КАЛИБРАТОР ФАЗЫ Российский патент 1994 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к фазовым измерениям между двумя электрическими сигналами, и может быть использовано для аттестации и поверки точной измерительной аппаратуры (фазометров, фазоиндикаторов, фазокомпараторов).

Известно устройство для воспроизведения угла фазового сдвига (УФС), содержащее опорный генератор, блок опорных частот, соединенный с двумя идентичными каналами, выполненными из последовательно соединенных блока синтеза частот, электронного коммутатора, узла биения частот, избирательного фильтра на выходе [1] . Недостатком этой установки является погрешность порядка 0,05^о в малом диапазоне частот от 0,001 Гц до 30 кГц.

Известно также техническое решение, которое является наиболее близким по технической сущности к изобретению - установка для воспроизведения УФС, реализующая способ дискретного задания фазового сдвига в широком диапазоне частот [2] . Установка содержит опорный генератор, блок опорных частот, подключенный к двум идентичным каналам, выполненным из блока синтезации частот и аттенюатора, коммутатора двух опорных частот, два элемента задержки, два элемента совпадения, два формирователя переходов, два триггера и счетчик. Недостаток ее, как показали исследования, заключается в погрешности порядка 0,03^о, вызванной тем, что существует паразитная связь между частотозадающими элементами двух каналов установки через провода, связанные с блоком опорных частот.

Цель изобретения состоит в том, чтобы повысить точность воспроизведения УФС в широком диапазоне частот.

Поставленная цель достигается тем, что в калибраторе фазы, содержащем опорный генератор, блок опорных частот, два фазозадающих канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные блок фазозадания, синтезатор частоты, преобразователь частоты и избирательный фильтр, вход блока опорных частот соединен с выходом опорного генератора, выходы блока опорных частот соединены с входами одного из фазозадающих каналов, между одноименными входами блоков фазозадания, синтезаторов частоты и преобразователей частоты обоих фазозадающих каналов включены блоки развязки, каждый из которых содержит последовательно соединенные усилитель высокой частоты и аттенюатор, коэффициенты передачи усилителя высокой частоты и аттенюатора в каждом блоке развязки удовлетворяют соотношению
К_у^. К_А = 1, где К_у, К_А - коэффициенты передачи соответственно усилителя и аттенюатора.

Узлы развязки, выполненные в виде последовательно соединенных линейного высокочастотного усилителя и аттенюатора, дают возможность по сравнению с известными техническими решениями значительно уменьшить влияние между фазозадающими каналами за счет уменьшения паразитной связи по цепи "выход-вход" узла развязки. Так как коэффициент усиления усилителя К_ус и коэффициент затухания аттенюатора К_з выбираются равными, общий прямой коэффициент передачи близок к единице, поэтому сигналы, поступающие в оба канала, не претерпевают изменений, а паразитная связь между каналами уменьшается в К_з раз по сравнению с развязками, состоящими только из усилителя с коэффициентом К_ус. Так как узлы развязки являются линейными развязывающими элементами с одинаковыми входными и выходными сопротивлениями, они не влияют на спектральный состав сигнала и не вносят дополнительной погрешности при задании фазового сдвига.

Наличие паразитной связи между каналами является одним из основных источников погрешности УФС. Уменьшение связи с помощью узлов развязки позволяет повысить точность воспроизведения УФС.

На фиг. 1 изображена функциональная схема калибратора фазы; на фиг. 2 - выполнение узла развязки.

