Фезометр

 

Изобретение относится к фазоизмерительной технике„ Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз. Входные сигналы с помощью гетеродина 3 преобразуются на промежуточна частоту с помощью смесителей 1 и 2. Далее полученные сигналы возбуждают автоколебательную систему (АС), состоящую из двух связанных между собой колец, содержащих однополосные смесители 4 и 5, выделяющие сигналы суммарной частоты, однополосный смеситель 6, выделяющий сигнал разностной частоты, который после усиления в широкополосном усилителе 7 подается на второй вход однополосного смесителя 4 и на вход квадратора 9, выходной сигнал которого имеет удвоенную частоту и подается на второй вход однополосного смесителя 5. Частота, установившаяся в АС на выходе усилителя 7 и измеряемая частотомером 8, линейно связана с измеряемым фазовым сдвигом о Степег ь линейности зависит от выбора характеристик фильтров 15, 16 и 17, входящих , в однополосные смесители 4, 5 и 6. Оптимальный выбор характеристик этих фильтров чебышевского типа позволяет достигнуть более высокой линейности преобразования, чем в прототипе . На чертеже также показаны анало говые перемножители 10,12,13, 14 и переходной конденсатор И, Зил. с S (О с: 4iii. о: (У1 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4.G 01 К 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

Г!РИ ГКНТ СССР (21) 4197264/24-21 (22) 16,02.87 (46) 15.03.89. Бюл. У 10 (71) Харьковский авиационный инсти-. тут им.Н.Е.Жуковского (72) Е.С.Колесник и В.Л.Сорокопут (53) 621.317.77(088.8) (56) Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1982, с.!92, рис.13-5а.

Авторское свидетельство СССР

В 1200196, кл. С Ol R 25/00, 1985. (54) ФАЗОЬБТР (57) Изобретение относится к фазо-измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения разности фаз. Входные сигналы с по мощью гетеродина 3 преобразуются на промежуточнфю частоту с помощью смесителей 1 и 2. Далее полученные сигналы возбуждают автоколебательную систему (АС), состоящую из двух связанных между собой колец, содержащих

„80„„14658О7 А1 однополосные смесители 4 и 5, выделяющие сигналы суммарной частоты, однополосный смеситель 6, выделяющий сигнал разностной частоты, который после усиления в широкополосном усилителе 7 подается на второй вход однополосного смесителя 4 и на вход квадратора 9, выходной сигнал которого имеет удвоенную частоту .и подается . на второй вход однополосного смесителя 5. Частота, установившаяся в

АС на выходе усилителя .7 и измеряемая частотомером 8, линейно связана с измеряемым фазовым сдвигом. Степень ли" нейности зависит от выбора характеристик фильтров 15, 16 и 17, входящих,в однополосные смесители 4, 5.и

6. Оптимальный выбор характеристик этих фильтров чебышевского типа позволяет достигнуть более высокой линейности преобразования, чем в прототипе. На чертеже также показаны аналоговые перемножители !0,12,13, 14 и переходной конденсатор 11. 3 ил.

1465807

Изобретение относится к фазоиэмерительной технике.

Цель изобретения — повышение точности измерения разности фаз.

На фиг.1 представлена структур-. ная схема. фазометра; на фиг.2 — графики зависимостей величин, характеризующих степень отклонения хода фаэочастотных характеристик (ФЧХ) устройства-прототипа от линейного закона; на-фиг.3 — график зависимости величины, характеризующей степень отклонения хода фазочастотной характеристики предлагаемого устройства 15 от линейного закона, Фазометр содержит два преобразователя 1 и 2 частоты соответственно в опорном и информационном каналах, гетерадин 3, первый 4, второй 5 и 20 третий 6 однополосные смесители, широкополосный усилитель 7, частотомер

8, квадратар 9, состояший иэ последовательно соединенных аналогового перемножителя 10 сигналов и конден- 25 сатора ll. Каждый иэ трех смесителей

4 - 6 содержит последовательно соединенные аналоговый перемножитель и фильтр; позициями 12 - 14 обозначены аналоговые перемнажнтели сигналов 30 позициями 15 и 16 — фильтры верхних частот (ФВЧ), позицией 17 - фильтр нижних частот {ФНЧ). Выход гетеро. дина 3 соединен с первыми входами смесителей 4 и 5. Выходы преобразователей 1 и 2 подключены соответственно к первым входам однополосных смесителей 4 и 5, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами третьего смесителя 6, 40 выход которого подсоединен к входу широкополосного усилителя 7., выход .: последнего подсоединен к .второму вхо- ду первого, однополосного смесителя

4 непосредственно и через квадратор 45 9 к второму входу второго однополос" ного смесителя 5. Частотомер 8 под-. ключен к выходу широкополосного усилителя.

