ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗОВЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ МАСШТАБНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК G01R35/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фазовых погрешности масштабных преобразователей, предназначенных для работы в широком частотном и динамическом диапазонах входных сигналов.

Прямое измерение фазовой погрешности масштабных преобразователей фазочувствительными устройствами (фазометрами) путем сравнения фаз входного и выходного сигналов контролируемого масштабного преобразователя затруднительно, так как фазометры имеют существенную фаза-амплитудную погрешность. Отделить ее от фазовой погрешности масштабного преобразователя в общем случае не представляется возможным [Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет. - 2002. - 352 с.].

Известно компенсационное устройство, содержащие образцовый и контролируемый делитель напряжения, фазовращатель и схемы сравнения фаз, фазовые сдвиги контролируемых делителей измеряют по отношению к образцовому делителю напряжения с помощью фазовращателя [Кушнир Ф.В., Савченко В.Г., Верник С.М. Измерения в технике связи. М.: Связь. - 1976. - 332 с.].

Отсутствие образцовых фазонесдвигающих делителей напряжения для широкого частотного диапазона не позволяет измерять малые фазовые сдвиги широкополосных делителей напряжения в широком диапазоне частот, что отражается на точности измерений.

Известно устройство для измерения сдвига фаз гармонических сигналов, содержащие формирователь импульсов, второй блок деления, блок дифференцирования, первый и второй блоки выборки и хранения, первый блок деления, первый и второй компараторы, тригонометрический преобразователь, источник опорного напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, сумматор с соответствующими связями (патент РФ №2103698, МПК G01R 25/00). Основной недостаток связан с тем, что данное устройство решает только задачу определения зависимости фазового сдвига четырехполюсников от частоты исследуемого сигнала, причем в килогерцовом диапазоне, где возможно измерение фазовых соотношений по мгновенным выборкам исследуемых сигналов.

Если масштабные преобразователи работают в частотном диапазоне, где измерение фазовых сдвигов возможно только с преобразованием частоты исследуемых сигналов, то собственная фаза-амплитудная погрешность преобразователя частоты является доминирующей, на уровне которой оценить собственную фазовую погрешность масштабного преобразователя практически невозможно.

В качестве наиболее близкого аналога взят фазометр [авторское свидетельство СССР №960657, МПК G01R 25/00]. Он содержит аттенюаторы, преобразователи частоты, избирательные усилители, усилители-ограничители, фазовые детекторы, элемент И, пересчетные элементы, реверсивный счетчик, цифровой регистрирующий блок, блок управления, кварцевый генератор, управляемые генераторы, делитель. В устройстве для исключения фаза-амплитудной погрешности преобразователей частоты, процесс измерения осуществляется с изменением частоты управляемого генератора (гетеродина) от ω_Г1=ω_ОП-ω_Р до ω_Г2=ω_ОП+ω_Р, где: ω_ОП - частота опорного сигнала, ω_Г - частота гетеродинного сигнала, ω_Р - частота разностного сигнала, и поскольку знак фаза-амплитудной погрешности преобразователей частоты не меняется (так как при изменение частоты управляемого генератора никаких изменений амплитуд сигнала не происходит), то сравнивая результаты двух измерений можно отделить фазовый сдвиг от собственной погрешности фазометра.

Однако при исследовании масштабного преобразователя кроме необходимости исключения фазовой погрешности преобразователей частоты возникает задача минимизации погрешности измерения фазового сдвига уже на промежуточной частоте, вследствие большого неравенства амплитуд входного и выходного сигналов масштабного преобразователя.

Таким образом, к недостаткам прототипа относятся недостаточная точность измерения фазовых погрешностей масштабных преобразователей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения фазовых погрешностей масштабных преобразователей.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый измеритель фазовых погрешностей состоит из управляемого источника испытательных сигналов, исследуемого масштабного преобразователя, первого преобразователей частоты, второго преобразователя частоты, первого и второго усилителя-ограничителей, фазового детектора, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора. Устройство снабжено дополнительным масштабным преобразователем и управляемым коммутатором сигналов.

