Фазометр низких и инфранизких частот Советский патент 1984 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радиои электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов гармонических сигналов при определении фазочастотных характеристик.

Известен цифровой фазометр с преобразованием частоты для измерения высоких частот примериб 1-150 .МГц. В известном фазометре фазовый сдвигпереносится на низкую частоту (фиксированную ij, - f,; -if Ввиду изменения частоты сигнала f в широких пределах необходимо частоту гетеродина tp перестраивать тоже в широких . пределах. Значения фиксированной частоты выбирают так, чтобы числовой результат квантования поомежутков времени, пропорциональных фазовым сдвигам при заданноп Т(ц, -j- , был численно равен значению искомого сдвига фаз в градусах l .

Недостатком известного устройства являетря .невозможность измерения фазвого сдвига в диапазоне низких и инфранизких частот, так как перенос измерения еще на более низкую частоту (например, О, 01 Гц)приводит к большому времени измерения, а если перенести частоты измеряемых фазовых сдвигов на более высокую частоту, трудно разделить фильтром после гетеродина сумму i ,(-ь ) и разность (ix-irV промежуточных .частот, так например при х 0,01 Гц, а if- - 10 .кГц cyMiia будет составлять 100000,01 Гц. а разность 9999, 99 Гц что при измерениях внесет большую погрешность, а перестройка частоты гетеродином при изменении частоты измерений приводит к неудобствам в работе и усложнению конструкции.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является фазметр, содержащий последовательно соединенные генератор, ключ, счетчик и блок индикации, первый и второй формирователи, подключенные к соответствующим входам ключа, а также первую и вторую клеммы для подключения измеряемого и опорного сигналов 2. Время измерения фазового сдвига изменяется в зависимости от длительности периода исследуемых сигналов. Если за время между двумя характерными точками, соответствующими переходу через нуль мгновенных значений напряжений U( и И 2 подсчитано Уц импульсов и при этом один импульс соответствует одному периоду (интервалу времени) образцового генератора, то измеряемый сдвиг аз определяется ; --.

Ни qi uNuTr co -360 J-7; .

где СО - круговая частота,

Тр - период колебания опорного

генератора;

Nq - число подсчитанных импульсов ,

i - частота, на которой производятся измерения. Т.е. в этом случае необходимо знать частоту исследуемых сигналов, для чего частоту исследуемого сигнала измеряют частотомером, что приводит к увеличению времени измерения. Так как частота генератора счетных импульсов постоянна, то при измерении фазовых сдвигов в широком диапазоне частот число импульсов, поступающих различно для одного и того же фазового угла для различных частот. Кроме того, емкость счетчика . должна быть очень большой, так как например, при изменении частоты от до 100 Гц число импульсов для одного и того же фазового угла изменяется на четыре порядка, т.е. здесь необходим счётчик с большой емкостью, что вызывает определенные технические затруднения. Погреш.ность измерения фазовых сдвигов неравномерна. Она очень мала, примерно 0,,5 , в диапазоне частот до 10 Гц, в диапазоне частот до 300 Гц - примерно 1,5. С ростом частоты входных сигналов выше 300 Гц погрешность возрастает, свыие 500 Гц достигает б-В. Измерения таким фазометром проводить не рекомендуется.

Недостатками этого фазометра являются ограничение частотного диапазона из-за значительно го увеличения погрешности измерения и длительное время измерения фазы, так как предварительно необходимо измерить частоту исследуемого сигнала, а затем по формуле рассчитать замеренный угол фазового сдвига.

Цель изобретения - расширение диапазона частот и сокращение времени измерения.

Цель достигается тем, что в фазометр низких и инфранизких частот, содержащий последовательно соединенные генератор, ключ, счетчик и блок индикации,первый и второй формирователи, подключенные к соответствующим входам ключа, а также первую и вторую клеммы для подключения измеряемого и опорного сигналов, введены третий четвертый формирователи, входи которых подключены к первой и второй клеммам соответственно, первый и второй умножители, управляющие входы которых соединены с выходами третьего четвертого формирователей соответственно,. сумматор, входы которого соединены с выходами умножителей, а выход.- с входом второго формирователя, делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора, полосовой фильтр, вход которого соединен с делителем частоты, а выход - с входами первого формирователя и опорныгл входом второго умножителя, фазосдвигатель, гход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход - с опорным входом первого умножителя и входом первого формирователя. . .

На чертеже представлена блок-схема устройства..

Фазометр содержит первую и вторую клеммы 1 и 2 для подключения измерительного сигнала и опорного сигнала, третий и четвертый формирователи 3 и 4, формирующие сигналы вида Uj cosfx Х ifl х первый и второй умножители 5 и б, генератор 7, делитель 8 частоты, полосовой фильтр 9, фазосдвигатель 10 на 90 сумматор 11, первой и второй формирователи 12 и 13 (для управления работой ключа) , ключ 14, счетчик 15 импульсов, блок 16 индикации.

При этом первая клемма 1 соединена с первыми входами третьего и четвертого формирователей 3 и 4, вторы входы которых соединены со второй клеммой 2, а выходы через соответственно первый и второй умножители 5 и б соединены с входами сумматора 11. Генератор 7 соединен с ключом 14 и через последовательно соединенные делитель 8 частоты, полосовой фильтр 9 и фазосдвигатель 10 с первы умножителем 5. Выход полосового фильра соединён сопорным входом умножителя 6, выход фазосдвигателя 10 чере первый формирователь 12, а выход .сумматора 11 через второй формирователь 13 соединены с входами ключа 14 выход которого через счетчик 15 соеднен с блоком 16 индикации. . Фазометр работает следующим образом.