Устройство работает следующим об50 разом.

Опорный и информационный сигналы, сдвиг фаз Д(между которыми необходимо измерить, с помощью преобразователей 1 и 2 частоты и гетеродина 3 .55 преобразуются в колебания с промежу- точной частотой Q, сохраняя при этом неизменным сдвиг фаз bg . Эти сигналы поступают на вторые входы однополосных смесителей 4 и 5, на первые входы которых подаются колебания с выхода широкополосного усилителя 7 в первом случае непосредственно, а во втором - через квадратор 9. В результате гетероднниравания на выходе смесителей 4 и 5 выделяются сигналы, поступающие на первый и второй входы третьего однополосного смесителя 6 соответственно.

На выходе однополосных смесителей

4 и 5 выделяются сигналы с частотами, равными сумме частот колебаний, подаваемых на входы соответствующих смесителей, а на выходе третьего однополоснаго смесителя 6 имеется сигнал с частотой, равной разности частот колебаний, поступающих на первый и второй входы этого смесителя соответственно ° Таким образом, на выходе смесителя 6 возникнут колебания частотой, соответствующей частоте сигнала с выхода усилителя 7, который поступает на первые входы смесителей

4 и 5. Следовательно, фаэометр представляет собой АС, образованную включенными в кольцо широкополосным усилителем 7 и цепью обратной связи, вхадом которой являются соединенные вместе первый вход смесителя 4 и вход квадратара 9, а выходом — выход смесителя 6. В этой системе при вцподиении условий баланса амплитуд и баланса фаз возникают незатухающие колебания с частотой Q, значение которой зависит от значения измеряемого.сдвига фаз bg . Измеряя частоту G3 с помощью частотомера 8, судят о величине d(p .

Если обозначить сигналы на выходе преобразователей 1 и 2, а также на выходе усилителя 7 соответственно в виде 8,(t)=S;cosЯ t; S (t)=

=S cos (g,t+ Щ); S>(t)=S>cos (co t+

+ ), то можно записать следующие

1 соотношения S (t)= — S> (cos(2Q

4 2

+2у)+1) — сигнал на выходе аналогового перемножителя 10; S (t) — S cos (2Я t+2(p) - сигнал на вы1

2 3 т ходе квадратора 9.

Конденсатор 11 в квадраторе 9, не пропуская постоянную составляющую на первый вход смесителя 5, практически не изменяет амплитуду сигнала

S при изменении частоты Я в пределах Я Е ь win ©z ynay,1 ° ») » ) (3) где (- эквивалентное время запаздывания, определяемое по формуле

6(») (1 г

Из выражений (2) и (3) находят частоту колебании 43 в зависнмссти

20 от величины QCf:

У = ——

Щ-2. «К а (4) с г л

K где (= "> +(у

На основании соотношения (4) видно, что значения частоты 4). прямо пропорциональны величине h(f, Для возникновения незатухающих колебаний в АС необходимо выполнить еще одно условие — условие баланса амплитуд. Оно достигается выбором коэффициента усиления К(8 широкополосного усилителя 7 из условия

16

K р — —.— - . (5)

S» S S«

35 При выводе соотношения (5) счита лось, что модуль коэффициентбв передачи фильтров 15, 16 и 17 в их голосе припускания близок к единице. При выполнении условия (5) широкополосный усилитель 7 компенсирует все потери сигналов в .смесителях 4, 5 и 6 и квадраторе 9 при их преобразовании, что приводит к генерации незатухающих колебаний, частота которых опре45 деляется из соотношения (4).

При изменении сдвига фаз 6р на величину.Sag частота колебаний, генерируемых АС в соответствии с выражением (4), изменяется на величину

3ю = —— (6) (., Измеряя величину Зу посредством частотомера 8, судят о величине S(p

Следовательно, точность измерения не55 известного сдвига фаз щ зависит от нелинейности характеристики преобразования, т. е, от зависимости частоты . сигнала от сдвига фаз а(+f+arg K» (j(+) ) сигнал на выходе ФВЧ 15, где (K(j63)j. модуль, arg K{jQ) — аргумент комплексного коэффициента передачи К (j ), К» (jQ) комплексный коэффициент нередачи ФВЧ 15;

8 (t)= » 8 $7/К ()о7 )/сов (87 с +hip+

+ 2()) + arg K {jg )) сигнал на выходе ФВЧ 16 с коэффициентом передачи К (1О).

Аналогично сигнал на выходе третьего однополосного смесителя 6 можно записать в виде:

8e(t)= 788, $ $, /к,()(($)/ /ке()Я)/.

° /к,()87е)/ сое (и,с+8»+8+

+ arg K (j> )+arg К (jQ )— arg К» (ду ) ), (1) где К (3Я) - комплексный коэффициент передачи ФНЧ 17.