Калибратор фазы содержит опорный генератор 1, соединенный с блоком 2 опорных частот и два идентичных канала 3. Каждый канал 3 содержит последовательно соединенные блок 4 фазозадания, синтезатор 5 частоты, преобразователь 6 частоты и избирательный фильтр 7. Выходы блока 2 опорных частот непосредственно подключены к двум входам блока 4 фазозадания, свободным входам синтезатора 5 частоты, второму входу преобразователя 6 частоты одного канала, а через узлы 8 развязки - к одноименным входам другого канала 3. Узлы 8 развязки выполнены в виде последовательно включенных усилителя 9 высокой частоты и аттенюатора 10. Опорный генератор 1, блок 2 опорных частот, синтезатор 5 частоты могут быть использованы от синтезатора частоты Ч6-31. В качестве опорного генератора 1 также может быть использован с более высокими техническими требованиями по стабильности частоты стандарт частоты Ч1-69. Блок 4 фазозадания предназначен для формирования сигнала управления фазовым сдвигом и выполнен из двух элементов задержки, двух идентичных формирователей переходов, схемы совпадения, D-триггера, RS-триггера, схемы "И" и программируемого счетчика импульсов и аналогичен описанному в [2] . Синтезатор 5 частоты предназначен для переключения частот, а также для задания фазового сдвига. Синтезатор 5 частоты аналогичен серийному синтезатору частоты Ч6-31. Преобразователь 6 частоты выполнен по кольцевой схеме преобразователя частоты с согласующими высокочастотными трансформаторами на диодах, например, КД 514, обеспечивающей подавление паразитных компонентов. Нагрузкой преобразователя 6 частоты служит избирательный фильтр 7. Избирательный фильтр 7 осуществляет селекцию полезных сигналов и выполнен в виде шестизвенного полуактивного фильтра. Узлы 8 развязки предназначены для подавления паразитных связей между каналами фазозадания. Для УР_кцелесообразно использовать два последовательно соединенных звена, каждое из которых состоит из усилителя высокой частоты, выход которого подключен к аттенюатору с затуханием, равным коэффициенту усиления усилителя в широком диапазоне частот (фиг. 2). Аттенюатор может быть изготовлен по схеме П-образного звена. Таким образом, суммарное ослабление паразитной связи между каналами при использовании двух звеньев будет составлять не менее 120 дБ, а УР₁...УР_к-1 - однозвенные.

Рассмотрим работу калибратора фазы и влияние погрешностей воспроизведения УФС.

От сигнала опорного генератора 1 в блоке 2 опорных частот получается ряд чистых гармонических сигналов с частотами
f₁ = nf_кг, f₂ = (n + 1) ^. f_кг, f₃ = (n + 2) ^.f_кг, ...

(1) f_i = (n + i)f_кг, ... f_к = (n + k) ^. f_кг, где n - коэффициент умножения частоты,
k - конечное значение ряда от 1 до 9, а также одна опорная частота f_оп = l ^. f_кг, где l = · n. Практически n = 30, f_кг = 10^-6 Гц, тогда при k = 9, l = 24. В синтезаторе 5 частоты формируется сигнал с частотой, изменяющейся во всех его преобразовательных устройствах от минимального значения
f_min = fl+ + + + ... + + ... + (2) до
f_max = fl+ + + + ... + + ... + , (3) где m - число смесителей-делителей (разрядов) в синтезаторе частоты,
р - значение коэффициента деления частоты на выходе разряда.

n₁₁ ÷ n_1m - коэффициент умножения частоты в первом разряде синтезатора частоты в зависимости от конечного значения ряда,
n_k1 ÷ n_km - коэффициент умножения частоты в К-ом разряде синтезатора частоты в зависимости от конечного значения ряда. Обычно р равно 10. Практически из возможности частотнодекадной организации набора частот m равно 9, а n₁₁ ÷ n_km находятся в пределах 3,0 + 3,9. На выходах каналов после преобразователя 6 частоты и избирательного фильтра 7 получается диапазон частот
f_вых = [f_min ÷ f_max] - f_n= + + ...

. . . + + ...+ - n · f_кг , (4) где f_n = nf_кг частота, подводимая ко вторым входам преобразователей 6 частоты от блока 2 опорных частот. Синтезатор 5 частоты работает на принципе переключения частот n₁mf_кг, n₂mf_кг на время Δt в смесителе-делителе (разряде). Таким образом, значение заданного УФС будет равно
Δϕ₃ = Δω·Δt = (ω₂-ω₁)·Δt = f_кг·Δt·2π . (5)
Погрешность УФС будет зависеть от:
неточности задания временного интервала Δt,
неточности установления значения частот,
временной нестабильности частот,
связи между каналами
δ ϕ=δ +δ ϕ_н+δ ϕ_вн+δ ϕ_св , (6)
δϕ_св = arctg + , (7) где γ₁₂ и γ₂₁ - коэффициенты проникновения сигнала из первого канала во второй и наоборот. При условии U_c1 = U_c2 и γ₁₂ = γ₂₁ = γ, то δ ϕ_св = arctg γ' = arctg 2 γ , (8) где γ' - коэффициент связи между каналами или между узлами каналов, т.е.

γ ′= γ_i , (9) где S - число узлов в каналах.

