадратичного элемента 15 через сумматор 14 поступают три составляющие — боковые с выходов формирователя 3 и сигнал с выхода дополнительного регулятора 17 уровня. Харастеристика квадратичного элемента может быть описана полиномом второй степени вида:

7 у = а + а1х + а х где у — выходной сигнал квадратичного элемента 15, х — входное воздействие, в данном случае сигнал с выхода сумматора 14.

Фильтр 16 настроен на выделение составляющей выходного сигнала квадратичного элемента 15 с частотой Q. и после элементарных алгебраических и тригонометрических преобразований сигнал на выходе демодулятора 6 может быть записан как где A> — максимальное значение амплитуды этого сигнала.

Нулевые гоказания индикатора 7 обеспечиваются при

CP)

1 — Р "Ч +Ч

Р 4«Р 2 (!

+ (2n — 1) —, В процессе измерения фазовых характеристик фазометрических устройств

Ц

2 значение (— — « ) поддерживается постоянным, тогда

Ф

Cf0 Чн + ЧР ЧАР+

Н

+(2п — 1) — = const.

В то же время разность фаз сигналон на выходных клеммах устройства Ч юь!к «- а Ч» + Vo (2) 35

Лри сравнении () ) и (2) видно, что условие постоянства выходной разности фаз и условие обеспечения нулевых показаний индикатора 7 сонпацают и, ««0 следонательно, поддерживая н процессе измерения фазовых характерисктик (по нулевым показаниям индикатора 7) ср„ сР можно обеспечить заданное знаЭ чение выходной разности фаз, опреде45 ляемое только состоянием отсчетного фазовращателя 13 Ь(Рнь,„= Ч .

Можно выделить три основных режиь1а работы устройства.

1. Калибровка устройства. Компенсирующий фазонращатель 12 устаканлкна,от н сос.:ояние, соответствующее нулевому фазоному сдвигу, регулятор

2 уровня — н режим, соотнетствукпий прямому прохождению сигнала с выхода блока 5 восстановления несущей на вторую выходную клемму устройства, o".c÷åòíûM фазоврашателем 13 устанав ливают заданное значение ныходной разности фаз., установочным фазонравходе демодулятора 6 в вышеуказанной последовательности, с помощью индикатора исследуемого образца производят определение всех значенич искомой

ФАХ для заданного значения выходной разности фаз испытательного сигнала. Установив отсчетный фазовращатель 13 в другое состояние и повторив в ука"".,àííîé последовательности вышеприведенные операции по калибров" ке устройства и измерению ФАХ, находят ФАХ исследуемого образца для нового значения разности фаз испытательного сигнала.

3. Измерение фазовой характеристики исследуемого образца в функции изменения входной разности фаз (поверка по линейности) ° Производят ка20 либровку устройства по п. 1 ° Регулятором 2 уровня устанавливают заданное значение амплитуды испытательного сигнала и компенсирующим фазовращателем 12 по нулевым (минимальным) пока25 эаниям индикатора 7 отрабатывают возникающие при этом фазовые сдвиги.

Установочным фазовращателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7, дополнительным регулятором

17 уровня (по показаниям индикатора

7) устанавливают номинальное значение амплитуды сигнала на первом входе демодулятора 6. Установочным фазовращателем 10 восстанавливают нулевые

35 (минимальные} показания индикатора

7. Последовательно задавая отсчетным фазовращателем 13 необходимые приращения выходной разности фаз и регистрируя каждый раз показания индикатора

4О испытуемого образца, определяют искомую характеристику для заданного .значения амплитуды испытательного сигнала. Регулятором 2 уровня устанавливают новое значение амплитуды

4 испытательного сигнала. Повторив в

45 указанной последовательности вьппеописанные операции, определяют искомую характеристику для нового значения уровня испытательного сигнала и т.д.

Введение в известное устройство дополнительного регулятора уровня позволяет на два-три порядка уменьшить динамический диапазон сигнала на первом входе демодулятора, -кото55 рый равен изменению амплитуды сигнала между соседними точками фазовой характеристики. Учитвая, что по остальным входам уровни сигналов в процессе определения фазовых харак7 1ц3 щателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7. Изменяя состояние дополнительного регулятора 17 уровня (по показаниям индикатора 7) устанавливают номинальное значение сигнала на первом входе демодулятора 6. Затем установочным фазовращателем 10 добиваются нулевых (минимальных) показаний индикатора.

2. Измерение фазоамплитудных характеристик исследуемого образцафазометра (проверка по фаэоамплитудной погрешности}.

