Устройство для измерения многомерных передаточных функций высокочастотных узкополосных нелинейных систем

 

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем, в частности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты. Цель изобретения - повышение точности измерения многомерных передаточных функций узкополосных высокочастотных нелинейных систем достигается за счет безынерционного преобразования смещенного в область жидких частот входного сигнала нелинейной системы при когерентном смещении в область низких частот выходного сигнала той же системы. В устройстве преобразование сигналов осуществляется первым 3 и вторым 4 смесителями с общим гетеродином 5. Входной сигнал формируется N генераторами 1 гармонических колебаний и сумматором 2. Сигналы с выходов безынерционного нелинейного элемента 6, перестраиваемого полосового фильтра 7, а второго смесителя 4 через первый 11 и второй 12 переключатели поступают на входы множителя 8, к выходу которого через интегратор 9 подключен вольтметр 10. 2 ил.

А1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАДИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

22g2 (22) (g22 G 0I R 27/28 г, с . а2 аАЛ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4409053/24-21 (22) 12.04. 88 (46) 30.12.89.Бюл. Р 48 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) Б.И.Ивлев, С.Н.Матвеев, Б.P.Ñíóðíèöèí и С.В.Трушин (53) 627.317.757 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 586403, кл. G 01 R 29/02, 1974.

Авторское свидетельство СССР

И 1012157, кл. G 01 R 27/28, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ УНКЦИЙ BblC0KOЧАСТОТНЫХ УЗКОПОЛОСНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ

СИСТЕМ (57) Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем, в част ности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты. Цель

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем, в частности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты.

Цель изобретения — повышение точности измерения многомерных передаточных функций высокочастотных узкополосных нелинейных систем — достигается за счет безынерционного преобразования смещенного в область

2 изобретения — повышение точности измерения многомерных передаточных функций узкополосных высокочастотных нелинейных систем — достигается за счет безынерционного преобразования смещенного в область. жидких частот входного сигнала нелинейной системы при когерентном смещении в область низких частот выходного сигнала той же системы. В устройстве преобразование сигналов осуществляется первым 3 и вторым 4 смесителями с общим гетеродином 5. Входной сигнал формируется N генераторами 1 гармонических колебаний и сумматором 2. Сигналы с выходов безынерционного нелинейно- а

М го элемента 6, перестраиваемого полосового фильтра 7, а второго смесителя 4 через первый 11 и второй

12 переключатели поступают на входы множителя 8, к выходу которого через интегрстор 9 подключен вольтметр 10. 2 ил. низких частот входного сигнала нелинейной системы при когерентнам смещении в область низких частот выходного сигнала той же системы.

На фиг,1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 — графики, поясняющие его работу.

Устройство содержит N генератоpos 1 гармонических колебаний, сумматор 2, выход которого является первым входом устройства и подключен к входу первого смесителя З..Вход «вто1532887 рого смесителя 4 является вторым входом устройства. Опорные входы обоих смесителей подключены к гетеродину 5. К выходу первого смесителя 3 подключены последовательно соединенные безынерционный нелинейный элемент б и перестраиваемый полосовый фильтр 7. Кроме этого, устройство содержит последовательно соединенные умножитель 8, интегратор 9, вольт,метр 10 и два переключателя 11 и 12.

Опорный вхдд умножителя 8 подключен к синфаэному или квадратурному выходу .фильтра 7 в зависимости от положения переключателя 11, а сигнальный вход умножителя 8 в зависимости от положения переключателя 12 соединен с вторым входом устройства или с выходом блока. Исследуемая нелинейная 20 система 13 подключается между входами устройства.

Генератор 1 гармонических колебаний и гетеродин 5 — стандартные генераторы высокой частоты, например 25

Г4-107.

Сумматор 2 может быть выполнен на трансформаторах типа длинной линии.

Смесители 3 и 4 могут быть построены, например, на двухзатворном поле 30 вом транзисторе 2Н306А с режимными сопротивлениями, включенными в цепях первого и второго затвора, разделительными емкостями и LC-фильтром, включенньм в цепь стока транзистора.

Безынерционный нелинейный элемент б может быть выполнен по схеме резистивного усилителя, работающего с отсечкой коллекторного тока, на транзисторе ГТ313А.

Поласовой перестраиваемый фильтр

6 реализован по схеме с двойным прет образованием частоты, содержащей интегральные усилители — преобравовате- g5 ли высокой частоты 175УВА, стандартный генератор высокой частоты Г4107, LC-фильтр, трехдецибельный направленный ответвитель и балластные сопротивления.

Умножитель 8 и интегратор 9 пред-. ставляют собой известные схемы, реа-. лизуемые как на аналоговых, так и циФровых, микросхемах.

