Устройство для измерения параметров резонансных контуров Советский патент 1984 года по МПК G01R27/26 

генератором, перестраиваемым по частоте,

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формирования модуля второй производной содержит два сумматора, три полосовых фильтра, два фильтра нижних частот, четыре синхронных KONiMyTaTopa, три делителя частоты, а также преобраЗОватель переменного напряжения в постоянное и автоколебательный генератор импульсов, причем информационные входы первого и второго синхронных коммутаторов подключены к выходу первого полосового фильтра, а выходы соединены соответственно через первый и второй фильтры нижних частот с информационными входами соответственно Третьего и четвертого синхронных коммутаторов, выходы которых соединены с разделительными входами первого сумматора, выход,,последнего через второй пслосовой фильтр соеди- нен с входом преобразователя переменного напряжения в постоянное и

одним из входов второго сумматора, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, соответствующие управляющие входь первого и третьего синхронных коммутаторов подключены к прямому и инверсному i выходам первого делителя частоты, а второго- и четвертого синхронных коммутаторов - к аналогичным выходам второго делителя частоты, входы пер,вого и второго делителей частоты подключены раздельно к прямому и инверсному выходам автоколебательного генератора импульсов, вход ; третьего делителя частоты подключен к одному из выходов первого делителя частоты, а один из выходов к входу третьего полосового фильтра при этом второй вход второго сумматора является входом блока формирования модуля второй производной, а выходы преобразователя переменного нсшряжения в постоянное и третьего полосового фильтра являются его соответственно первыми вторым выходами

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАНСНЫХ КОНТУРОВ, содержащее частотный модулятор, соединенный с первым генератором, перестраиваемым по частоте, исследуемый контур, соединеннЕлй с амплитудным демодулятором, а также последовательно соединенные второй генератор, перестраиваемый по частоте, блок вычисления отнсжгения частот и, частотомер, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены блок формирования модуля второй производной, суммирующий блок, преобразователь напряжений, управляемый аттенюатор, нормирующий усилитель, первый и второй пиковые детектора, первый и второй сравнивающие блоки, блок опорных напряжений, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый и второй ограничители импульсов, элемент ИЛИ и осциллографический индикатор, а также последовательно соединенные третий генератор, перестраиваемый по частоте, преобразователь частоты, частотно-фазовый колтаратор, импульсный дифференциатор и парафазный усилитель, причем прямой и инверсный выходы парафазного усилителя соответственно через первый и втараЛ ограничители импульсов соединены с разделительными входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с модулятором осциллографического индикатора, вход вертикального отклонения которого подключен к первому выходу блока формирования модуля второй производной, соединенному с входом первого пикового детектора, а вход горизонтального отклонения - к выходу преобразователя напряжений, соединенному с одним из входов суммирующего блока, второй вход последнего подключен к второму выходу блока формирования модуля второй производной, а выход - к модуляционному входу частотного модулятора, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты и информационным входом управляемого аттенюатора, выход § первого пикового детектора соединен W С с одним из входов первого сравнивающего блока, второй вход которого подключен к одному из вьйодрв блока опорных напряжений, а выход - к управляющему входу нормирующего усили- 2 теля, выход которого соединен с вхо(дом блока формирования модуля второй производной, а информационный вход с первым выходом амплитудного демоо дулятора, второй выход которого посредством второго пикового детектора соединен с одним из входов второго сравнивающего блока, второй вход коS5 торого подключен к второму выходу блока опорных напряжений, а выход к управляющему входу управляемого аттенюатора,.выход которого соединен с входом исследуемого контура, кроме того, второй вход частотно-фазового компаратора посредством делителя частоты с переменным коэффициенте деления подключен к выходу второго генератора, перестраиваемого по частоте, соединенному с вторым входом част птомера, а второй вход блока вычисления отношения частот и третий вход частотомера подключены к выходу третьего генератора, перестраиваемого по частоте, сопряженного с первым

Изобретение относитсл к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения добротности, полосы пропускания и ре; онансной частоты колебательных систем с повышенной точностью и может быть использовано .для измерения емкости, индуктивности тангенса угла потерь различных элементов ,

Известно устройство для измерения добротности колебательных контуров, основанное на исследовании в окрестности резонансной частоты перехода через нуль первой производной и соотношения вторых производных по частоте от амплитудно-частотной характеристики контура и содержащее генеpeiTop, перестраиваемый по частоте, частотный модулятор, исследуел1ый контур, амплитудный демодулятор, блок измерения второй производной по частоте, состоящий из трех .синхронных демодуляторов, аттенюатора, суммирующего и вычитающего блоков, генератор ступенчатого напряжения., регулируемы усилитель, четвертый синхронный демодулятор, второй суммирующий блок, второй и третий аттенюаторы, второй вычитающий блок, сравнивающий блок, переключатель, устройство поиска резонансной частоты, состоящее из блока измерения первой производной по частоте, сравнивающего блока и блока управления, а также индикатор, содержащий преобразователь амплитудачастота, блок вычисления отношения частот и частотомер Сц,

Однако это устройство не обеспечивает требуемой точности измерений параметров резонансных контуров в особенности низкодобротных из-за неточности настройки в. резонанс исследуемого контура с помощью первой производной по частоте от амплитудночастотной характеристики и, следовательно, возникновения погрешностей в определении резонансной частоты и связанных с ней искомых параметров.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения добротности колебательных контуров, основанное на использовании координат точек перехода через нуль первой и второй производных по частоте от амплитудночастотной характеристики исследуемого контура и содержащее два генератора, перестраиваемых по частоте, частотный модулятор, исследуемый контур, амплитудный демодулятор, блок поиска резонансной частоты, состоящий из блока измерения первой производной и нуль-органа, блок измерения второй производной, второй нуль-орган, два запоминающих блока, блок управления, ключ и блок вычисления отношения частот с частотомером С 21.

