Устройство измерения малых фазовых сдвигов

 

мтсеср,. латен-,ио те..., - .

Ф::б ио

О п и с А н- вт-е дд()БРЕ (11) 606142

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИД(;ТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительнпе к авт. свил-ву— (22) Заявлено 150775 (21) 2157223/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) Опубликовано 0505.78.Бюллетень ¹ 17 (45) Дата опубликования описания 190478 (51) М. Кл.

& 01 К 25 00

Гоеударстввнный номнтвт

Совета Мнннстров СССР но двнвм нвобрвтвннй н отнрытнй (53) УДКь21. 373.0) 7 (088.8) (72) Авторы изобретения

А.A.Ãoðëà÷ и Г.Е.Максимов

Pl) Заявитель (54) устРОт1стВО для измеРения мАлых фАзОВых

СДВИГОВ

Изобретение относится к электроизмерительной технике к высокочувствительным фазометрическим усилителям, предназначено для измерения малых фазовых сдвигов между двумя одинаковыми по амплитуде электрическими сигналами, интенсивность и частоты которых могут изменяться в широких пределах.

Известно устройство для измерения разности фаз гармонически слабых сиг- 10 налов, а также сигналов со случайными параметрами амплитудно-частотных характеристик, в котором применяется корреляционный метод обработки сигналов с помощью перемножителей и интег- 15 раторов.

Недостатком этого устройства является сложность схемы при широком диа- . пазоне частот входных сигналов вследствие применения сложного широкополостЮ ного фазовращателя.

Известно также устройство для измерения малых фазовых сдвигов, содержащее генератор накачки, буферный каскад и подключенный к его,. выходу фазо- 25 вый детектор lj .

Однако чувствительность данного устройства невелика.

Цель изобретения — повышение чувствительности устройства, ЗО

Для достижения этой цели в устройство для измерения малых фазовых сдвигов, содержащее генератор накачки, буферный каскад и подключенный к его выходу фазовый детектор, введены балансный емкостный мост, в двух соседних плечах которого установлены конденсаторы, а в двух других — индуктивность, образцовая индуктивность, две катушки связи, частотный детектор и блок деления, причем индуктивность и образцовая индуктивность подключены соответственно к диагоналям балансного емкостного моста, образуя первый и второй контуры, которые соответственно через первую и вторую катушки связи подключены к генератору накачки и буферному каскаду; выход генератора накачки присоединен ко второму входу фазового детектора и через частотный детектор — к первому входу блока деления, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.

Устройство для измерения малых фазовых сдвигов содержит балансный емкостный мост 1, образованный конденсаторами 2,3 и емкостями варикапов

4,5, генератор накачки 6, связанный чв606142

14, а также на выходе блока 16 деления двух напряжений напряжение практически равно нулю и определяется собственными шумами устройства и погрешностью балансировки моста.

При фазовом сдвиге, т.е. при 940, нарушается условие равновесия моста по фазе, и в колебательном контуре 10 появляется балансно-модулированный сигнал. Несущей частотой этого сигнала является частотно-модулированное напряжение генератора накачки. Огибающая указанного амплитудно-частотно-модулированного напряжения изменяется по закону балансно-модулированного сигнала, переходя через нуль в моменты равенства по величине и знаку мгновенных значений емкостей варикапов, так как при Я ф0 на основании (1) только в эти моменты времени выполняется условие равновесия моста по модулю и по фазе.

Амплитуда балансно-модулированного напряжения достигает максимума в моменты наибольшей разбалансировки моста. Как нетрудно убедиться на основании (1), это происходит в моменты, когда мгновенные значения емкостей варикапов 4 и 5 одинаковы по величине и противоположны по знаку.

В то же время частота генератора накачки при 0 достигает своих экстремальных значений в моменты равенства по величине и знаку мгновенных значений емкостей варикапов 4 и 5,и проходит через свое среднее значение (т.е, через значение частоты при отсутствии входных сигналов)при одинаковых по величине и противоположных по знаку переменных составляющих емкостей варикапов.

Таким образом, при фазовом сдвиге между входными сигналами закон изменения частоты генератора накачки и огибающая балансно-модулированного напряжения в контуре проходят свои экстремальные значения с фазовым сдвигом X/2.

При изменении знака измеряемого сдвига фаз между входными сигналами фаза несущей балансно-модулированного сигнала изменяется на X > В результате чего изменяется фаза огибающей на выходе фазового детектора 14. При этом мощность. частоты накачки, выделяемая в входном контуре 10 буферного каскада 13, превышает мощность источников входных сигналов, т.е. происходит параметрическое усиление мсщности сигнала фазового рассогласования. уравнения (1) представляют собой математическое выражение условия равновесия моста переменного тока по мо-. дулю и по фазе.

