ФАЗОМЕТР СИГНАЛОВ ВЫСОКОЙ ИЛИ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 1998 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к измерению фазового угла между электрическими напряжениями высокой или сверхвысокой частоты, в частности к фазометрам с управляемым фазовращателем на входе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является фазометр [1]
Известный фазометр содержит управляемый дискретный фазовращатель 0 - 90^o, фазовый детектор, коммутатор, функциональный преобразователь и блок синхронизации. Результат измерения определяется путем арктангенсного преобразования величин двух напряжений с выхода фазового детектора, полученных и запомненных в двух последовательных тактах работы, соответствующих двум состояниям управляемого фазовращателя 0 и 90^o.

В известном фазометре фазовый детектор выполняется по балансной схеме, содержащей блок суммы разности, два детектора огибающей с квадратичными характеристиками и блок вычитания напряжений (или сложения напряжений при противоположной полярности включения детекторов).

При любых нарушениях баланса в фазовом детекторе, например, из-за неидентичности или относительной нестабильности характеристик детекторов огибающей в известном фазометре возникают погрешности измерения. Для повышения чувствительности к уровню мощности входных сигналов в известном фазометре должно использоваться двухканальное усилительное устройство. Различие амплитудно-фазовых характеристик каналов усиления также приводит к погрешности измерения.

Технической задачей изобретения является повышение точности.

Поставленная техническая задача решается тем, что в фазометр, содержащий блок синхронизации, функциональный преобразователь, выход которого является выходом фазометра, и подключенные к первому входу фазометра последовательно соединенные первый управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен с первым выходом блока синхронизации, блок сложения сигналов, усилительное устройство, детектор огибающей, введены включенный между вторым входом фазометра и вторым входом блока сложения сигналов второй управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен со вторым выходом блока синхронизации, первый и второй синхронные накопители, входы которых соединены с выходом детектора огибающей, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя, и блок формирования квадратурных опорных сигналов, первый и второй входы которого соединены со входами соответственно первого и второго управляемых дискретных фазовращателей по сигналу управления, первый и второй выходы которого соединены со входами опорного сигнала первого и второго синхронных накопителей соответственно.

Работа предлагаемого фазометра поясняется блок-схемой и описанием принципа действия.

На блок-схеме обозначены 1 первый вход фазометра, 2 второй вход фазометра, 3 первый управляемый дискретный фазовращатель, 4 второй управляемый дискретный фазовращатель, 5 блок сложения сигналов, 6 - усилительное устройство, 7 детектор огибающей, 8 первый синхронный накопитель, 9 второй синхронный накопитель, 10 функциональный преобразователь, 11 блок формирования квадратурных опорных сигналов, 12 - блок синхронизации6 13 выход фазометра, 14 блок обработки.

К первому входу фазометра 1 подключены последовательно соединенные первый управляемый дискретный фазовращатель 3, блок сложения сигналов 5, усилительное устройство 6, детектор огибающей 7. Между вторым входом фазометра 2 и вторым входом блока сложения сигналов 5 включен второй управляемый дискретный фазовращатель 4. Входы первого и второго синхронных накопителей 8, 9 подключены к выходу детектора огибающей 7, а их выходы подключены к первому и второму входам функционального преобразователя 10, выход которого является выходом устройства 13. Первый и второй выходы блока синхронизации 12 соединены соответственно со входами по сигналу управления первого и второго управляемых дискретных фазовращателей 3, 4 и с первым и вторым входами блока формирования квадратурных опорных сигналов 11. Входы опорного сигнала первого и второго синхронных накопителей 8, 9 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 11.

Работа фазометра происходит циклами, состоящими из последовательных тактов. В каждом такте блок синхронизации 12 выдает определенную, отличную от других тактов, комбинацию целочисленных уставок n 0,1,2,3 и m 0,1,2,3, которые поступают на выходы по сигналам управления дискретных фазовращателей 3, 4 и входы блока формирования квадратурных опорных сигналов 11. Номинальные значения фазовых сдвигов, создаваемых управляемыми дискретными фазовращателями 3, 4, кратны π/2
γ₁ = nπ/2; γ₂ = mπ/2.
Изменение фазовых сдвигов γ₁, γ₂ вызывает изменение амплитуды сигнала на выходе блока сложения сигналов 5. Суммарный сигнал усиливается усилительным устройством 6 и детектируется по амплитуде детектором огибающей с квадратичной характеристикой 7.

Синхронные накопители 8 и 9 накапливают сигнал, поступающий с выхода детектора огибающей 7, за время цикла измерения с весами, определяемыми опорными сигнала C_n.m, S_n.m, поступающими из блока формирования квадратурных опорных сигналов 11. Опорные сигналы C_n.m, S_n.m, изменяются по трем дискретным уровням, соответствующим 1,0,-1. В блоке 11 обеспечивается однозначное соответствие между значениями целочисленных уставок n, m, поступающих на его входы, и уровнями опорных сигналов C_n.m, S_n.m, формируемых на его выходах, в соответствии с табл. 1а,б.

В общем случае квадратурные опорные сигналы C_n.m, S_n.m пропорциональны соответственно косинусу и синусу разности фазовых сдвигов γ₁, γ₂, создаваемых управляемыми дискретными фазовращателями.