Таким образом, при преобразова- . нии сигналов в смесителях так, что частота сигналов на выходе смесителей 4 и 5 равна сумме частот колебаний, поданных на входы соответствующих смесителей, а частота сигнала на выходе смесителя 6 — разности частот колебаний, поступающих на его первый и второй входы, на вход широкополосного усилителя 7 подается сигнал с частотой Я, фаза которого зависит от величины Щ . Для того, чтобы найти зависимость частоты Я .от величины сдвига фаз дц), уравнез 1465807 4

В то же время для фазометра спра- ние баланса фаз для АС можко запиведливы следующие выражения: сать в виде

l г -Я (+ДЦ)+ () = 2 «К > (2)

6()» { ) () Я» Ъ (где (— время запаз„"швали)т -a):a

+Ч)есов (C7 t- tp )) .â, ииракалолосиои усилителе 77, сигнал на выходе аналогового перем- Qarg К (3Ю )+акяб (1(а )-arg К, ()Я );

K ножителя 12, где Я = Я, + у, р

1О

В предложенном устройстве с боль()=8 (t).S (t) = - S 8 (os шой точностью выполняется соотноше7 Й 5 4

Ф + ние (и t +eg+2C()ecoe (и t+87» +2 ())

K сигнал на выходе аналогового перемножителя 13, при этом а =Сд,+2Я2, %

Я» = Я,- 2Я ; (к)= S» S>1К» (дЯ ) асов (я t+

6 » „,с,„= агссоэ Ч1-а

Г а

Отсюда

1465807 (10) 20 1g а = 20 1g

55,2 дБ.

В известном устройстве нелинейность характеристики (Р ) преобразования устройства возникает главным образом в двух последовательно соединенных однополосных смесителях, выходной сигнал которых наступает на фазовый детектор системы фазовой автоподстройки частоты.

$ (9 )=«cog K < (3 @ )

"arcing К, (j Р ), (7) где К, (j Ð), К (j Ð ) — комплексные . коэффициенты передачи ФНЧ указанных двух смесителей, В связи с тем, что первый ФНЧ не полностью подавляет сигнал суммарной частоты Р на выходе существует два сигнала с частотой, иэ которых паразитный составляет малую долю полезного. В результате их сложения суммарный сигнал, с частотой » имеет сдвиг фаз

*; (Р ) = aq + g (9,)+ Я (9„a, q),(8) где $ (V,а, Щ) .— дополнительный сдвиг фаз, вызванный наличием паразитного сигнала.. При этом если даже величина g (Р, ) является линейной функцией частоты Я, выражение (8) не является линейной функцией часто»» ты ч, поскольку зависимость д от л ф нелинейна-. Действительно, при

2 сложении двух колебаний одной частоты, одно из которых имеет единичную амплитуду, а другое - амплитуду а < 1, сдвиг фаз между ними равен 8 результирующий вектор получает сдвиг ( фаз A относительно вектора с еди" кичкой амплитудой

1+а соз д

g(4»,а,Sq)=srccos

»».я +2а cosB (9) В случае применения двух последовательно включенных смесителей сдвиг фаз 6 между паразитным и полезным сигналами

9=-2hg+arg К, ()Ф )+агд К, (j9).

Таким образом, на основании выражения (9), которое имеет пульсирующий характер, можно определить максимальное значение $ „, приравнивая производную выражения (9) нулю.

Величина »1 достигает своего максимума при сов 9 = -a. Подставив это значение в выражение (9), получают а

На основании соотношения (11) можно определить требуемое подавление

g сигнала с частотой P в фильтре первого смесителя, чтобы значение не превышало заданного значения, например, не превышало h а

=О, 1 . Тогда для обеспечения этого требования необходимо, чтобы сигнал с с уммар ной часто то и У был бы no l5 давлен ФНЧ первого смесителя на

Допустим. круговая частота Р, =2Ф ° (1,5 мГц), а частота сигнала поступающего на первый смеситель, в процессе работы известного устройства =2 7 (О, 5-1,0 мГц) . Частота среза первой ФНЧ f, = 1 мГц, а минимальное значение частоты У „„;„ =

=27 ° (2 мГц) . Тогда фильтр первого смесителя должен подавить сигнал с суммарной частотой 9 „„. на 55,2 дБ, что позволяет получить ошибку, не

30 о превышающую 0,1 . Применяют фильтр

Чебышева 7-го порядка с неравномерностью 0,5 дБ, который на частоте, превышающей в два раза его частбту среза, обеспечивает затухание близч»; кое к 55 дБ.