Однако известное устройство обладает низкой точностью измерений, так как наряду с недостатком устройства t.11 ему присущи и другие, не позволяющие принципиально достичь высокой точности измерений параметров резонансных контуров. Использование в устройстве операции косвенного выделения первой и второй производных не обеспечивает высокой точности фиксации моментов перехода через нуль данных производных. Это связано с тем, что в процессе измерений не удается точно выдерживать значения коэффициентов при производных из-за невозможности обеспечения в диапазон частот стабильной скорости изменения частоты перестраиваемых генераторов. Алгоритм работы устройства таков, чт цепи обратных связей систем авторегулировки частоты перестраиваемых генераторов на некоторое время разрываются, что приводит к неконтролируемому уходу относительно собственной резонансной частоты исследуемого контура частот перестраиваемых генераторов и, следовательно, искажению информации об искомых параметрах.

Цель изобретения - повышение точности измерений параметров резонансных контуров.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров резонансных контуров, содержащее частотный модулятор, соединенный с первым генератором, перастраиваемым по частоте, исследуег«лй контур, соединенный с амплитудным демодулятором, а также последовательно соединенные второй генератор, перестраиваемый по частоте, блок вычисления отношения частот и частотомер, введены блок фо 4ирования модуля второй производной, суммирующий блок, преобразователь напряжений, управляемый аттенюатор, нор мирукяций усилитель, первый и второй пиковые детектора, первый и второй сравнивающие блоки, блок опорных напряжений, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый и второй ограничители импульсов, элемент ИЛИ и осциллографический индикатор, а также последовательно соединенные третий генератор, перестраиваемый по частоте, преобразователь частоты, частотно-Фазовый компаратор, импульсный дифференциатор и парафазный усилитель, причем прямой и инверсный выходы парафазного усилителя соответственно через первый и второй ограничители импульсов соединены с раздельными входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с модулятором осциллографического индикатора, вход вертикального отклонения которого подключен к первому

выходу блока формирования модуля второй производной, соединенному с входом первого пикового детектора, а вход горизонтального отклонения - к выходу преобразователя напряжений, соединенному с одним из входов суммирующего блока, второй вход последнего подключен к второму выходу блока формирования модуля второй производной, а выход - к модуляционному входу частотного модулятора, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты и информационным входом .управляемого) аттенюатора, выход первого пикового детектора соединен с одним из входов первого сравнивающего блока, второй вход которого подключен к одному из выходов блока опорных напряжений, а выход - к управляющему входу нормирующего усилителя, выход которого соединен с входом блока формирования модуля второй производной, а информационный вход - с первым выходом ама литудного демодулятора, второй выход которого посредством второго пикового детектора соединен с одним из входов второго сравнивакядего блока, второй вход которого подключен к второму выходу блока опорных напряжений, а выходз - к управляющему входу управляемого аттенюатора, выход которого соединен с входом исследуемого контура, кроме этого второй вход частотно-фазового компаратора посредством делителя частоты с переменным коэффициентом деления подключен к выходу второго генератора, перестраиваемого по частоте, соединенному с вторым входом частотомера, а второй вход блока вычисления отношения частот и третий вход частотомера подключены к выходу третьего генератора перестраиваемого по частоте, сопряженного с первым reHejJaTopOM, перестраиваемым по частоте,

Причем блок формирования модуля второй производной содержит два сумматора, три полосовых фильтра, два фильтра НИ.ЖНИХ частот, четыре синхронных коммутатора, три делителя частоты, а также преобразователь переменного напряжения в постоянное и автоколебательный генератор импульсов, причем информационные входы первого и второго синхронных коммутаторов подключены к выходу первого полосового фильтра, а выходы - соответственно через первый и второй фильтры нижних частот соединены с информационными входами соответственно третьего и четвертого синхронных коммутаторов, выходы которого соединены с раздельными входами первого сумматора, выход последнего через второй полосовой фильтр соединен с входом преобразователя переменного напряжения в постоянное и одним из входов второго сумматора, выход ко- , торого соединен с входом первого полосового фильтра, соответствующие управляющие входы первого -и третьего синхронных коммутаторов подключены к прямому и инверсному выходам первого делителя частоты, а второго и четверторого синхронных коммутаторов .- к аналогичным выходам второго делителя частоты, входы первого и второго делителей частоты подключены раздельно к прямому и инверсному выходам автоколебательного генератора импульсов, вход третьего делителя частоты подключен к одному из выходов первого делителя частоты, а один из выходов - к входу третьего полосового фильтра, при этом второй вход второго сумматора является входом блока формирования модуля второй производной, а выходы преобразователя переменного напряжения постоянное и третьего полосового фильтра являются его соответственно первым, и вторым выходами. Теоретические основы сущности - ; изобретения состоят в следующем. Из общей радиотехники известна достаточно точная аппроксимация нормированной амплитудно-частотной характеристики резонансного контура

иС(я

1

(1).

(i-Jf; i

где и - напряжение на контуре; ( круговая частота иЭо и О,- резонанс- 35 ная частота и добротность контура coi ответственно;

и(аоо е.й ,

(2

где - синусоидальное напряжение, вводимое В исследуемый контур.

Нормированная вторая производная по частоте от амплитудно-частотной характеристики (1) имеет вид

Жи: (btMJM) (.

VUд. . ) г . -, . . Ы ) 2 С аЧ1-М)Т

QtoV где вторая производная на резонансной частоте 0(-.vДля отыскания координат точек пе рехода второй производной через нул необходимо уравнение (3) приравнять нулю, т.е. выполнить условие «N2/..0 (-S-f(3

с определенной погрешностью соотношение (8) можно упростить .и представить в виде

b;,2

а)4 -tt)i

(Я)о

1-iaCMii.i baVm iol) (№, 2-/7(а)гй)

