УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНЯТИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ И ФАЗОЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к микроминиатюризации и технологии радиоэлектронной аппаратуры и может быть использовано для контроля параметров усилителей при их производстве.

Известно устройство для измерения амплитудно-частотной характеристики усилителя со сложным режекторным фильтром (авторское свидетельство СССР №859962, МПК G01R 27/28, опубл. 30.08.81. Бюл №32), содержащее усилитель-ограничитель, генератор горизонтальной развертки, последовательно соединенные генератор качающейся частоты, сумматор, исследуемый усилитель, детектор, параллельно соединенные входами элементы задержек, выходы которых подключены к формирователям импульсов, генераторы синусоидального напряжения фиксированных частот, выходы которых параллельно подключены к сумматору, блок управления аттенюатором, управляемый аттенюатор, подключенный выходом к сигнальному входу осциллографического индикатора.

Недостатком устройства является низкая точность снятия амплитудно-частотной характеристики и невозможность снятия фазочастотной характеристики усилителей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для измерения разности фаз, реализующие компенсационный метод (Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: Учебн. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1985, с.216) и содержащее установочный и измерительный фазовращатели и индикатор фиксированного фазового сдвига.

Недостатком устройства является низкая точность снятия фазочастотной характеристики и невозможность снятия амплитудно-частной характеристики усилителей.

В основу изобретения поставлена задача расширить функциональные возможности устройства, а также повысить его точность снятия амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителей.

Данная задача решается в устройстве для снятия амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителей, которое содержит управляемый фазовращатель, согласно изобретению в него дополнительно введены последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, элемент НЕ, формирователь импульсов малой длительности, RS-триггер, блок определения фазы и индикатор фазы, а также двухпороговый компаратор и генератор пилообразного напряжения, выход которого связан с управляющим входом управляемого фазовращателя, блок формирования квадратурных сигналов, первый выход которого подключен к входной клемме испытуемого усилителя, а также ко входу формирователя прямоугольных импульсов, а второй выход связан с сигнальным входом управляемого фазовращателя, устройство автоматической регулировки коэффициента передачи, первый вход которого подключен к выходной клемме испытуемого усилителя, управляемый аттенюатор, сигнальный вход которого подключен к выходу управляемого фазовращателя, а управляющий вход и выход - соответственно к выходу и второму входу устройства автоматической регулировки коэффициента передачи, блок преобразования координат, первый и второй входы которого также подключены к выходам соответственно испытуемого усилителя и управляемого аттенюатора, компаратор, первый и второй источники опорного напряжения, амплитудный детектор, вход которого также связан с выходом управляемого аттенюатора, индикатор амплитуды, суммирующее и вычитающее устройства, первые входы которых объединены и подключены к выходу амплитудного детектора, вторые входы объединены и подключены к выходу первого источника опорного напряжения, а выходы связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора, сигнальный вход которого и вход индикатора амплитуды объединены и подключены к первому выходу блока преобразования координат, второй выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом второго источника опорного напряжения, а выход - со вторым входом RS-триггера.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 - эпюры, поясняющие принцип его работы: а - эпюры напряжения на первом выходе блока формирования квадратурных сигналов; б - эпюры напряжения на втором выходе блока формирования квадратурных сигналов; в - эпюры напряжения на выходе формирователя прямоугольных импульсов; г - эпюры напряжения на выходе элемента НЕ; д - эпюры напряжения на выходе формирователя импульсов малой длительности; е - эпюры напряжения на втором (фазовом) выходе блока преобразования координат; ж - эпюры напряжения на выходе компаратора; з - эпюры напряжения на выходе RS-триггера.

Устройство содержит блок формирования квадратурных сигналов 1, формирователь прямоугольных импульсов 2, испытуемый усилитель 3, управляемый фазовращатель 4, генератор пилообразного напряжения 5, элемент НЕ 6, устройство автоматической регулировки коэффициента передачи 7, управляемый аттенюатор 8, формирователь импульсов малой длительности 9, блок преобразования координат 10, амплитудный детектор 11, RS-триггер 12, компаратор 13, первый источник опорного напряжения 14, блок определения фазы 15, второй источник опорного напряжения 16, суммирующее устройство 17, вычитающее устройство 18, индикатор фазы 19, индикатор амплитуды 20 и двухпороговый компаратор 21.