Первый выход управляемого источника испытательных сигналов соединен со входом исследуемого масштабного преобразователя и сигнальным входом второго преобразователя частоты. Второй выход управляемого источника испытательных сигналов соединен с гетеродинным входами первого и второго преобразователя частоты. Выход исследуемого масштабного преобразователя соединен с сигнальным входом первого преобразователя частоты, выход которого через управляемый коммутатор сигналов подключен к входу первого усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к входу фазового детектора. Вход дополнительного масштабного преобразователя подключен к выходу второго преобразователя частоты, а его выходы подключены к входу управляемого коммутатора сигналов и к входу второго усилителя-ограничителя, выход которого подключен к входу фазового детектора. Выход первого преобразователя частоты соединен с входом управляемого коммутатора сигналов, выход которого подсоединен к входу первого усилителя-ограничителя.

Отличие предлагаемого измерителя фазовых погрешностей масштабного преобразователя от прототипа заключается в том, что в него дополнительно введены управляемый коммутатор сигналов и дополнительный масштабный преобразователь. Эти дополнительные элементы позволяют производить измерение фазовой погрешности, сравниваемых по фазе сигналов, предварительно выровненных по амплитуде за счет организации коммутационного алгоритма, обеспеченного имеющимися соответствующими соединениями, и соответственно исключить собственную фазовую погрешность измерителя, а, следовательно, повысить точность и достоверность измерения фазовой погрешности.

На чертеже представлена функциональная схема измерителя фазовых погрешностей масштабного преобразователя.

Измеритель фазовых погрешностей масштабного преобразователя 1 состоит из управляемого источника испытательных сигналов 1, первым выходом соединенный с исследуемым масштабным преобразователем 3. Первый преобразователь частоты 4 сигнальным входом соединен с исследуемым масштабным преобразователем 3, а затем последовательно с управляемым коммутатором сигналов 5, первым усилителя-ограничителя 6, фазовым детектором 7, микроконтроллером 8, жидкокристаллическим индикатором 9.

Управляемый источник испытательных сигналов 2 своим вторым выходом подключен к гетеродинному входу первого преобразователя частоты 4 и к гетеродинному входу второго преобразователя частоты 10, сигнальный вход которого подключен к первому выходу управляемого источника испытательных сигналов 2, а выход подключен к входу дополнительного масштабного преобразователя 11, выход которого подключен к входу управляемого коммутатора сигналов 5 и к входу второго усилителя-ограничителя 12, выход которого подключен к входу фазового детектора 7. Микроконтроллер 8 своими выходами подключен к входам управляемого источника испытательных сигналов 2 и управляемого коммутатора сигналов 5.

Измеритель фазовых погрешностей масштабного преобразователя работает следующим образом.

С первого выхода управляемого источника испытательных сигналов 2 измерителя фазовых погрешностей масштабного преобразователя 1 поступает опорный сигнал на исследуемый масштабный преобразователь 3, с выхода которого поступает сигнал на сигнальный вход первого преобразователя частоты 4, на гетерогенный вход преобразователя частоты 4 поступает гетеродинный сигнал со второго выхода управляемого источника испытательных сигналов 2. С выхода первого преобразователя частоты 4 сигнал разностной частоты поступает на первый вход управляемого коммутатора сигналов 5, на второй вход которого поступает сигнал с выхода дополнительного масштабного преобразователя 11, на вход которого с выхода второго преобразователя частоты 10 поступает сигнал разностной частоты, формируемый вторым преобразователем частоты 10, на сигнальный вход которого поступает опорный сигнал с первого выхода управляемого источника испытательных сигналов 2, а на гетеродинный вход поступает гетеродинный сигнал со второго выхода управляемого источника испытательных сигналов 2. С выхода управляемого коммутатора сигналов 5 сигналы поступают на первый усилитель-ограничитель 6, с выхода которого на первый вход фазового детектора 7. На другой вход фазового детектора 7 сигнал с выхода второго усилителя-ограничителя 12, на вход которого поступает сигнал с выхода дополнительного масштабного преобразователя 11. С выхода фазового детектора 7 сигнал, пропорциональный разности фаз поступает на вход микроконтроллера 8, с выхода которого, сигнал поступает на вход жидкокристаллического индикатора 9.