40 при этом резонансная частота

(а i-(sA-2

(10) О). 2 а полоса пропускания на уровне 0,707

По.эд ((г

11) Соотношение (5) представляет собой уравнение восьмой степени, решение которого в аналитической форме составляет известную трудность. Для упрощения решения данное уравнение с определенной степенью точности можно аппроксимировать квадратической параболой a4 -§f- Отсюда координаты точек перехода второй производной через нуль удовлетворяют условию Уравнение (6) позволяет реализовать метод измерения: по координатам точек перехода второй производной (7) оценить искомые параметры резонансных контуров Yidi- M) l/SfK C JD Использованные вьпие ограничения, связанные с аппроксимациями двух функциональных зависимостей (5) и (8), благотворно сказываются на результате измерений, так как квадратическая аппроксимация (6) дает заниженную разность частот, заключенную между координатами точек перехода второй производной через нуль, что соответствует измеряемой добротности с избытком по сравнению с истинным значением, а линейная аппроксимация (9) вызывает отклонение искомой добротности с недостатком (полосы пропускания с избытком). Действительно, ошибку, допущенн при переходе от зависимости (5) к (6) вблизи точек перехода через ну второй производной, можно оценить следующим образом: Piw, .-а V-|:Hef a -if( При прямой подстановке значений частот В соответствии с соотн шением (7), первое слагаемое право части (12) при Q- приводит к неоп деленности вида , и дли ее раск тия необходимо воспользоваться пра лом Лопиталя BcfO- ) л . 3 w. (-& abi-A.L (й-Г-ЛО Погрешность линеаризации, связая ную с переходом от (8) к (9), представим в виде; -Sl /VfT f- Cl Так как интерес представляет пог решность (14) вблизи точек перехода второй производственной через нуль, то следует учесть (7) и тогда ГГ / А . (. 11:1 -1г1Жз/л -А. (1 го дпГ5лл Допущенное здесь приближение оц вается погрешностью (-Ш-G) , которая для а 2 примерно равна +2,4 и при Q 10 не превышает +0,07%. ьезультирукяцую погрешность предк гаемого метода измерения параметров резонансных контуров, характеризую уюся по существу разностью значени функциональных зависимостей (13) и (15), можно достаточно точно описать следующим соотнсяиением:.5,. 64Q«-Z&V2 Как следует из (16), даже при малых QLметодическая погрешность окаэыБается незначительной по величине, что определяет несомненные преимущества метода измерения параметров резонансных контуров по сравнению с известными. Предлагаемое устройство, основанное на использовании рассмотренного Ь етода измерения параметров резонансных контуров, осуществляет в соответствии с установленными взаимосвязами (9...11) определение резонансной частоты (10) как среднеарифмети еское .частот (7), соответствующих координатам -точек перехода через нуль второй производной (3) от амплитудно-частотной характеристики (1) исследуемого контура, полосы пропускания (11) как /г разности этих частот, а добротности (9) - как отношение данных параметров, причем высокоточная фиксация указанных частот и результатов их обработки, реализуемая пр млагаемой совокупностью признаков изобретения, обеспечивает по сравнению с известным существенное повышение точности измерения искомых параметров. На фиг, 1 представлена структурная схема устройства для измерения параметров резонансных контуров; на фиге 2 - структурная схема блока формирования модуля второй производной; на фиго 3 - диаграммы, поясняющие принцип действия блока формирования модуля второй производной на фиг.4диаграммы, поясняющие принцип работы устройства. Устройство (фиг, 1) для измерения параметров резонансных контуров включает ряд сложных функциональных систем. Первый генератор 1 перестраиваемый по частоте, частотный модулятор 2, преобразователь 3 напряжений и суммирующий блок 4 образуют систему формирования частотно-модулированного испытательного сигнала с большой девиацией и перестраиваемого в широком частотном диапазоне. Подобные cHCTeNbi являются составной частью известных измерителей амплитудно-частотных характеристик радиотехнических устройстве С помощью преобразователя 3 напряжений достигается необходимая девиация частоты и осуществляется развертка во времени изображения на экране осциллографического индикатора 5, Управля-емый аттенюатор 6, исследуемый резонансный контур 7, аг-тлитудный демодулятор 8, второй пиковый детектор 9, второй сравнивакадий блок 10 и блок 11 опорныг напряжений функционально р еализуют в соответствии с (1) систему нормирования амплитулно-частот.чой характеристики исслеД1Уемого контура. Нормирующий усилитель 12, блок 13 формирования модуля второй производной, первый пиковый детектор 14.и первый сравнивающий блок 15 совместно с блоком 11 опорных напряжений образуют в соответствии с (3) систем нормирования характеристики второй производной. Необходимость введения в состав предлагаемого устройства двух систем нормирования характеристик связана с тем, что динамический диапазон си налов, действующих на выходах иссле дуемого контура 7 и блока 13 формир вания модуля второй производной, |1сключительно велик. Как следует из (4), вторая производная на резонанс ной частоте пропорциональна- добротн сти в третьей степени и в интервале измеряемых величин 2-1000 динамический диапазон сигналов превышает 160 дБ, Кроме этогоf, для достоверной оценки координат точек перехода второй производной через нуль с погрешностью не хуже +,0,1% динамический диапазон блока 13 формирования модуля второй производной дополнительно должен составлять не менее 60 дБ. Использование логарифмирующих или других устройств для снижения динами ческого диапазона рассматриваемых сигналов в данном случае нецелесообразно, так как при этом искажается форма характеристик (в особенности модуля второй производной), что вызы вает затруднения в определении истин ного положения ко.рдинат точек перехода второй производной через нуль на экране осциллографического индикатора 5 . Применение предлагаемых систем нормирования позволяет без искажения информации о виде характеристик застабилизировать максимальные значения последних независимо от величины измеряемой добротности и привести с помощью пиковых детекторов 9 и 14 максимумы сигналов, действующих на выходах амплитудного демодулятора 8 и блока 13 формирования модуля второй производной, к неизменным уровиям, определяемым величинами опорных напряжений блока 11, и, тем самым, существенно снизить требования по динамическому диапазону к названньом структурным блокам 8 и 13. Необходимость применения в измери тельном устройстве (фиг.. 1) блока 13 формирования модуля второй производной, обеспечивающего требуемую точность измерения искомых параметров, обусловлена тем, что именно модуль характеристики второй производной (3) позволяет получить на экране осциллографического индикатора 5 в естественном виде достаточно точную, неподверженную влиянию дрейфовйх и шумовых составляющих, информацию и рационально использовать метод вилочного отсчета для определения местоположения точек перехода второй производной через нуль (7). Данный блок 13 в устройстве выполняет две взаимосвязанные функции: вырабатывает