Способ определения погрешности измерения фазовых сдвигов

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Техническим результатом является уменьшение погрешности определения фазовых сдвигов. Способ определения погрешности измерения фазовых сдвигов основан на введении некалиброванного фазового сдвига во входной испытательный сигнал, подаваемый на вход поверяемого измерителя, аттестованного по погрешности измерения отношения амплитуд (ослабления), для формирования испытательного сигнала, подаваемого на измерительный вход поверяемого измерителя. С целью уменьшения погрешности определения фазовых сдвигов, расширения диапазона и количества формируемых фазовых сдвигов, увеличения производительности измерений, во входной испытательный сигнал, подаваемый на опорный вход измерителя, вводят фазовый сдвиг с изменением амплитуды, суммируют указанный сигнал с входным испытательным сигналом, чем задают три значения фазового сдвига, измеряют соотношение амплитуд суммируемых и суммарного сигнала на измерительном входе измерителя, по которым вычисляют три истинных значения фазовых сдвигов ϕ_2-3, ϕ_3-1, ϕ_2-1 по формулам. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к способу определения погрешности измерения фазового сдвига при поверке измерителей ослабления и фазового сдвига, аттестованных по погрешности измерения отношения амплитуд (ослабления), а также при калибровке образцовых мер фазового сдвига с помощью прецизионных измерителей отношения амплитуд без применения калибратора фазы или фазометров.

Известны методы формирования сигналов с некалиброванным фазовым сдвигом, например метод трех вольтметров (см. Асеев Б.П. «Фазовые соотношения в радиотехнике», Связьиздат, 1959, §14) с расчетным воспроизведением значения фазового сдвига, чем исключается использование фазометра и заключающийся в раздельном измерении амплитуд двух синусоидальных сигналов U₁, U₂ и амплитуды суммарного напряжения U₃. При этом из соотношения:

Может быть получено выражение для расчета фазового сдвига ϕ_2-1 между напряжениями U₂ и U₁.

Максимальное значение погрешности определения значения ϕ_2-1 имеет вид:

где δU - относительная погрешность измерения напряжений (максимальное значение).

Недостатком метода является резкое увеличение погрешности в области малых углов (по закону ) и только одно значение воспроизводимого фазового угла для данных напряжений U₁ и U₂.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ, описанный в авторском свидетельстве 1437817 А1, в котором испытательный сигнал с некалиброванным фазовым сдвигом формируется путем суммирования ортогональных сигналов A₁, A₂; измерения отношения их амплитуд и вычисления фазового сдвига суммарного напряжения ϕ_3-1 по формуле:

Погрешность измерения определяется формулой:

где δA - относительная погрешность измерения амплитуд (максимальное значение)

Δ90° - погрешность установки фазового сдвига 90°

Недостатком этого метода является технически трудно осуществляемая высокая точность установки фазового сдвига 90° суммируемых сигналов, в частности из-за рассогласования в соединительных трактах, что приводит к увеличению погрешности при расчетном воспроизведении фазового сдвига. Другим недостатком является ограниченный диапазон воспроизводимых фазовых углов за счет значительного увеличения погрешности с увеличением фазового сдвига. Практически способ применим только в областях малых углов, не превышающих нескольких десятков градусов.

Цель изобретения - уменьшение погрешности определения фазовых сдвигов, расширение диапазона и количества формируемых фазовых сдвигов.

На фиг.1 приведено устройство, реализующее способ определения погрешности измерения фазового сдвига.

Устройство, реализующее способ, содержит генератор синусоидальных сигналов 1, переменный фазовращатель 2, переменный аттенюатор 3, аттенюатор 4, первый и второй ключи 5 и 6, сумматор 7, измеритель ослабления и фазового сдвига 8. Выход генератора 1 соединен с входом первого ключа 5 через аттенюатор 4, выход ключа 5 подключен к первому входу сумматора 7, второй вход которого подключен к выходу второго ключа 6, вход которого подключен к выходу генератора 1 через последовательно соединенные переменный фазовращатель 2 и переменный аттенюатор 3, а выход сумматора соединен с измерительным входом измерителя ослабления и фазового сдвига 8, опорный вход которого соединен с выходом генератора 1.

Определение погрешностей фазовых сдвигов производится следующим образом. Измеряется относительная амплитуда сигналов на измерительном входе проверяемого измерителя ослаблении и фазового сдвига, предварительно аттестованного по погрешности измерения ослабления, поступающих с сумматора 7, на второй и первый входы которого подаются сигналы с генератора 1 через переменный фазовращатель 2, переменный аттенюатор 3, второй ключ 6 и первый ключ 5 и аттенюатор 4 соответственно.

Пусть A₁, A₂, A₃, ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ - амплитуды и фазовые сдвиги сигналов на измерительном входе измерителя 8 относительно сигнала на его опорном входе при включенном первом, выключенном втором ключе, включенном втором и выключенном первом ключе, включенном первом и включенном втором ключах соответственно.