Учитывая, что на выходе второго. смесителя имеются комбинационные составляющие с частотами 9 > =2, -4

»10 4 и 94 = 2 Р + P которые должны подаваться фильтром, входящим в его. состав, частота среза этого фильтра

f,> z = 1 мГц, т.е. фильтр второго смесителя подобен фильтру первого смесителя и обеспечивает подавление

45 компоненты с частотои»-, наиболее близкой.к частоте среза f, не менее чем на 55 дБ. Используя указанные выше параметры фильтров, можно обеспечить допустимую ошибку

= 0,1 . На фиг.2 (поэиция 18) приведен график зависимости величины 3 характеризующей степень отклонения кривой Р (Р) от линейного закона для фильтров ФНЧ с-параметрами, определенными выше. Как видно, в этом случае характеристика g (Р) является в значительной степени нелинейной и о величина g достигает 21 . Уменьшить

7 1465807 нелинейность зависимости E(F) можнО, лоданление фильтром 15 сигнала с подобрав частотм срезов f, и Еерз, частотой ат, - Оз; аз — подавление добиваясь наибольшей линейности зари- фильтром 16 сигнала с частотой М симости g(F). Так, если частоты сре- 2Ы зов ФНЧ чебышевского типа 7-го поряд- . Допустим, что величина С> ка Е, = 1,21937; й. =1,217201, =. 2 е (1,5 мГц), а значения частоты неравномерность в полосе пропускания в процессе работы устройства Я фильтров первого смесителя о, = . =.2 а (0,5-;1,0 мГц). Тогда для фнльт= 0,03 дБ, если неравномерность .филь. 10 ров 15 и 16 0; = 40 дБ, az =80 дБ. Из тра второго смесителя задать oC» = выражения (10) следует, что при дан1

10 дБ, то нелинейность характери=, ных значениях о, и йа ошибка для стики g (Р) уменьшится в !О раз и !данного устройства 9 = arccos величина 8 не будет превышать 2 (по- . а <о зиция. 19). Однако дальнейшее умень1-10 шение нелинейности характеристики, $(F) в известном устройстве невоэ- . Та;сим образом, устройство позвоможно, т.к. параметры фильтров ФНЧ, : ляет значительно повысить точность

О которые позволили получить 8 =2,-: измерения разности фаз. получены путем решения минимиэациои-, 2О ной задачи на ЗВИ. . - Ф-о р м у л а и s о б р е т е н и я

Аналогично рассчитывают частоты . срезов фильтров 15, !6 и 17, при Фазометр, содержащий два преобраэтом фильтры 15 и 16 имеют 6-й поря -: эователя частоты соответственно в док, а фильтр 17 — 5-й. В результа-. 25..опорном и информационном каналах с те расчета и =1,871 мГц (фильтр ; . гетеродином„ выходами подключенными

15), 4 =2,288 мГц (фильтр 16), -- . к входам этих преобразователей, nepf =l,137 мГц (фильтр 17). . вый и второй однополосные смесители, Неравномерности в полосе пропуска- первые входы которых соединены с выния фильтров чебьппевского типа 4>. = Зп ходами преобразователей соответст10623 дБ (фильтр 15),-а4< =0,3168 дВ - венно в опорном и информационном ка(фнльтр 16), oL9 = 10 дБ (фильтр 17). калах и частотомер, о т л и ч а юВ этом случае (фиг.3) нелинейность шийся тем, что, с целью повышехарактеристики g (F) в 20 раз мень-, ния точности измерения разности фаз, ше нелинейности характеристики g(F) - выходы первого и второго однополос известного устройства даже с учетом ных смесителей подключены соответстего оптимизации. В этом случае ошиб- . венно к первому и второму входам о I ка не превышает 0,1 . . третьего однополосного смесителя, выВ то же время на выходе однонолос-. ход которого соединен с входом широного смесителя б данного. устройства :40 кополосного .усилителя, а выход этого имеет место паразитный сигнал с час- усилителя подсоединен к второму вхо™ тотой Я . Наличие паразитного сиг-: ду первого однополосного смесителя, нала, приводящего к нелинейности ха : а также к входам квадратора, выход рактеристики преобразования, иа вы- которого соединен с вторым входом ходе смесителя 6 обусловлено непота» 45 второго однополосного смесителя,квадным подавлением такого сигнала в ратор содержит последовательно соедифильтрах 15 и 16 с частотами Я, - И иенные аналоговый перемножитель сиги сд, - 2сд . При этом наразитный сиг- saws и конденсатор, частотомер поднал на выходе смесителя 6 подавлен соединен к выходу широкополосного на величину а = О, + и дБ, где 41т - усилителя.

1465807

rc аО7 йОб аале оа

-асч

-au

Составитель Ю.Макаревич

Редактор Л.Пчолинская Техред Д,.Kpавчyк Ко р рек тор М. По жо

Заказ 941/46

Тираж 7l I

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственио-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101