синусоидальное модулирующее напряжение для системы формирования частотно-модулированного испытательного сигнала (операция частотной модуляции с малой девиацией частоты реализуется путем подачи сигнала с второго выхода блока 13 на второй вход суммирующего блока 4) и осуществляет синхронную селекцию второй гармонической составляющей данного модулирующего сигнала независимо от его фазы, образуемой в результате взаимодействия частотно-модулированного испытательного сигнала в исследуемом контуре 7 и амплитудном демодуляторе В. Рассматриваемая вторая гармоническая составляющая без учета фазы, как известно, пропорциональна модулю второй производной от амплитудно-частотной характеристики резонансного контура. Получение высокой точности измерений связано также и с применением в устройстве эффективной системы формиров 1ния яркостно-частотных меток, в состав которой входят преобразователь 16 частоты с третьим генератором 17, перестаиваемым по частоте, частотно-фазовый компаратор 18 с вторым генератором 19, перестраиваемым по частоте, и делителем 20 частоты с переменным коэффициентом деления, импульсный дифференциатор 21, пара- фазный, усилитель 22, первый 23 и второй 24 ограничители импульсов и элемент ИЛИ 25. Эта система с помощью третьего 17 и второго 19 генераторов, перестраиваемых по частоте, позволяет на экране осциллографического индикатора 5 исключительно точно совместить формируемые яркостно-частотные метки с подчеркнуто заостренными минимумами характеристики модуля второй производной, соответствующими координатам точек перехода второй производной через нуль, и тем самым автоматически выполнить условия (10) и (11), необходимые для оценки искомых параметров. Выполнение данных условий стало возможным благодаря использованию в составе рассматриваемой системы преобразователя 16 частоты и частотно-фазового компаратора 18, а также делителя 20 частоты с переменным коэффициентом деления, позволяющего привести частоту второго генератора 19 в точности равной полосе пропускания исследуемого контура на уровне 0,707. Действительно, представляя (10) эквивалентного равенства (и замечая, что оно удовлетворяет ре жиму преобразования частоты в преоб разователе 16, можем записать fc), (Sl,-tii)Sle где So - промежуточная частота, обра зуемая на выходе преобразователя 16 при соблюдении условия равенства частоты jirj , формируемой третьим генератором 17, резонансной частоте 1в)о (10). Отсюда Исходной информацией для формирования яркостно-частотных меток являются перепады напряжений, имеющие место на выходе частотно-фазового компаратора 18 при совпадении с точностью до фазы частот на его входах Следовательно, частота, действуквдая на выходе делителя 20 частоты с переменным коэффициентом деления долж на соответствовать (17) Требуемый коэффициент деления де. лителя 20 Кд.п1лд можно получить из условия равенства частоты второго генератора 19 SJj полосе пропускани (11) исследуемого контура, упрощающего регис1рацию данного параметра , I AnviA . (19) Отсюда, с учетом соотнесения (18) , -&- Принимая feo внимание (11) и (17) ойончателйно получаем При желании может быть выбран отличным от (21) . В этом случае возможен отсчет полосы пропускания на разных уровнях амплитудно-частотной характеристики исследуемого контура, что представляет интерес для практики. На основании (1) нетрудно показат что полоса пропускания на произвольном уровне уiri у связана с полосой прсзпускания на уровне 0,707 П5.,4 следующим соотношением: л# .Л17, S или с учетом (20 С другой стороны, полосу пропускания на произвольном уровне можно представить по аналогии с (19) и (20) в следукяцем оддег ., где Кдсхкй-у коэффициент деления делителя 20, удовлетворяющий требованиям непосредственного отсчета полосы пропускания исследуемого контура на S.- BToуровне у с помощьй частоты рого генератора 19. Приравнивая правые части (22) и (23) и учитывая (21), получаем Таким образом, выполняя в процессе измерений изложенные требования, автоматически получаем необходимую информацию для отсчета измеряемых параметров. Сформированная информация для резонансной частоты (10) и полосы пропускания на определенном уровне (11) , (19), (23) в виде соответствующих частот третьего 17 и второго 19 генераторов, перестраиваемых по частоте, регистрируется частотомером 26, Для оценки добротности исследуемого резонансного контура служит блок 27 вычисления отношения частот, где из частот-генераторов .17 и 19 при заданном значении коэффициента деления (21) делителя 20 образуется необходимая информация, которая также регистрируется частотомером 26. Для упрощения процесса измерений исхог/шгх параметров управляющие органы третьего 17 и первого 1 генераторов, перестраиваемых по частоте, сопряжены между собой. Это позволяет исключить расхождение между характеристикой модуля второй производной и формируемыми яркостно-частотными методами при перестройке средней частоты первого генератора 1, осуществляемой с целью поиска требуемого изображения на экране осциллографического индикатора 5. Для точного совмещения формируемых яркостно-частотных меток с координами точек перехода второй производной через нуль третий генератор 17 снабжен дополнительным органс 1 плавной перестройки частоты, который позволяет перемещать метки относительно характеристики модуля второй производной вдол частотной оси. Предусмотренный управ ляющий орган второго генератора 19 предназначен для регулировки расстоя ния между формируемыми метками на экране осциллографического индикатора 5, т.е. изменения-индицируемой по лосы пропуснания исследуемого контура. Из охарактеризованных структурных блоков предлагаемого устройства един ственным блоком, .назначение и содержание которого не соответствует рубрикам международной классификации изобретений, является блок формирова ния модуля второй производной. Выпол нение этого блока, с одной стороны, носит не стандартный характер, а с другой - его функциональное назначение имеет смысл лишь, применительно к данному устройству/ В связи с этим рассмотрим реализацию данного блока более подробно. Блок 13 формирования модуля второ производной (фиг. 2) включает две основные взаимосвязанные системы. Первая система синхронной фазочувствительной селекции второй гармонической составляющей модулирующего сигнала образована первым 28 и вторым 29 сумматорами, первым 0 и вторым 31полосовыми фильтрами, а также дву мя каналами преобразования и обработки квадратурны., сигналов, в состав одного из которых входят первый 32и третий 33 синхронные коммутаторы и первый фильтр 34 нижних частот, а в состав второго - второй 35 и четвертый 36 синхронные коммутаторы и второй фильтр 37 нижних частот. Синхронные коммутаторы 32, 33-, 35 и 36 представляют собой последовательно-параллельные ключи, управляемые парафазными сигналами, получаемыми с помощью первого 38 и второго 39 делителей частоты на два, а также автоколебательного генератора 40 импульсов, которые входят в состав второй системы формирования квадратурных импульсных и модулирующих синусоидальных сигналов. Получение синусоидального модулирующего напряжения для системы форми