Тогда, если, ϕ_3-1, ϕ_2-3 - фазовые сдвиги сигнала при включенных ключах 5 и 6 относительно сигналов при включенном ключе 5, выключенном ключе 6 и выключенным ключе 5, включенном ключе 6 соответственно, то, как следует из рассмотрения векторной диаграммы, приведенной на фиг.2 с использованием теоремы синусов:

где (следует из теоремы косинусов)

Установленное значение ϕ_2-1 может быть вычислено по формуле:

Причем для ряда значений A₂ (i=1...n), которым соответствуют фазовые сдвиги ϕ_i2-3, ϕ_i3-1 может быть вычислено усредненное значение ϕ_2-1

Как видно из приведенных формул, погрешность воспроизведения фазовых сдвигов определяется только погрешностью измерения отношения амплитуд, причем «неидеальность» ключей (паразитное прохождение сигнала через закрытый ключ) в данном случае включается в погрешность измерения отношения амплитуд.

Расчетные значения погрешностей воспроизведения фазовых сдвигов получаются путем дифференцирования приведенных выражений и имеют вид:

где

для случая максимальной погрешности (суммирование составляющих по модулю)

- относительная погрешность измерения отношения амплитуд

Из сравнения зависимостей приведенных погрешностей воспроизведения фазовых углов, для удобства выраженных в единицах погрешности измерения амплитуд δА, для прототипа (фиг.3а), аналога (фиг.3б) и предлагаемого способа (фиг.3в, 3г) следует, что предлагаемый способ имеет существенно меньшую погрешность воспроизведения фазового сдвига в более широком диапазоне измерения углов, в том числе в области малых углов. реализации возможностей предлагаемого способа следует величины углов ϕ_2-3 и ϕ_3-1 использовать в пределах вычисление значения ϕ_2-1 производить с использованием формул (8) и (9) для значений ϕ_2-3 и ϕ_3-1, вычисленным около величины для разных значений A₂ с последующим вычислением среднего значения Вычисление значений ϕ_2-3 и ϕ_3-1 в пределах где вычисление по формулам (6), (7) дает увеличенную погрешность, следует использовать формулы:

где ϕ_3-1 определяется на участке с малой погрешностью

где ϕ_2-3 определяется на участке с малой погрешностью

Исключаются требования на точную установку начального фазового сдвига ϕ_2-1 (90° в способе-аналоге) за счет того, что в предлагаемом способе значение ϕ_2-1 точно воспроизводится по измеренным значениям отношения амплитуд.

Таким образом, предлагаемый способ поверки позволяет расширить диапазон воспроизводимых фазовых сдвигов на всю фазовую плоскость, включая область малых углов сдвига, увеличить количество воспроизводимых углов при одной установке исходных векторов, что увеличивает производительность измерений, исключает влияние неортогональности векторов в аналоге за счет измерения и учета амплитуды суммы векторов, уменьшить погрешность воспроизводимого значения фазового сдвига ϕ_2-1 за счет использования разных пар воспроизводимых углов ϕ_2-3 и ϕ_3-1 с последующим вычислением среднего значения

Проверка

Для проверки предлагаемого способа использовалось устройство, приведенное на фиг.1, где измеритель ослабления и фазового сдвига 7 состоит из фазометра Ф2-34 и измерителя ослабления Д1-24. Сигнал ПЧ частотой 6,5 МГц подавался с генератора 1 (Г4-201)

На фиг.4 точками обозначены разности фаз между вычисленными по формуле (6) и измеренными фазометром значения углов фазового сдвига. Сплошная линия отражает теоретические оценки погрешности определения угла согласно формуле (6). Учтена систематическая погрешность фазометра, равная 0,3°. Погрешность δA имеет значение не более 0,2%.

Способ определения погрешности измерения фазовых сдвигов, основанный на введении некалиброванного фазового сдвига во входной испытательный сигнал, подаваемый на вход поверяемого измерителя, аттестованного по погрешности измерения отношения амплитуд (ослабления), для формирования испытательного сигнала, подаваемого на измерительный вход поверяемого измерителя, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения фазовых сдвигов, расширения диапазона и количества формируемых фазовых сдвигов, увеличения производительности измерений, во входной испытательный сигнал, подаваемый на опорный вход измерителя, вводят фазовый сдвиг с изменением амплитуды, суммируют указанный сигнал с входным испытательным сигналом, чем задают три значения фазового сдвига, измеряют соотношение амплитуд суммируемых и суммарного сигнала на измерительном входе измерителя, по которым вычисляют три истинных значения фазовых сдвигов ϕ_2-3, ϕ_3-1, ϕ_2-1 по формулам

ϕ_2-1=ϕ_2-3+ϕ_3-1,

где A₁ - амплитуда входного испытательного сигнала;

А₂ - амплитуда испытательного сигнала с переменной амплитудой и фазовым сдвигом ϕ_2-1 относительно входного испытательного сигнала,

,

где А₃ - амплитуда суммы сигналов с амплитудами A₁ и А₂ и фазовым сдвигом ϕ_2-1,

,

причем для вычисления ϕ_2-1 используются значения ϕ_2-3, ϕ_3-1 на участке с минимальной погрешностью в диапазоне фазового сдвига от 0 до , а для дополнительного повышения точности определения истинной величины ϕ_2-1 могут использоваться суммы пар значений ϕ_2-3 и ϕ_3-1 вблизи значений с последующим усреднением, и определяют погрешность измерения фазового сдвига по разности истинных и измеренных поверяемым измерителем значений фазового сдвига.