Измерение фазовых погрешности происходит за 2 цикла, каждый из которых состоит из 2 тактов и формируются по сигналам от микроконтроллера 8, поступающим на входы управляемого источника испытательных сигналов 2 и управляемого коммутатора сигналов 5.

В первом цикле измерения сигналы на входе исследуемого масштабного преобразователя 3, на гетеродинном входе первого преобразователя частоты 4 и на входе дополнительного масштабного преобразователя 11 имеют следующий вид:

$$\begin{array}{l}{U}_{ОП}\left(t\right)=U_{ОП}sin\left({\omega }_{ОП}t+{\varphi }_{ОП}\right)\\ U_{Г}\left(t\right)=U_{Г}sin\left({\omega }_{Г}t+{\varphi }_{Г}\right)\left(1\right)\\ U_P\left(t\right)=U_{P}sin\left({\omega }_{P}t+{\varphi }_P\right)\end{array}$$

где: U_ОП - амплитуда опорного сигнала, ω_ОП - частота опорного сигнала, φ_ОП - начальная фаза опорного сигнала, U_Г - амплитуда гетеродинного сигнала, ω_Г - частота гетеродинного сигнала, φ_Г - начальная фаза гетеродинного сигнала, U_P - амплитуда разностного сигнала, ω_P - частота разностного сигнала, φ_P - начальная фаза разностного сигнала. Частота гетеродинного сигнала ω_Г на втором выходе источника испытательных сигналов 2 устанавливается равной:

$${\omega }_{Г}={\omega }_{ОП}-{\omega }_{Р}\left(2\right)$$

Тогда, в первом такте первого цикла измерения на выходе фазового детектора 7 имеем:

$${\varphi }_1={\varphi }_{ИМП}+{\varphi }_{ПЧ}+\Delta {\varphi }_{ПЧ}-{\varphi }_{Д}+\Delta {\varphi }_f+\Delta {\varphi }_U\left(3\right)$$

где: φ_ИМП - измеряемый фазовый сдвиг исследуемого масштабного преобразователя; φ_ПЧ - фазовый сдвиг преобразователя частоты 4, обусловленный отличием амплитуды сигналов на сигнального и гетеродинного входах; Δφ_ПЧ - разность фазовых сдвигов преобразователей частоты при начальных уровнях сигналов на сигнальном и гетеродинном входе с учетом начальных фаз φ_Г и φ_ОП; φ_Д - фазовый сдвиг дополнительного масштабного преобразователя 10; Δφ_f - разность фазовых сдвигов усилителей-ограничителей, обусловленная неидентичностью их фазочастотных характеристик; Δφ_U - разность фазовых сдвигов усилителей-ограничителей, обусловленная неидентичностью из фаза-амплитудных характеристик.

Во втором такте первого цикла измерения с выхода дополнительного масштабного преобразователя 11 сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 12 и через управляемый коммутатор сигналов 5 на вход усилителя-ограничителя 6, и результат измерения на выходе фазового детектора 7 равен:

$${\varphi }_2=\Delta {\varphi }_f+\Delta {\varphi }_U\left(4\right)$$

Сравниваем результаты в обоих тактах за первый цикл измерения, имеем:

$${\varphi }_{Ц1}={\varphi }_1-{\varphi }_2={\varphi }_{ИМП}+{\varphi }_{ПЧ}+\Delta {\varphi }_{ПЧ}-{\varphi }_{Д}\left(5\right)$$

Во втором цикле измерения частота гетеродинного сигнала ω_Г на втором выходе источника испытательных сигналов 2 устанавливается равной:

$${\omega }_{Г}={\omega }_{ОП}+{\omega }_{Р}\left(6\right)$$

Тогда, в первом такте второго цикла результат измерения на выходе фазового детектора 7 будет вычислен по формуле:

$${\varphi }_3=-{\varphi }_{ИМП}+{\varphi }_{ПЧ}+\Delta {\varphi }_{ПЧ}-{\varphi }_{Д}+\Delta {\varphi }_f+\Delta {\varphi }_U\left(7\right)$$