Вольтметр 10 стандартный прибор, например ВК7-9. а

Устройство работает следующим образом.

От каждого иэ Ы генераторов 1 гармонических колебаний на входы сумматора 2 подается напряжение с амплитудой 11„, частотой W- и началь1 ной фазой ;, I

Сумматором 2 Формируется испыта— тельный сигнал U „, подаваемый на вход нелинейной системы 13 (фиг.2а) !

Комплексная реакция (t) (фиг.2б) полиномиальной нелинейной системы представлена в виде суммы колебаний комбинационных частот

y(t) = + У(Тя)е + ь Ж

+ p(rg}, где — суммирование по всем ком=-: бинационным .частотам: (М) = (- -1 )1 п+ +

+(i i )v которые задаются набором Х иэ 2N

К неотрицательных целых чисел I =

1 э ° ° °,i N} з удовлетворяющих условию

i,+ i <+...+i>+i „1 = п, 1с п<К, К - порядок измеряемой нелинейной системы, Я (7 1) - фаэовое слагаемое, определяемое только начальными фазами колебаний испытательного сигнала и независящее от нелинейной, - системы, У-(Т } — комплексная амплитуда, оп" ределяемая сечениями многомерной передаточной функции

К (т ) M.Р(п,r )»

»Н „(W1 а в ° уЧ - V1.у .° ° ° у.-Ч1, ° ° °

ii 1.1

Ия у ° ° ° у Wg) U(Тя )

1-й

P (n,Ò ) - мультиномиальный коэффициент:

5 "-Yl „1

Р(п,I )

° н .. и -н

U(IN) — амплитудный множитель: (Т ) = (1 + 1- Ì"ô"! -Ì"

Искомыми величинами являются сечения многомерной передаточной функции Ня(...) порядка и, которые однозначно определяются комплексной амплитудой Y(IÄ). Следовательно, для того, чтобы найти многомерную передаточную функцию Н, (...), необходимо измерить комплексную амплитуду Y (I ) данной комбинационной частоты Ч(7 1) на выходе нелинейной системы.

Напряжение гетеродина 5 Уг =

= U сos(W

mг- г г 20 входы смесителей 3 и 4. Напряжение на выходе однотипных смесителей имеет вид (фиг.2,в,г):

1532887

C W 7 = О.

»г

+ Ч, (W(IÄ),,W„);

Поскольку для узкополосных нели40 нейных систем интерес представляет комбинационные частоты в полосе пер.вого порядка, т.е.

М

K(i, -,) =

J =(W,(I„) = W(I<)-Ч,.

Аналогично преобразуем выражение

50 г Н . =CP(Ig)- V,+ W(I )+ Ч

Отсюда выражение для комплексного колебания на выходе безынерционного нелинейного элемента примет вид

М

К, Б„е г + г М » » А

1 ем,- К,м.», 11.е

U, = К - Wу(Т„) е Ог, с 4 см,,,г» 1 и где Псм Uc 4 выходное напряжение смесителей 3 и 4 соответственно;

q (I„) =(М(1„)-W,)t, +Ч(Т„)- Ч, +

К вЂ” модуль коэффициента передасм чи смесителей; »см(1 ;, W ) — фаза коэффициента передачи

f смесителей.

Частота гетеродина 5 фиксируется при проведении измерений. Фаза коэффициента передачи смесителей 3,.

-,4 4 (W;,W„) в общем случае сложным образом зависит от частоты гетеродина и сигнала, что усложняет процесс фазовых измерений многомерной передаточной функции. Однако в случае узкополосных сигналов, когда

WN- 1

2 — -"-" — ((1, WN+ W) (1 < ) при W = const может быть см представлена рядом Тейлора по Ч с удержанием первых двух членов:

V,„(W;,W,) = Ч,„+ а „

Отсюда я у З (с »г и смЗ см;»» где W- = W — Чг

|г I

Ч;„= q ; — Чг+ Ч..+*. °

Испытательный сигнал У,с, смещен- . ный в область низких частот U».»»»i подается на вход элемента б, инерционностью которого можно пренебречь, так как погрешность фазовых измерений мала

На выходе блока 6 появляется спектр опорных колебаний комбинационных частот (фиг.2д) » +ã IN1 + Л4 »

Пьиэ = Yn„s(I„)e „CI g) где Y<„> (1 } — действительная константа;

Ъ г(IN} =(i - 1 1)Wi +., ° +

+(i N— 1 „)W,„=(1,.— 1,)(W, W„)+

+" (4 -N)(WN <г) = й

= У{ТМ) — K(1i1-1 i)W -1

gÄ(IN)=(i, -1 1) (Ч, — г+,м+с ()+

+... +(„„) (д„Ч,+Ч,„+«N) = см, 1532887 не = к,,ене I»(»e)1 » — (Т ) J((v(IR)1-(dPt <9<)-Ö+× +н гф )!