рования частотно-модулированного испытательного сигнала измерительного устройства осуществляется путем понижения частоты одного из квадратурных импульсных сигналов с помощью третьего делителя 41 частоты на два с последующей фильтрацией третьим полосовым фильтром 42. Преобразователь 43 переменного напряжения в постоянное предназначен для получения выпрямленного нйпряжения, пропорционального модулю второй производной. Используемые в рассматриваемом блоке 13 второй 31 и третий 42 полосовые фильтры имеют в своем составе активные фильтры нижних частот высщего (не ниже третьехо) порядка, основное назначение которых - обеспечение подавления высших гармонических составляющих с целью получения требуемой степени чистоты синусоидальных колебаний соответствующих частот. Назначение первого полосового фильтра 30 состоит в усилении анализируемого сигнала и защите от перегрузок синхронных коммутаторов 32 и 35 сильными мещающими сигналами, в основном первой гармонической составляющей модулирующего сигнала, пропорциональной первой производной от амплитудно-частотной характеристики исследуемого контура, которая оказывается наибольшей в интересующих точках перехода второй производной через нуль. Работу устройства целесообразно рассмотреть с принципа действия блока 13 формирования модуля второй производной. Принцип работы систег-ш синхронной фазонечувствительной селекпии блока 13 (фиг, 2) может.быть описан следующей системой уравнений Обы-хм) KI-} -Ugnx 19 -atix jo-li BbiicM где - входное напряжение блока 13 формирования .модуля второй производной, соответствующее напряжению, действующему на втором входе второго сумматора 29: Ugtj,4( j, , д напряжения, действующие на выходах соответственно второго полосового фильтра 31 и второго сумматора 29; К7.9 коэффициент передачи второго сумматора 29; К зо-з - коэффициент передачи от входа первого полосового фильтра 30 до выхода второго полосового фильтра 31. На основании (25) определяем коэффициент передачи упомянутой системы селекции , где Kjq.} Кзд-гч . Для того, чтобы на коэффициент передачи (26) на оказывали влияния структурные блоки системы селекции необходимо коэффициент К. для полезного сигнала реализовать достаточно большим, причем необходимо осуществить инверсию, так как при стремится к - 1. Кроме этого, для реализации функции синхронной фазонечувствительной селекции остальные структурные блоки, вхо дящие в рассматриваемую систему, должны быть наделены соответствующими свойствами. Операции, производимые в каналах преобразования и обработки квадратурных сигналов системы селекции, ма тематически можно представить в виде функций перемножения анализируемого сигнала , ,Ut(tb-UmcSl( 2 на первые гармонические составляюUo B(-t)U o -t(28 Уо19 и„,вС05СоД(29 опорных напряжений, получаемых с помсицью первого 38 и второго 39 делителей частоты системы формирования квадратурных импульсных и модулирую щих сигналов. В формулах (27)-(29) приняты следующие обозначения: t-вре мя; Um , Cb)j и cf - амплитуда, частота и начальная фаза анализируемого сигнала; Urrig и (too - амплитуда и частота :ервых гармонических составляющих опорных напряжений. Влиянием высших гармонических составляющих опорных напряжений в известной мере можно пренебречь, так как они подавляются соответствующими фильтрами .системы селекции. Таким образом, для первых гармони ческих составляющих напряжений, дей ствующих на выходах первого 32 и вто рого 35 синхронных коммутаторов с учетом (27) и коммутационного влияни опорных напряжений (28) и (29), равного единице, можно записать и«мчхзг (tV ) (t).{cos ttOot (pl-cost{CL))t + (flj ; ивых 35 (i) tJo(-t)UoM .{s-m( (iDo)t ф A sm (w)c+-(A)t -Kpl ((31 где Кэ2 и Кз - коэффициенты передачи синхронных коммутаторов 32 и 35 соответственно, которые близки к единице благодаря полному управляющему действию опорных напряжений и пренебрежимо малым остаточным параметрам самих коммутаторов. Для отыскания выходных напряжений первого 34 и второго 37 фильтров воспользуемся известными аппроксимациями амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик фильтра нижних частот первого порядка F( fvC«))Qi-ctqj где бй - текущая частота; ,с.- частота верхнего среза фильтра нижних ча стот. В .данном случае под текущей частотой сп) следует понимать разностные частоты ( toe.- (а)о ) , входящие в (30) и (31), так как составляющие с частотами (. + о ) , удовлетворяющие условию ( oDc+ () (. ) , подавляются и в расчет могут не приниматься. В связи с этим, напряжения, действующие на выходах первого 34 и второго 37 фильтров нижних частот, с учетом (32) и (33) имеют вид )),-(,)1мр.Ц (34) .х (-t-). sbR4JbUt) , (35) где К ait и Квг - коэффициенты передачи на разностной частоте ; (.-(,) фильтров 34 и 37 соответственно. . После перемножения сигналов (34) и (35) с опорными (28) и (29) на выходах третьего 33 и четвертого 35 синхронных коммутаторов получим напряженияUBWX гъ tl) - Ufci 3 (t) Uo м(4- -г )): 36) (4. ; Ubbt Ь5 W Uew4 14 (i) UoM W .,-Utx )|sbr((dc-.H . (37) t-smLC«)tt-t-4)({)Cc«) где Ks3 и К36 - коэффициенты передачи синхронных коммутаторов 33 и 35 соответственно, которые также (как и коммутаторов 32 и 35) близки к единице, Выходное напряжение первого сумма тора 28, образуемое в результате сум мирования сигналов (36) и (37) с инвертйрованием, при условии :Кзз К 36, i и К 34 ,з tibwx га W -CUbW4ij(-tV Ue.()J , ,M- t 26-Um -W(aJ) ..., ) / где Kue - коэффициент передачи перво го сумматора 28. Как видно из (38), при малых фазо вых сдвигах S (сй) , вносимых фильтрами 34 и .37 нижних частот на разностных частотах (. } г на выходе пер вого сумматора 28 в соответствии с фазой анализируемого сигнала (27) формируется с точностью до масштабно го коэффициента копия этого сигнала, что позволяет после усиления во втором полосовом филь.тре 31 с коэффициентом передачи произвести во втором сумматоре 29 сравнение рассматриваемых сигналов и, следователь но, получить на выходе второго полосового фильтра 31 синусоидальное нап ряжение, пропорциональное второй про изводной. Следует отметить, что наличие исключительно глубокой отрицательной обратной связи, реализуемой при (26), позволяет системе селекции работать при разностных сигналах (Cs)(ao) близких к нулю и, тем самым, обеспечить фазовый сдвиг (Cs)) « О даже при весьма малых (в несколько герц) частотах верхнего среза фильтров 34 и 37, а также реализовать высокую селективность данной системы, которая определяется в основном амплитудно-частотной характеристикой используемых фильтров 34 и 37 нижних частот и не зависит от частоты анализируемого сигнала. С физической точки зрения работу блока 13 формирования модуля второй производной (фиг. 2) можно проследить с помощью диаграмм, представленных на фиг. 3. Формирование квадратурных импульсных и .