В устройстве последовательно соединены формирователь прямоугольных импульсов 2, элемент НЕ 6, формирователь импульсов малой длительности 9, RS-триггер 12, блок определения фазы 15 и индикатор фазы 19, а также двухпороговый компаратор 21 и генератор пилообразного напряжения 5, выход которого связан с управляющим входом управляемого фазовращателя 4. Первый выход блока формирования квадратурных сигналов 1 подключен к входной клемме испытуемого усилителя 3 и входу формирователя прямоугольных импульсов 2. Второй выход блока формирования квадратурных сигналов 1 подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя 4. Первый вход устройства автоматической регулировки коэффициента передачи 7 подключен к выходной клемме испытуемого усилителя 3. Сигнальный вход управляемого аттенюатора 8 подключен к выходу управляемого фазовращателя 4. Управляющий вход и выход управляемого аттенюатора 8 подключены соответственно к выходу и второму входу устройства автоматической регулировки коэффициента передачи 7. Первый и второй входы блока преобразования координат 10 также подключены к выходам соответственно испытуемого усилителя 3 и управляемого аттенюатора 8. Вход амплитудного детектора 11 также связан с выходом управляемого аттенюатора 8. Первые входы суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 объединены и подключены к выходу амплитудного детектора 11, а их вторые входы объединены и подключены к выходу первого источника опорного напряжения 14. Выходы суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора 21. Сигнальный вход последнего и вход индикатора амплитуды 20 объединены и подключены к первому (амплитудному) выходу блока преобразования координат 10. Второй (фазовый) выход блока 10 подключен к первому входу компаратора 13, второй вход которого связан с выходом второго источника опорного напряжения 16, а выход - со вторым входом RS-триггера 12.

Устройство работает следующим образом. На первом и втором выходах блока формирования квадратурных сигналов 1 формируются гармонические сигналы одинаковой амплитуды напряжения U₁ и одинаковой частоты f, но сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90°. Синусоидальный сигнал (U₁sinωt, где ω=2πf) с первого выхода блока 1 (U_1-1, фиг.2,а) поступает на вход испытуемого усилителя 3. Косинусоидальный сигнал (-U₁cosωt=U₁sin(ωt-90°)) со второго выхода блока 1 (U_1-2, фиг.2, б) поступает на сигнальный вход управляемого фазовращателя 4.

С изменением частоты блока формирования квадратурных сигналов 1, из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик испытуемого усилителя 3 и управляемого фазовращателя 4, изменяются амплитуды их выходных напряжений, причем неодинаково. Для исключения этого выходное напряжение управляемого фазовращателя 4 поступает на сигнальный вход управляемого аттенюатора 8, а выходные напряжения испытуемого усилителя 3 и управляемого аттенюатора 8 подают соответственно на первый и второй входы устройства автоматической регулировки коэффициента передачи 7. Последнее сравнивает амплитуды этих выходных напряжений и формирует на своем выходе постоянное напряжение. Оно поступает на управляющий вход аттенюатора 8 и поддерживает амплитуду выходного напряжения управляемого аттенюатора 8 (U₈) равной амплитуде выходного напряжения испытуемого усилителя 3 (U₈=U₃) независимо от частоты.