Рассмотрим уровень этих погрешностей:
δ ϕ Δt = 10^-3/p^m рад,
δ ϕ_н = 10^-7 рад для серийных синтезаторов,
δ ϕ_вн = 10^-9 ÷10^-8 рад для серийных синтезаторов,
δ ϕ_св = 0,114^о при γ'= 0,001 (1 мВ на уровне 1 В).

Отсюда следует, что связь между каналами является доминирующим источником погрешности. Для уменьшения ее влияния входы двух каналов 3 соединены между собой через узлы 8 развязки УР₁...УР_к. Эти узлы 8 развязки состоят из последовательно включенных усилителей 9 высокой частоты с коэффициентом усиления К_ус и аттенюатора 10 с коэффициентом ослабления К_осл. Узлы 8 развязки являются линейными развязывающими элементами, которые не вносят в сигнал дополнительных гармонических составляющих. Одинаковые входные и выходные сопротивления узлов 8 развязки обеспечивают согласование комплексных сопротивлений предыдущих и последующих высокочастотных цепей без искажения сигнала.

Коэффициент усиления усилителя 9 и коэффициент затухания аттенюатора 10 выбираются равными. Оптимальным является К_ус = 10 + 30, так как при этом коэффициенте усиления у усилителя 9 достигается наибольшая линейность амплитудно-частотной характеристики и наименьший уровень шума, что имеет решающее значение при фазозадании. Прямой коэффициент передачи узла 8 развязки равен
K_п = K_у·K_А = K_yc· = 1 , (10) где К_у - коэффициент передачи усилителя 9, равный К_ус,
К_А - коэффициент передачи аттенюатора 10, равный К_осл = 1/К_ус.

Предполагается, что усилитель 9 в узлах развязки охвачен глубокой обратной связью. Поэтому коэффициент обратной связи выход-вход определяется как
K_п(обратный) = Следовательно, при К_ус = К_осл, K_осл = . Таким образом, при К_п = 1 проникновение паразитных составляющих по цепи выход-вход ослабевает в К_осл раз больше, чем при применении просто усилителя. Амплитуды сигналов, поступающих в оба канала через узлы 8 развязки, не искажаются, так как К_п = 1, поэтому не требуется их дополнительной коррекции. Включение узлов 8 развязки при одинаковых сигналах на входах каналов 3 будет уменьшать связь между каналами 3 в К_рраз, где коэффициент развязки К_р равен
К_р = К_ус . К_осл = К_ус². (11) Например, при К_ус = К_осл = 10 следует, что К_р = К_ус² = 100 и погрешность от связи между каналами 3 фазозадания снижается с 0,114 до 0,0011^о.

Для увеличения развязки в цепях, где коэффициент паразитной связи между каналами фазозадания наибольший, например, на высокочастотных входах каналов, можно включить последовательно два узла развязки. Более двух узлов развязки, включенных последовательно, использовать нецелесообразно.

Данное решение было использовано в поверочной аппаратуре УФС. Исследования показали, что погрешность задания УФС снизилась до 0,005^о в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц.

Изобретение относится к фазовым измерениям и может быть использовано для поверки фазометров, фазоиндикаторов, фазокомпараторов. Калибратор фазы содержит опорный генератор 1, блок 2 опорных частот, два фазозадающих канала 3, каждый из которых содержит блок 4 фазозадания, синтезатор 5 частоты, преобразователь 6 частоты и избирательный фильтр 7. Введение в калибратор узлов 8 развязки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя и аттенюатора, позволяет повысить точность воспроизведения угла фазового сдвига за счет уменьшения взаимовлияния между фазозадающими каналами. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. КАЛИБРАТОР ФАЗЫ, содержащий опорный генератор, блок опорных частот, два фазозадающих канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные блок фазозадания, синтезатор частоты, преобразователь частоты и избирательный фильтр, вход блока опорных частот соединен с выходом опорного генератора, выходы блока опорных частот соединены с входами одного из фазозадающих каналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения угла фазового сдвига, в него между одноименными входами блоков фазозадания, синтезаторов частоты и преобразователей частоты обоих фазозадающих каналов включены блоки развязки, каждый из которых содержит последовательно соединенные усилитель высокой частоты и аттенюатор. 2. Калибратор по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты передачи усилителя высокой частоты и аттенюатора в каждом блоке развязки удовлетворяют соотношению
K_у · K_а = 1,
где K_у, K_а - коэффициенты передачи соответственно усилителя и аттенюатора.