модулирующих синусоидальных сигналов, осуществляемое с помощью соответствующей сиетемы, происходит следукадим образом, Парафазные импульсные напряжения (одно из них показано на фиг. За), вырабатываемые автоколебательным генератором 40, поступают на информационные входы первого 38 и второго 39 делителей частоты, которые формируют каждый в отдельности парафазные, а по отношению один к другому квадратурные (Сдвинутые одно относительно другого на четверть периода импульсные напряжения (фиг. 36, в) с пониженной в два раза частотой. Образуемые парафазные напряжения с выходов первого делителя 38 частоты воздействуют на соответствующие управляющие входы первого 32 и третьегр 33 синхронных коммутаторов, а с выходов второго делителя 39 частоты на соответствугацие управляющие входы второго 35 и четвертого 36 синхронных коммутаторов. Импульсное, напряжение (фиг. Зв) с одного из выходов первого делителя 38 частоты, воздействуя также на информационный вход третьего делителя 41 частоты, образует на его выходе снова импульсное напряжение (фиг, Зг) с пониженной в два раза частотой. Из этого напряжения с помощью третьего полосового фильтра 42 формируется той же частоты синусоидальное колебание с определенной начальной фазой (фиг. Зд). Полученное таким образом синусоидальное колебание используется в дальнейшем для модул-яции системы формирования частотно-модулированного испытательного сигнала измерительного устройства. Система синхронной фазочувствительной селекции второй гармонической составляющей модулирующего сигнала производит обработку и преобразование информации в следующем порядке. Подлежащая анализу полная информация, поступая на вход блока 13 формирования модуля второй производной, содержит в ряду с другими и полезную компоненту в виде второй гармонической составляющей модулирующего сигнала, фаза которой относительно исходного колебания (фиг. Зд) может быть произвольной (27) . Эта информация через второй сумматор 29 проходит первоначально беспрепятственно на вход пер-вого полосового фильтра 30, в котором подвергается частичному ослаблению ее неинформативных компонент (в основном первой и высших гармонических составляющих) и в ви,це отфильтрованной полезной второй гармонической составляющей с произво.пьной фазой (фиг. Зе) передается для последующей селекции в каналы преобразования и обработки квадратурных сигналов . Под влиянием квадратурных импульсных сигналов (фиг. Зб, в), поступающих с выходов первого 38 и второго 39 делителей частоты, в первом 32 и втором 35 синхронных коммутаторах анализируемое напряжение второй гармонической составляющей (фиг. Зе) превращается в последовательности промодулированньах по амплитуде импульсов (фиг. Зж, з), постоянные со-, ставляющие которых, образуемые на вь ходах соответственно первого 34 и второго 37 фильтров нижних частот (уровни, ограниченные штриховыми линиями на фиг. Зж, з), оказываются пропорциональными квадратурным (соответственно синусным и косинуснвлм) составляющим анализируемого сигнала что эквивалентно операциям перемножения и фильтрации в соответствии с (32)-(35) сигналов (27)-(29). Постоянные составляющие с выходо первого 34 и второго 37 фильтров нижних частот, в свою очередь, с по мощью синхронных коммутаторов 33 ,. и 35, управляемых теми же квадратур ными импульсными сигналами (фиг.Зб, в), что и синхронные коммутаторы 32 и 35, преобразуются раздельно в последовательности прямоугольных импульсов, которые после операции суммирования в первом сумматоре 28 приобретают вид последовательности прямоугольных разнополярных импульсов (фиг. Зи) с различной амплитудой и длительностью в зависимости от ампли тудных и фазовых соотношений анализи руемого сигнала (фиг. Зе), причем, происходящие при этом процессы эквивалентны- операциям перемножения и суммирования в соответствии с (36)(38). Первая гармоническая составляю щая (фиг. Зк) данной последовательности импульсов (фиг. Зи), выделяемая с пометцью второго полосового фильтра 32, в точности соответствующая начальной фазе с учетом инверсии и пропорциональная амплитуде анализируемого сигнала (фиг. Зе), поступает на преобразователь 43 переменного напряжения в постоянное и на первый вход второго сумматора 29, и, по-существу, замыкает по сигналу цепь отрицательной обратной связи системы селекции. Сформированный инвертированный си нусоидальный сигнал (фиг..Зж) с выхода системы селекции сравнивается во втором сумматоре 29 с исследуемым сигналом (фиг. Зе) с образованием разностного напряжения весьма малой величины, что снимает возможную перегрузку в последующих структурных блоках, существовавшую в первоначаль ный момент времени. Получаемое разностное напряжение подлежит непрерыв ной обработке и преобразованию в соответствии с рассмотренным выше алго ритмом работы системы селекции По истечению вполне определек юго предельно короткого интервала времени, достаточного для установления переходных процессов, система селекции приходит в уравновешенное состояние и на ее выходе образуется достаточно точная инвертированная с сохранением фазовых сдвигов копия второй гармонической составляющей анализируемого сигнала. Реализуемая относительно малая инерционность системы селекции позволяет в процессе работы измерительного устройства в целом с высокой степенью точности следить за изменением во времени полезной компоненты, которая, подвергаясь операции выпрямления в преобразователе 43 переменного напряжения в постоянное, теряет фазовую составляющую и превращается в постоянное напряжение, пропорциональное искомому модулю второй производной. Устройство для измерения параметров резонансных контуров работает следующим образом. В исходном состоянии при отключенном исследуемом объекте, в результате непрерывной работы блока 13 формирования модуля второй производной, на его выходе образуется, как указано выше, модулирующее синусоидальное относительно высокочастотное напряжение, которое, суммируясь в суммирующем блоке 4 с относительно низкочастотным напряжением преобразователя 3, создает сложное колебание (фиг. 4а). Это колебачие, взаимодействуя в частотном модуляторе 2 с сигналом первого генератора 1, перестраиваемого по частоте, приводит в действие систему формирования частотно-модулированного испытательного сигнала, способную перестраиваться в широком диапазоне частот путем изменения частоты первого генератора 1. Образуемое на выходе частотного модулятора 2 частотно-модулированное напряжение со сложным спектром (большая девиация частоты обусловлена относительно медленно изменяющимся напряжением преобразователя 3, а малая - относительно высокочастотным напряжением блока 13, взаимодействующими одновременно) воздействует на информационный вход управляемого аттенюатора 6 и второй вход преобразователя 16 частоты. Вследствие отключения исследуемого резонансного контура 7 цепи отрицательных обратных связей систем нормирования амплитудно-частотной характеристики и характеристики второй производной оказываются разомкнутыми и под влиянием больших разностных сигналов, образуемых в первом 15 и втором 10 сравнивающих блоках за счет действия опорных напряжений блока 11 и отсутствия напряжений на выходах первого 14 и второго 9 пиковых етекторов, коэффициенты передачи правляемого аттенюатора 6 и нормиующего усилителя 12 становятся макимально возможными, .что в дальнейем способствует работе исследуемого езонансного контура 7, амплнтудного демодулятора 8 и блока 13 формирования модуля второй производной.