Во втором такте второго цикла с выхода дополнительного масштабного преобразователя 11 сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 12 и через управляемый коммутатор сигналов 5 на вход усилителя-ограничителя 6, и результат измерения на выходе фазового детектора 7 будет определен как равный:

$${\varphi }_4=\Delta {\varphi }_f+\Delta {\varphi }_U\left(8\right)$$

Сравнивая результаты в обоих тактах второго цикла измерения имеем:

$$$$ $${\varphi }_{Ц2}={\varphi }_3-{\varphi }_4=-{\varphi }_{ИМП}+{\varphi }_{ПЧ}+\Delta {\varphi }_{ПЧ}-{\varphi }_{Д}\left(9\right)$$

Сравнивая результаты измерения первого и второго циклов измерения получаем:

$$\Delta {\varphi }_{Ц}={\varphi }_{Ц1}-{\varphi }_{Ц2}=2{\varphi }_{ИМП}\left(10\right)$$

Находим измеряемый фазовый сдвиг исследуемого масштабного преобразователя 3:

$${\varphi }_{ИМП}=\frac{1}{2}\Delta {\varphi }_{Ц}\left(11\right)$$

Таким образом, введение в схему измерения дополнительного масштабного преобразователя, позволяющего выровнять уровни исследуемых сигналов и управляемого коммутатора сигналов, реализующего коммутационный алгоритм работы измерителя фазовой информации, через соответствующие связи позволяет исключить фаза-амплитудную и фазочастотную погрешности усилителей-ограничителей и тем самым повысить точность измерения фазовых сдвигов масштабного преобразователя. Одновременно введение соответствующих циклов измерения в измерительный процесс позволяет исключить собственную фазовую погрешность дополнительного масштабного преобразователя. В целом указанные отличия позволяют решить задачу измерения фазовой погрешности масштабных преобразователей независящей от погрешности фазаизмерительного устройства.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к изобретениям.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фазовых погрешностей масштабных преобразователей, предназначенных для работы в широком частотном и динамическом диапазонах входных сигналов. Предлагаемый измеритель фазовых погрешностей состоит из управляемого источника испытательных сигналов, исследуемого масштабного преобразователя, первого и второго преобразователей частоты, первого и второго усилителей-ограничителей, фазового детектора микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора и снабжен дополнительным масштабным преобразователем и управляемым коммутатором сигналов. Введение дополнительных элементов и связи между всеми элементами обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении точности измерения фазовых погрешностей масштабного преобразователя. 1 ил.

Измеритель фазовых погрешностей, состоящий из управляемого источника испытательных сигналов, исследуемого масштабного преобразователя, первого и второго преобразователей частоты, первого и второго усилителя-ограничителей, фазового детектора, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора, отличающийся тем, что устройство снабжено дополнительным масштабным преобразователем и управляемым коммутатором сигналов, при этом первый выход управляемого источника испытательных сигналов соединен со входом исследуемого масштабного преобразователя и сигнальным входом второго преобразователя частоты, второй выход управляемого источника испытательных сигналов соединен с гетеродинным входами первого и второго преобразователей частоты, выход исследуемого масштабного преобразователя соединен с сигнальным входом первого преобразователя частоты, выход которого через управляемый коммутатор сигналов подключен к входу первого усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к входу фазового детектора, вход дополнительного масштабного преобразователя подключен к выходу второго преобразователя частоты, а его выходы подключены к входу управляемого коммутатора сигналов и к входу второго усилителя-ограничителя, выход которого подключен к входу фазового детектора, который своим выходом последовательно соединен с микроконтроллером и жидко-кристаллическим индикатором, кроме того микроконтроллер своими управляемыми выходами соединен с управляемым источником испытательных сигналов и управляемым коммутатором сигналов.