БНЭ БН9 И CrNN

Г СМе,) ())(1н1

= Е: Y);Äa (I< ) e

»d (I))I) . Сравнивая последнее выражение с выражением для комплексного колебания на выходе смесителя З-Ис,з, можно сделать вывод о том, что фазы коле!

О баний U > и U<< для каждой из комбинационнйх частот различаются на величину фазы комплексной амплитуды

Y(I<) . которая, в свою очередь, оп15 ределяется только комплексными величинами соответствующих многомерных передаточных функций.

Наличие произвольных фазовых сдвигов между колебаниями генерато-. ров 1 гармонических колебаний не оказы-20 вает влияния на результаты измерения, поскольку опорное колебание данной комбинационной частоты формируется из входного сигнала нелинейной системы.

Выходное колебание от элемента б подается на вход фильтра 7, настроенного на данную комбинационную частоту W(I „).

На синфаэном выходе фильтра комплексная амплитуда сигнала данной комбинационной частоты W(I ) равна (фиг.2 е) — у 4(s>+4""пп (д())"

nA Ð(, "БНЗ Й )

t а на квадратурном выходе

У (I ).е Й) (г) ь)) г)() РЧо БНЗ 1 где БНЗ (Т)))) К (!"((Т й) ) ЬН" (П) К„„, ())(Х„) ) — модуль коэффициента переда»):и фильт-4 ра на частоте

W(Ig) пп,р(W(I 1) ) — фаза коэффициента передачи фильтра на частоте M)I ). . 50

Перед измерением проводится калибровка устройства для устранения

Ч„„,(И(Т„)). Для этого переключатель

l2 переводится в положение "2", а переключатель 11 в положение "1".

Устранение производится путем точной настройки передаваемого полосового Фильтра .íà W(I(tI) в резонанс.

Нанряжение на выходе интегратора

9 в этом случае равно

К 7Бнз(Т)I)УБнэ (Т()) соз((Рг, г х (W(I,)), где К вЂ” результирующий коэффициент передачи умножителя и инг . тегратора.

Настройкой фильтра достигается мак симум напряжения на выходе интегратора Ug Этому соответствует

Ч„„,,(1 (I )) = О. При этом U9

= -"Б» (I„) К ° д K = K YZZq (Iq)

Для измерения синфазной составляющей выходного сигнала U переключатель 12 ставится в положение "1"

Амплитуда напряжения на выходе интегратора 9 имеет вид

Для измерения квадратурной состав ляющей U -м переключатель 12 ставится в положение "2". Амплитуда напряжения на выходе интегратора 9 имеет вид н, = к„»,„(»(»,)1 к".

В каждом из последних двух выражений содержится определенное число

L неизвестных сечений многомерной передаточной функции. Для их определения проводится L измерений величин 190. и Ug при различных значениях

9о

Затем, решая полученные системы уравнений относительно L неизееетеех Re.(»e(...)j и Хе)Н„(...)1, определяются искомые МПФ;

Аналогичные измерения проводятся по другим комбинационным частотам путем перестроики Фильтра "7.

Н

Опорный сигнал U» с неизменны ми начальными фазами Ч (Т„) между составляющими спектра формируется в блоке 6 на промежуточной частоте

V;„, которая может быть выбрана существенно меньше средней частоты рабочего диапазона. Тем самьм произвольный фазовый сдвиг, определяющий ошибку измерения фазы из-эа инерционности нелинейного элемента

= И;„ Г, может быть уменьшен до необходимой величины.

1532887

Формула изобретения

Устройство для измерения многомерных передаточных функций высокочастотных 1 узкополосных нелинейных систем, содержащее N генераторов гар „ионических колебаний, подключенных ÷åðåç сумматор к первому входу устройства, последовательно соединенные безынерционный нелинейный элемент и полосовой перестраиваемый фильтр, последовательно соединенные умножи» тель, интегратор и вольтметр, а так-. же два переключателя, при этом вход умножителя соединен с выходом первого переключателя, второй вход которого подключен к выходу безынерцион-., ного нелинейного элемента, опорный вход умножителя соединен с выходом второго переключателя, входы которого подключены соответственно к квадратурному и синфазному выходам полосового перестраиваемого фильтра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений, в него введены два смесителя и гетеродин, подключенный к опорным входам смесителей, при этом вход первого смесителя подключен к выходу сумматора, а его выход — к входу безынерционного нелинейного элемента, вход второго смесителя является вторым входом устройства, а выход второ" го смесителя подключен к первому входу первого переключателя.

)532887

Заказ 8095/51 тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Составитель А.Михалев

Редактор О.Спесивых Техред JI,Îëèéíûê

Корректор М. Нароши

М