Производят калибровку устройства по п. 1. Регулятором 2 уровня устанавливают заданную величину выходного сигнала, компенсирующим фазовращателем 12 восстанавливают нулевые (минимальные) показания индикатора

7, производят первый отсчет показаний индикатора исследуемого фаэоизмерителя. Установочным фазовращателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7, дополнительным регулятором 17 уровня (по показанию индикатора 7) восстанавливают номин льное значение сигнала на первом входе демодулятора 6. Установочным фаэовращателем 10 вновь устанавливают нулевые (минимальные) показания индикатора 7. Далее регулятором 2 уровня изменяют амплитуду выходного сигнала на заданную величину, компенсирующим фазовращателем восстанавливают нулевые (минимальные) показания индикатора 7, производят второй отсчет показаний индикатора .исследуемого фазоизмерителя. Разность показаний индикатора фаэометра при изменении уровня испытательного сигнала дает искомое значение фазоамплитудной погрешности (ФАХ). Установочным фазовращателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7, дополнительным регулятором 17 уровня устанавливают номинальное значение уровня сигнала на первом входе демодулятора 6 установочным фаэовращателем

У

Ф

10 восстанавливают нулевые показания индикатора 7. Последовательно задавая ряд значений уровня испытательного сигнала, отрабатывая компенсирующим фазовращателем 12 возникающие при этом в регуляторе 2 уровня фазовые сдвиги (по нулевым или минимальным показаниям индикатора

7) и каждый раз восстанавливая номинальный уровень сигнала на первом

7796 8

В6 >0 н .«ЯО(77.7>ого сиГнала От 0 до минус и Б >j ней(77 7717>»Я 7>нпи»«атора со стан ,- >>

:"; е > „ : и»-7 раз,ре(77аюг(е>я спо=оо"-;ости на yfjoij=.e ы7нус 60 дБ 0,1

Гоо :-" е";-.-,ненно, Г(огре(»ности измереР !.-7»:- азонмх характеоистик с помо((7ью ..".=-,ßf«Ñ7 "TC>Ãà УСТНОЙСТ>.".а СОСтаНЛЯВт и

;-;иат(а рне »70 нБ -. система > ическая

0 0 > случа(,777ая (сре7>7«ект«адназ>"ич ..-=.:--,> 0,,02, 7=: диапазоне 60 дБ — сис»« .;.=>ìÿ! T»7÷åcê0ÿ 0., („среднеквацратич -(а(" >, 0 > >

Таким образом9 нк7770че77ие на Вход пе>;одуля гора дополнительного регуля"..> («7=;ЯМЕ ",; 77«I«><77 - .;-:-"7: " >»; -" Р 7-. «T Cj«7> >7. керен7«я 7«i cj но:": ::- -:", ;, > .> 7«>у

77ри измене им!1 з 7 ;; г«;" !i;;, —:!.:«.- ""От -"=. (7

i r то»»(r

i f", Ã j> НХ О >7 >«С " "«>

;«>

На7>7 НО>Д7 :; 1-,;;;

О7 Н04" т= J "i"> тора урОння НОзнОляет устранить сис

Е М а Т 77 fi («C V,,.>70 П(О Г Р Е7Л7(О С т Ь и 3 МЕР Е К И Я 7> :(i" О 0 а P :-...> диапазоЙ7 н.

НОГG (те>," ".

60.> д(- н: 60 =-Ж> дискр = те (Dc. . О «(«!-х Хаая..-гнс.»И-<»на ЗОМЕ 73Pi778>"

ifVX с7СТОО777стг бОЛ>ЕЕ ЧЕМ Н TPH раэа у(.>с и 7«77мтi«сне>7, Tf c кн адра т77ч ную по ГР> еш..Ость и на Z!, ПБ рас7>гнр(ят>ь динами>;- -7 :ЕС7»(ЯЙ 7(Нала;>ОЧ >:>Си> .7«7таTE 7ХЬ7>ОГО СИГ

-i,."-> 7>»> сигнала

Ц О ГР («Ы Н б ".": Ь

0(«I»7TC 7,7-. —..— —.. >.; —,— (" г 7 -.> л г и "- о 0 н е т н и я нам7-"ч:. - с.

0 0 !Я 8 д :-(ап а-." -,и -::>:.;, 7!; -:.> „«(«>

Ус 77>гйстнс для измерения («азонь>х арактерис -Tê по ант. Сн.,Р 12 76 0, т л и а ю н е е с я тем, что, jj ««>,0> 77О>«ЬПИЕНИЯ ТОЧНОСТИ В НЕГО

:: —:>еден дополни-,å7(ьньй регулятор урон. ня„, при этом пернь(Й вход демодулято,» ..7»77>7Л70>7 «7> 7(нтО«О(«й НЬ(ХОЛНОР КЛЕМЙ >с.1" мщ77 .> с 87 0 77 Б >то .",;, О>, i г 7 (г> - . (0>7у нуля. »

Р»азре»>а>0>.7(:-

9. .7!;=. ОВ f НОН» F i

A .З и»

О "" >НИ «7(b !3 „!3!<»(13(«BT.T>i.(:. Оликь(ь7к

> (ОЦ77>7Г 7>ОЕ

ЗакH = ".- f 0под vjj i Пное7»--- ач!.!Нf777 > рая. Б сно:0 f >:- е1-. -„7>ь ., Ва >1ри -"(«О>07(:

НаРИа(77Я77М>Я:«f;if:: -.:,7> ..:::7! app=-кто > Y;i Áýñильена