Одновременно с этим, независимо от того подключен или не подключен исследуемый резонансный контур 7, частотно -модулированный испытательный сигнал с выхода частотного моду лятора 2, приводя в действие систему формирования яркос.тно-частотных меток, взаимодействует с сигналом третьегогенератора 17, перестраиваемого по частоте, в преобразователе 16 частоты, образуя на его выходе постоянного уровня напряжение с разностной (промазку т очной) частотой, периодически изменяющейся во времени от нулевого до максимального значения, согласованного с девиацией частотысистемы формирования частотно-модулированного испытательного сигнала и полосой пропускания фильтра нижних час.тот,входящего в состав преобразователя 16,

Получаемое напряжение с разностной частотой, воздействуя на первый вход частотно-фазового компаратора 18, сравнивается в нем с опорным сигналом, поступающим -непрерывно на его второй вход через делитель 20 частоты с переменным коэффициентом деления от второго генератора 19, перестраиваемого на частоте. При совпадении с точностью до фазы частот рассматриваемых сигналов частотно-фазовый компаратор 18 срабатывает образуя каждый раз на своем выходе прямоугольные импульсные напряжения (фиг. 4г) г если только частота опорного сигнала превышает разностную частоту сигнала с выхода преобразователя 16. I

В дальнейшем импульсы напряжения с выхода частотно-фазового компаратора 18 подвергаются операциям дифференцирования в импульсном дифференциаторе 21, усиления в парафазном усилителе 22, ограничения снизу раздельно в первом 23 и втором 24 ограничителях и логического суммирования в элементе 25 ИЛИ. результате отмеченных преобразований на выходе системы формирования яркостно-частотных меток образуются однополярные отстроконечные импульсы (фиг. 4д), местоположение во времени которых соответствует моментам срабатывания частотно-фазового компаратора 18. Эти импульсы, воздействуя на модулятор, осуществляют модуляцию электронного луча и на экране осдиллографического индикатора 5 создают две ярко очерченные метки, располагаемые в центральной части горизонтальной линии (оси), которая образуется одновременно с формированием частотномодулированного испытательного сигнала под влиянием напряжения преобразователя 3, подаваемого на вход горизонтального отклонения, что в-итоге обеспечивает устойчивую синхронизацию работы всех функциональных систем измерительного устройства.

Следует отметить, что формируемые яркостно-частотные метки, находящиеся в центре экрана осциллографического индикатора, остаются практически неподвижными и при перестройке первого 1 и третьего 17 генераторов, если только обеспечено точное согласование частот этих генераторов с помощью соответствующих органов управления. Возможная неточность сопрялсения в широком интервале перестройки рабочих частот может быть скорректирована с помощью специально введенного дополнительного органа плавной перестройки частоты третьего генератора 17, обеспечивающего смещение формируемых яркостно-частотных меток вдоль горизонтально оси осциллографического индикатора 5.