Функциональный преобразователь 10 преобразует значения X, Y напряжений, поступающих на его входы от синхронных накопителей 8 и 9, в значение аргумента комплексного числа Z X + jY:

которое выдается на выход 13 фазометра как результат измерения разности фаз сигналов на входах 1, 2.

Принцип действия фазометра основан на использовании зависимости между амплитудой суммарного сигнала на выходе блока сложения сигналов 5 и разностью фаз сигналов на его входах, которая складывается из известной измеряемой величины ϕ разности фаз сигналов на входах фазометра 1, 2 и известной величины разности фазовых сдвигов g₁, γ₂, вносимых управляемыми дискретными фазовращателями. Эту зависимость можно представить формулой
A² = a21

При наличии необходимого набора значений γ₁, γ₂ уравнения вида (1) образуют систему уравнений, которая может быть решена относительно неизвестной измеряемой величины ϕ Наиболее простые решения имеют место при использовании значений g₁, γ₂ кратных π/2 что и принято в предлагаемом устройстве.

Векторные комбинации суммируемых сигналов, необходимые для реализации фазового детектирования, в предлагаемом фазометре формируются последовательно во времени. Суммарный сигнал усиливается одним и тем же усилителем и детектируется одним и тем же детектором огибающей, благодаря чему удается принципиально исключить эффекты разбаланса, присущие известным устройствам с двухканальным построением и повысить за счет этого точность измерения. Предполагается, что темп коммутации в предлагаемом устройстве достаточно высок для исключения динамических погрешностей измерения.

Возможны различные варианты конкретной технической реализации предлагаемого устройства и входящих в него блоков. Например, возможен вариант организации квазинепрерывного режима работы фазометра с многократным повторением рабочих циклов за время измерения. В этом случае синхронные накопители 8, 9 должны иметь постоянную времени накопления, существенно превышающую время цикла коммутации.

Блок синхронизации 12 в простейшем варианте может быть выполнен в виде формирователя тактовых импульсов и двоичного счетчика. Выходы разрядов двоичного счетчика в некотором произвольно устанавливаемом порядке поодиночно соединены с управляющими входами разрядов дискретных фазовращателей. Возможны и другие варианты выполнения блока синхронизации 12 при условии обеспечения взаимной ортогональности и сбалансированности на два дискретных уровня формируемых им сигналов.

Количество используемых комбинаций дискретных состояний фазовращателей 3, 4 и соответствующее ему число тактов в рабочем цикле фазометра может быть различным в различных вариантах технической реализации. Минимально необходимое число комбинаций (тактов) равно 4. Наибольшая точность измерений достигается в балансном варианте фазометра с использованием всех 16 комбинаций дискретных сдвигов фазы, кратных π/2 создаваемых двумя двухразрядными фазовращателями, включенными по двум входам устройства.

Блоки синхронных накопителей 8, 9, блок формирования квадратичных опорных сигналов 11, функциональный преобразователь 10 в совокупности представляют собой блок обработки 14 сигнала, поступающего с выхода детектора огибающей 7. Блок обработки, а также блок синхронизации 12 могут быть реализованы на базе цифрового микропроцессора. В этом случае по выходу детектора огибающей вводится аналого-цифровой преобразователь напряжение-код.

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: патентуемый фазометр сигналов высокой или сверхвысокой частоты содержит блок сложения сигналов, детектор огибающей, блок обработки, блок синхронизации и отличается тем, что в него введен по входу второй управляемый дискретный фазовращатель в дополнение к дискретному фазовращателю, имеющему в ранее известном устройстве. В последовательных тактах рабочего цикла устанавливаются разные комбинации вводимых управляемых фазовых сдвигов, которым соответствуют разные величины напряжений на выходе детектора огибающей. По их совокупности блок обработки формирует выходной отсчет фазометра. В патентуемом фазометре векторные комбинации, необходимые для фазового детектирования, формируются последовательно во времени и детектируются одним и тем же детектором огибающей. Благодаря этому удается исключить эффекты разбаланса, присущие известным устройствам с двумя параллельно включенными детекторами и повысить за счет этого точность измерения. 2 табл., 1 ил.

Фазометр сигналов высокой или сверхвысокой частоты, содержащий блок синхронизации, функциональный преобразователь, выход которого является выходом фазометра, и подключенные к первому входу фазометра, последовательно соединенные первый управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен с первым выходом блока синхронизации, блок сложения сигналов через первый вход, усилительное устройство, детектор огибающей, отличающийся тем, что в него введены включенный между вторым входом фазометра и вторым входом блока сложения сигналов второй управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен с вторым выходом блока синхронизации, первый и второй синхронные накопители, входы которых соединены с выходом детектора огибающей, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя соответственно, и блок формирования квадратурных опорных сигналов, первый и второй входы которого соединены с входами соответственно первого и второго управляемых дискретных фазовращателей по сигналу управления, первый и второй выходы которого соединены с входами опорного сигнала первого и второго синхронных накопителей соответственно, при этом сигналы на выходах блока синхронизации представляют собой комбинации целочисленных уставок, сигналы на первом и втором выходах блока формирования квадратурных опорных сигналов пропорциональны соответственно косинусу и синусу разности фазовых сдвигов, создаваемых управляемыми дискретными фазовращателями, сигнал ϕ на выходе функционального преобразователя определяется из выражения

где X и Y сигналы на его первом и втором входах соответственно.