Если характеристики варикапов,4 и 5 идентичны и емкости двух других йлеч моста одинаковы условие (1) равновесия моста выполняется лишь при отсутствии фазового сдвига между входными сигналами, т.е. при (=О. При этом мост сбалансирован, напряжение между точками подключения индуктивности 11 отсутствует, и на выходе фазового детектора 65

Для небольшого сдвига фаз (+ 10+ о

+1-5 ) выходное напряжение частотного детектора 15 не зависит от сдвига фаз, а амплитуда огибающей на выходе фазового детектора 14 связана с фазовым сдвигом зависимостью, близкой к линейной. реэ катушку 7 с задающим контуром 8, образованным индуктивностью 9 и емкостью моста 1, контур 10, образованный образцовой индуктивностью 11 и емкостью моста 1, связанный через катуш- 5 ку 12 со входом буферного каскада 13, нагруженного фазовым детектором 14.

Второй вход детектора 14 соединен с выходом генератора накачки 6 и входом частотного детектора 15, выход которо- <0 го подключен ко входу блока 16 деления двух напряжений . Второй вход блока 16 соединен с выходом фазового детектора 14. Источник 17 является запирающим для варикапов 4 и 5. Выход бло- 15 ка деления двух напряжений является выходом. предлагаемого измерителя.

Сигналы E, (t ) и E2 (t), являющиеся когерентными колебаниями и отличающиеся друг от друга лишь относитель— ным фазовым сдвигом, т.е. E„(t) = E(t) (= e(.t«) прикладываются к варикапам 4 и 5. Изменение запирающих напряжений приводит к изменению емкостей р-g переходов этих диодов, в результате чего изменяются результирующие емкости моста 1.

Изменение емкости между точками подключения индуктивности 9 приводит к частотной модуляции напряжения накачки,30 а между точками подключения индуктивности к модуляции собственной резонансной частоты контура 10 буферного каскада 3. При этом собственная резонансная частота входного контура 10 35 буферного каскада 13 и частота генератора накачки 6 синфазно изменяются по закону, определяемому алгебраической суммой переменных составляющих емкостей варикапов 4 и 5. 40

Как известно, условие равновесия моста переменного тока имеет вид: 1 З = Е 2.

2 ч где Ê1- Š— комплексные сопротивления 45 плеч моста, причем 2 и Я, а также Я и Ч вЂ” диагонально расположенные сопротивления моста.

Для соблюдения этого. равенства необ-, ходимо, чтобы

Х1Кз Z2Z P + Ч Ь = 12+Ч (11 ч

606)42

Формула изобретения

Устройство для измерения малых фазовых сдвигов, содержащее генератор накачки, буферный каскад и подключен15 ный к его выходу фазовый детектор, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены балансный емкостный мост, в двух соседних плечах которого уста20 новлены конденсаторы,а в двух других . варикапы, индуктивность, образцовая индуктивность, две катушки связи, частотный детектор и блок деления, причем индуктивность и образцовая индуктивность подключены соответственно к диагоналям балансного емкостного моста, образуя первый и второй контуры, которые соответственно через первую и вторую катушки связи подключены к гене30 ратмиру накачки и буферному каскаду. выход генератора накачки присоединен ко второму входу фазового детектора и через частотный детектор — к первому входу блока деления, второй вход которого соединен с выходом фазового де35

3 тектора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР

Р 370545, (ф 01 Н 25/00, 1974.

Г Т

1

1 д

E, ft) + !7 у (!

ЦНИИПИ Заказ 2465/43 Тираж 1112 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Поэтому для небольшого сдвига фаэ можно принять: 1„= Х,Е (а)

Uz= Х2Е (Ъ) где,— амплитуда напряжения на выходе фазового детектора 14; амплитуда напряжения на выходе частотного детектора 15; P — - сдвиг фаз между законами изменения входных напряжений;

Е=Е -Е, — амплитудные значения входных сигналов; к и к — коэффициенты передачи соответствующих электронных трактов преобразования и усиления входных сигналов.

При гармонических входных сигналах для небольших значений сдвига фаз между ними выходные напряжения фазового детектора 14 и частотного детектора 15 также изменяются по закону, близкому к гармоническому.

Тогда выражения для указанных напряжений (2), (3) с учетом фазового сдвига между ними й/2 можно записать в виде: 0

U (Ф.) = K, VE М1 (9t л (4}

U2 (1) = tc> Е cas Я(., (5) причем 2 =0 при Ч< 0

ЛФ0 при f) D, где л.- частота входных сигналов.

Разделив (4) на (5), получим выражение для выходного напряжения блока 16 деления двух напряжений, т.е. для выходного напряжения предлагаемого устройства:

Ц6 „() 0 приg>0

11, (ф )<О при l< 0Таким образом, выходное напряжение при малых значениях измеряемого сдвига фаз пропорционально величине фазового сдвига и не зависит от амплитуды входных напряжений.