: Измеряемый сигнал видаУх sin {(ot-t|, подается на первую клемму 1, откуда он поступает на первые входы формирователей 3 и 4. Опорный сигнал вида UoSitiwt подается на вторую клемму откуда он поступает на вторые входы формирователей 3 и 4.

На выходе формирователя 3 формируется сиг«ал вида11 ( CDS Ц1х

На выходе формирователя 4 формируется сигнал видаих п tf х . Напряжег ние сигналов видов U iiUy.ein Cf подаются соответственно на управляющие входы первого и второго умножителей 5 и б. Генератор 7 вырабатывает импульсы, которые поступают на входе делителя 8 частоты и ключа 14. С выхода делителя 8 частоты импульсы частотой, равной ,

-,,,,

-3,6.10 где гр - частота генератора 7,

П - целое положительное число, , значение которого выбирается из требуемой точности

и разрешающей способности фазометра и ц 2. . Полосовой фильтр 9 формирует гармонический сигнал с частотой f .меньшей частоты генератора 7 Р в 3,6 ю. Напряжение вида UQsinflt ,где Si - круговая частота, равная 57 20f , с выхода фильтра 9 подается на опорный вход второго умножителя б и на вход фазосдвигателя 10 (на 90°) на выходе которого напряжение имеет вид UoCosSft

Напряжение видаУ соз Ь подается на вход первого умножителя 5. Напряжение на выходе умножителя 5 имеет вид

8biX5- 4Cos x UoCOSSlt y,(5ll-4,

cosCsit+c,).

(2)

Напряжение на выходе умножителя 6 имеет вид

,8biX6 Jx i M xUo5in U lJoUxLco5(,y-cosiSlt + t,)-.(3)

Па сумматоре 11 напряжение вида (2) складывается с напряжением вида (3).

На выходе суг-шатора 11 напряжение имеет вид

Bbix,rUxUoCOB(lt-q,). (4)

Таким образом, измеряемый фазовый сдвиг (у )( перенесен на опорную частотуi формируемую полосовым фильтром 9.

Первый и второй формирователи 12 и 13 формируют из гармонических сигналов видовUocosSZt иихиосо5 ()импульсы, управляющие работой ключа 14. Напряжение первого формирователя 12 открывает ключ 14, а напряжение второго формирователя 13 закрыв.ает ключ 14.

Количество импульсов, сосчитанно счетчикм 15 за время открытия ключа 14 пропорционально измеряемому фазовому сдвигу.

Импульсы с первого формирователя 12 открывают ключ при переходе напряжения видаиосозп через нуль, т.е. при SVi , отсюда время t( открытия ключа 14 определится как

, Г1Г

С5)

Шлпульсы второго формирователя 13 закрывают ключ 14 при переходе напряжения вида Ux 5 n(wt - (|;() через нуль,. т.е. при Jit - ССх - , отсюда врет мя tj закрытия- ключа 14 определится как

(6J

t.,-fiВремя в течение которого открыт ключ 14, определится как ,2tft (т За время ui через ключ 14 на сче Ч1-1К 15 пройдет N импульсо.в, количество которых определится следующе ф|эрмулой.1 N.M.F,, (S) где Tj. - период импульсов генератора 7, , . . Подставляя (7) в (8;) получаем . -.) А так как отношение F и i Fr 7 3,6.10, то результат измерения на блоке 16 индикации фиксируется в градусах (ц) -Ч), при п 2, получим ,;. , С« Таким образом, по сравнению с из Е;естными решениями сокращено время мерения за счет непосредственного С)тсчета измеренного сдвига фаз и отсутствия необходимости предварительного замера частоты исследуемого сигнала. Увели1ение Ы1 рокополосности обусловлено тем, что при любой измеряемой частоте фазовый сдвиг на этой частоте переносится на фиксированную опорную частоту и при одном и том же угле фазового сдвига на разных измеряемых частотах число счетных импульсов будет одинаково, т.е., емкость счетчиков не ограничивает частотный Диапазон, как в базовом устройстве, и имеет оптимальное значение рассчитанное на количество импульсов для максимального фазового сдвига. В зависимости от требуемой точности это оптимальное значение может быть выбрано из следующего ряда чисел; 360, 3600 или 36000с Частотный диапазон предлагаемого фазометра зависит от типов применяемых операционных усилителей в блоках фазометра и составляет примерно 0-100000 Гц.. Погрешность измеряемых фазовых сдвигов в данном фазометре определяется в основном аналоговыми умножителями, Если учесть тот факт, что один из сомножителей постоянная составляющая, а частота опорного генератора выбирается небольщой, например 1 кГц, и уровни входных сигналов не превышают +2В, то погрешность умножения составляет не более 0,1%, что дает максиг1алькую погрешность измерения 2,5°, Применение более точных умножителей, например на основе умножающих ЦЛП, позволяет снизить погрешность измерения до 0,8%.

ФАЗОМЕТР НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ, содержащий последовательно соединенные генератор/ ключ, счетчик и блок индикации, первый и второй формирователи, подключенные к соответствующим входам ключа, а также первую и вторую клеммы для подключения измеряемого и опорного сигналов /отличающийся - тем, что, с целью расширения диапазона частот и сокращения времени измерения, в него введены третий и четвертый фррмирователи, входы которых подключены к первой и второй клеммам соответственно, первый и второй умножители, управляющие входы которых соединены с выходами третьего, четвертого формирователей соответственно, сумматор, входы которого соединены с выходами умножителей, а выход - с входом второго формирователя делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора, полосовой фильтр, i вход которого соединен с делителем частоты, а выход - с входами (Л первого формирователя и опорным входом второго умножителя, фазосдвигатель, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход - с опорным входом первого ум- с ножителя и входом первого формирова теля. эо 4