При подключении к измерительному устройству исследуемого резонансного контура 7 к входу последнего прикладывается максимально возможный уровень частотно-модулированного испытательного сигнала, существующего на выходе управляемого аттенюатора 6. Если резонансная частота контура 7 находится в пределах девиации формируемого частотно-модулированного сигнала (в противном случае осуществляют перестройку средней .частоты генератора 1 до тех пор, пока не будет выполнено это условие) на его выходе образуется амплитудно-модулированный сигнал с .изменяющейся во времени частотой несущей, который и воздействует на амплитудны демодулятор 8.

В результате происходящих ампли-. тудных изменений частотно-модулированого испытательного сигнала в резонансном контуре 7 и осуществляемых преобразований в амплитудном демодуляторе 8 на выходах последнего в.озникают соответственно два вида сигналов, один из которых пропорционален амплитудно-частотной характеристике исследуемого контура, а второй - в виде ряда гармонических составляющих модулирующего сигнала, включая вторую, пропорциональную второй производной. Первый сигнал с второго выхода амплитудного демодулятора 8 поступает непосредственно на вход второго пикового детектора 9, а второй с первого выхода - через нормирующий усилитель 12, обладающий максимально воз1.1ожным коэффициентом передачи, поступает на вход блока 13 формирования модуля второй производной. На первом выходе последнего блока в соответствии с изложенным выше алгоритмоМ образуется напряжение, пропорци нальное модулю второй производной, которое поступает на вход вертикаль ного отклонения осциллографического индикатора 5 и вход первого пиковог детектора 14. Появление напряжений на выходах первого 14 и второго 9 пиковых дете торов приводит в действие системы нормирования характеристик. При этом данные напряжения, преодолевая соответственно в первом 15 и втором 19 сравнивающих блоках опорные напряжения блока 11, образуют управляющие напряжения, которые стремятся раздельно изменить коэффициенты .передачи нормирующего усиления 12 и управляемого аттенюатора б таким образом чтобы уровни напряжений, действующих на втором выходе амплитудного демодулятора 8 и первом выходе блока 13 формирования модуля второй производной и накапливаемых во втором и первом пиковых детекторах 9 и 14 соответственно в виде максимальных значений, реализуемых при достижении экстремальных точек исследуемых характеристик, привести к величинам опорных напряжений блока 11 независимо от закона изменения получаемых напряжений в пределах периода развер тывающего напряжения преобразователя 3,. Спустя несколько периодов (не более десяти) развертывающего напряжения преобразователя 3 рассматриваемые системы нормирования уравновешиваются с заданной степенью точности и в дальнейшем следят за сохранением условий нормирования характеристик, независимо от влияния различного рода факторов , При таких условиях выходные напряжения данных систем в точности соответствуют нормированным амплитудно-частотной характеристике и (ой) и характеристике модуля второй производной /yj) (фиг. 4а) . Последняя характеристика наблюдается наЭкране осциллографического индикатора 5. . . При отклнзчении исследуемого резонансного контура 7 от измерительного устройства системы нормирования характеристик возвращаются в исходное состояние, создавая на выходе управляемого аттенюатора 6 максимально возможный уровень частотно-модулированного сигнала и переводя нормирующий усилитель 12 в режим максимг льно го коэффициента передачи. Процесс измерения параметров резо нансных контуров на данном устройстве сводится к следующему. Первоначально, при подключенном исследуемом резонансном контуре, с помощью сопряженных управлякяцих органов первого 1 и третьего 17. генераторов осуществляют перестройку по частоте данных генераторов таким образом, чтобы получить в центре экрана осциллографического индикатора 5 нормированную характеристику модуля второй производной (первая кривая на фиг. 4в), не обращая внимания на расположение на этой характеристике яркостно-частотныхметок, которые, как правило, не совпадают с координами точек перехода второй производной через нуль (точки ° и на фиг. 4а). В случае измерения добротности и полосы пропускания на уровне 0,707 коэффициент деления делителя 20 частоты с переменным коэффициентом деления устанавливают равным 2 (21) . Зтем с помощью дополнительного органа плавной перестройки частоты третьего генератора 17 и управляющего органа второго генератора 19 совмещают обе яркостно-частотные метки с минимумами характеристики модуля второй производной, соответствующими координатам точек перехода второй производной через нуль (соответствующие фазы перемещения и совмещения яркостно-частотных меток показано на фиг. 4в). Для повышения точности сомещения указанных меток в основном при измерениях весьма низких значений добротности, когда минимумы характеристик модуля второй производной оказываются несколько уплощенными, причем не исключено появление шумовой компоненты, целесообразно воспользоваться общеизвестным методом вилочного отсчета. После выполнения данных условий отсчет измеряемых параметров производят с помощью частотомера 26, на соответствующие входы которого подается информация о резонансной частоте и полосе пропускания в виде непрерывных частот сигналов с выходов третьего 17 и второго 19 генераторов , а о добротности - в виде частного частот данных сигналов с выхода блока 27 вычисления отношения частот. При измерениях полосы пропускания исследуемого резонансного конт: а 7в на произвольных уровнях устанавливают соответствующий коэффициент деения KiTiv y (24) делителя 20 и описанным способом снова совмещают яркостно-частотные метки с минимумами характеристик модуля второй производной. Отсчет производят с помощью частотомера 26, регистрирующего частоту второго генератора 19, которая при данных условиях в точности равна измеряемся полосе пропускания на произвольном уровне 5. Предлагаемое устройство выгодно тличается повышенной точностью измерений от лучших известных технических решений, в тсяч числе и от устройства Г21 , которое в настоящее время является лучшим спроектированньгм образцом и которое в связи .с этим принимаем за базовый объект сравнения. Повышение точности измерений, обеспечивается, прежде всего, использованием изложенного метода определения параметров резонансных контуров, позволяющего существенно снизить адци

тивные составляющие погрешности, которые присущи известным методам и являются преобладающими при измерё ниях параметров в основном низкодобротных контуров, Достигая деся1ков процентов, а также реализацией соответствующего алгоритма работы устройства, позволяющего одновременно измерять все искомые параметры с минимально возможными погрешностями, ускоряя тем самым процесс измерений

и

и

t

t

г

N1

t

ж

NJ

N f4 3 N«. x iSZfi -a;, 0.2 k л РигЛ кL.