С изменением частоты блока формирования квадратурных сигналов 1 меняется также фазовый сдвиг выходного напряжения испытуемого усилителя 3 (относительно его входного напряжения). При этом нарушается ортогональность выходных напряжений испытуемого усилителя 3 и управляемого аттенюатора 8. Необходимое изменение фазы напряжения на втором выходе блока формирования квадратурных сигналов 1, равное фазовому сдвигу φ выходного напряжения испытуемого усилителя 3 на частоте f и восстанавливающее указанную ортогональность, осуществляется управляемым фазовращателем 4. Для этого генератор пилообразного напряжения 5 (на основе последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов, элемента И и счетчика, а также ЦАП и компаратора) формирует пилообразный сигнал. Он поступает на управляющий вход фазовращателя 4, увеличивая фазовый сдвиг его выходного напряжения до тех пор, пока напряжения на выходе испытуемого усилителя 3 и управляемого аттенюатора 8 не станут ортогональными. Эти напряжения одинаковой амплитуды (U=U₈=U₃) поступают соответственно на первый и второй входы блока преобразования координат 10, который осуществляет их перевод из прямоугольной системы координат в полярную. На первом (амплитудном) выходе блока 10 формируется постоянное напряжение , которое несет информацию об измеряемой амплитуде выходного сигнала усилителя 3. Оно поступает на сигнальный вход двухпорогового компаратора 21 и вход индикатора амплитуды 20.

Одновременно с этим амплитудный детектор 11 преобразует амплитуду выходного переменного напряжения аттенюатора 8 в постоянное напряжение, равное U, которое поступает на первые входы суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18. На вторые входы этих устройств поступает напряжение небольшой величины с выхода первого источника опорного напряжения 14.

На выходах суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 образуются постоянные напряжения, задающие соответственно верхнюю и нижнюю границы области допустимых значений напряжения, формирующегося на первом (амплитудном) выходе блока преобразования координат 10 в момент восстановления ортогональности напряжений на его входах. Необходимость введения такой зоны допуска связано с тем, что напряжение на первом (амплитудном) выходе блока 10 в указанный момент времени может приближаться к искомому U по уровню как сверху, так и снизу.

Выходные напряжения суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 поступают соответственно на первый и второй пороговые входы двухпорогового компаратора 21.

Если напряжение на первом (амплитудном) выходе блока преобразования координат 10 лежит в заданной зоне допуска (когда формирование ортогональных напряжений на его входах завершено), то на выходе двухпорогового компаратора 21 формируется логическая «1», в противном случае - логический «0». Напряжение с выхода двухпорогового компаратора 21 поступает на вход генератора пилообразного напряжения 5. При наличии логического «0» на входе генератора 5 рост пилообразного напряжения на его выходе продолжается, а при наличии логической «1» - прекращается. В последнем случае изменение разности фаз, вносимое управляемым фазовращателем 4, также прекращается.

Синусоидальный сигнал U₁sinωt с первого выхода блока формирования квадратурных сигналов 1 (U_1-1, фиг.2, а) поступает также на вход формирователя прямоугольных импульсов 2, с выхода которого (U₂, фиг.2, в) на вход элемента НЕ 6 поступает сигнал прямоугольной формы. На выходе элемента НЕ 6 образуется его инвертированный сигнал (U₆, фиг.2, г). Последний поступает на вход формирователя импульсов малой длительности 9, на выходе которого по фронту входного сигнала формируется прямоугольный импульс малой длительности (U₉, фиг.2, д). Этот импульс поступает на первый вход (S - вход) RS-триггера 12 и устанавливает его в единичное состояние (U₁₂, фиг.2, з).

Одновременно с получением напряжения на первом (амплитудном) выходе блока преобразования координат 10 (когда формирование ортогональных напряжений на его входах завершено) на его втором (фазовом) выходе формируется спадающее пилообразное напряжение (U_10-2, фиг.2, е). Компаратор 13 сравнивает это напряжение с выходным напряжением второго источника опорного напряжения 16. Последнее выбирается немного меньше максимального напряжения на втором (фазовом) выходе блока преобразования координат 10, соответствующего максимуму спадающего пилообразного сигнала в точке разрыва (U₁₆, фиг.2, е). На время превышения первым входным напряжением компаратора 13 уровня второго на его выходе формируется прямоугольный импульс (U₁₃, фиг.2, ж). Этот импульс поступает на второй вход (R - вход) RS-триггера 12 и устанавливает его в нулевое состояние (U₁₂, фиг.2, з).

При помощи управляемого фазовращателя 4 обеспечивается необходимое изменение разности фаз его входного и выходного напряжений, равное фазовому сдвигу испытуемого усилителя 3. Это эквивалентно восстановлению ортогональности выходных напряжений испытуемого усилителя 3 и управляемого аттенюатора 8. Тем самым создается задержка τ формирования спадающего пилообразного напряжения на втором (фазовом) выходе блока преобразования координат 10. Таким образом, на выходе RS-триггера 12 формируется прямоугольный импульс (U₁₂, фиг.2, з), в котором соотношение τ/Т несет информацию о фазовом сдвиге испытуемого усилителя 3. Импульсный сигнал с выхода RS-триггера 12 поступает на вход блока определения фазы 15. Блок 15 формирует постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу усилителя (φ=2πτ/Т), которое снимается с помощью индикатора фазы 19.

В дальнейшем, увеличивая частоту f блока формирования квадратурных сигналов 1 и сохраняя рост выходного напряжения генератора пилообразного напряжения 5, находят соответствующие значения амплитуды выходного сигнала U_A и фазового сдвига φ испытуемого усилителя 3 и строят его амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики.

Преимуществами устройства по сравнению с прототипом, являются расширенные функциональные возможности устройства и повышенная точность снятия амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителей. Они достигаются путем выравнивания и формирования ортогональности выходных напряжений испытуемого усилителя и управляемого аттенюатора в широком диапазоне частот с последующим преобразованием их из прямоугольной системы координат в полярную. Это делает процесс снятия амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителя независимым от значения его фазового сдвига.

Изобретение относится к области микроминиатюризации и технологии радиоэлектронной аппаратуры и может быть использовано для контроля параметров усилителей при их производстве. Техническим результатом выступает повышение точности снятия амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителя. Технический результат достигается путем выравнивания и формирования ортогональными выходных напряжений испытуемого усилителя и управляемого аттенюатора в широком диапазоне частот с последующим преобразованием их из прямоугольной системы координат в полярную. Устройство для снятия амлитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителей содержит блок формирования квадратурных сигналов 1, формирователь прямоугольных импульсов 2, испытуемый усилитель 3, управляемый фазовращатель 4, генератор пилообразного напряжения 5, элемент НЕ 6, устройство автоматической регулировки коэффициента передачи 7, управляемый аттенюатор 8, формирователь импульсов малой длительности 9, блок преобразования координат 10, амплитудный детектор И, RS-триггер 12, компаратор 13, первый источник опорного напряжения 14, блок определения фазы 15, второй источник опорного напряжения 16, суммирующее устройство 17, вычитающее устройство 18, индикатор фазы 19, индикатор амплитуды 20 и двухпороговый компаратор. 21. 2 ил.

Устройство для снятия амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик усилителей, содержащее управляемый фазовращатель, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, элемент НЕ, формирователь импульсов малой длительности, RS-триггер, блок определения фазы и индикатор фазы, а также двухпороговый компаратор и генератор пилообразного напряжения, выход которого связан с управляющим входом управляемого фазовращателя, блок формирования квадратурных сигналов, первый выход которого подключен к входной клемме испытуемого усилителя, а также ко входу формирователя прямоугольных импульсов, а второй выход связан с сигнальным входом управляемого фазовращателя, устройство автоматической регулировки коэффициента передачи, первый вход которого подключен к выходной клемме испытуемого усилителя, управляемый аттенюатор, сигнальный вход которого подключен к выходу управляемого фазовращателя, а управляющий вход и выход - соответственно к выходу и второму входу устройства автоматической регулировки коэффициента передачи, блок преобразования координат, первый и второй входы которого также подключены к выходам соответственно испытуемого усилителя и управляемого аттенюатора, компаратор, первый и второй источники опорного напряжения, амплитудный детектор, вход которого также связан с выходом управляемого аттенюатора, индикатор амплитуды, суммирующее и вычитающее устройства, первые входы которых объединены и подключены к выходу амплитудного детектора, вторые входы объединены и подключены к выходу первого источника опорного напряжения, а выходы связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора, сигнальный вход которого и вход индикатора амплитуды объединены и подключены к первому выходу блока преобразования координат, второй выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом второго источника опорного напряжения, а выход - со вторым входом RS-триггера.