Калибратор переменного напряжения Советский патент 1984 года по МПК G01R35/00 G05F1/44 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к калибpaTOpctM переменного тока, и может быт быть использовано при построении образцовой аппаратуры для воспроизведения амплитудно-модулированного переменного напряжения с калиброванной .формой огибающей.

Известен калибратор переменного напряжения, содержащий задающий генератор , регулирующий элемент, детектор, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения, форМ1фукедее устройство, подключенное к выходу генератора запускающих импульсов

В калибраторе детектор выделяет сигнал огибающей выходного амплттудно-модулированного переменного напряжения калибратора, который с дифференциального усилителя сравнивается с опорным сигналом заданной формы, снимаемым с выхода источника опорного напряжения. Опорный сигнал используется в качестве модулирующего. Сигнал рассогласования усиливается и воздействует на управляющий вход регулирукицего элемента (модулятора) . В результате устанавливается равенство огибающей-выходного сигнала калибратора опорному сигналу. В известном устройстве система стабилизации обеспечивает получение заданной формы огибающей выходного сигнала кашибратора при частотах модуляции намного Меньших (примерно в 50-100 раз и более) частоты несущего колебания

Однако калибратор имеет низкую точность и стабильность (погрешность десятки процентов) формы огибающей выходного сигнала при высоких частотах модуляции из-за ограниченного быстродействия системы стабилизации, а также из-за низкой точности воспроизведения заданной формы опорногр сигнала в области высоких частот. Так, для фильтрации высокочастотных пульсаций, возникающих при детектировании огибающей выходного амплитудно-модулированного переменного напряжения, требуется определенная инерЦирнность системы стабилизации. В результате при быстрых изменениях модулируищегр сигнала система стабилизации не успевает отработать заданные значения огибающей выходного сигнгша. При частотах модуляции, близких к несущей отличакяцихся менее чем в 15-20 раз) , искг1жения огибающей достигают десятков и более процентов. Снижение же ине охионности цепи стабилизации приводит к увеличению высокочастотных пульсаций в управляющем напряжении И резкРму возрастанию нелинейных :Иска |(е11ий напряжения несущей частоты. При модуляции короткими видерсйгналами, длительность которых составляет несколько периодов -несущего колебания, из- вестное устройство стабилизации формы огибгиощей выходного сигнала не обеспечивает.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является калибратор переменного напряжения, содержащий задающий генератор, выход которого через регулирукяций тблок соединен с выходной шиной, формировател стробируквдих импульсов и автоматической их привязки к максимумам колебаний несущей частоты, первым входом подключенный к выходной шине и к первому входу стробируемого блока сравнения, а выходрм - к второму входу стробируемогр блока сравнения, трети вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход - с входом усилителя некрмпенсации.

Строб-импульсами блРка формирования стробиру ощих импульсов и сштоматической их привязки к максимумам колебаний несущей частоты в данном устройстве происходит стробирование амплитудных значений напряжения несущей частоты, которые в мсменты времени стробирРвакия сравниваются с опорным сигнал источника опорного напряжения. Сигнал рассогласования, усиленный усилителем некомпенсации, воздействует на управляющий вход регулирующего блока. При этом огибающая выходного сигнала калибратора задается опорным сигналом, используемым в качестве модулирующего. В известном устройстве система стабилиг зации обеспечивает получение зaдaн ной формы огибающей выходного сигнала при частотах модуляции намного меньших (примерно в 50-100 раз и более) частоты несущей 2.

Однако калибратор имеет низкую точность и стабильность (погрешность десятки процентов) формы огибающей выходного амплитудно-мрдулированного переменного напряжения при высоких частотах модуляции из-эа ограниченного быстродействия cijtcTeMbi стабилнзации, а также из-за низкй.й точности воспроизведения заданной форма опорного сигнала в области высоких ч&стог,- . , .

фак, при увеличении частоты модуляции до десятков мегагерц и выше погрешность воспроизведения заданной фо1м« огибающей. опорного сигнала coc тавЛяет десятки .процентов. Для подавления высокочастотных пульсаций, присутствующих в управляющем напряжении .регулирукщего элемеита, требуется рпределеиная инерционность усйл лителя некомпенсации, что ограничивает быстродействие систе1«1 стабилИзаг.ции. В результате при увеличении частоты модуляции динамическая поrpeiitHOCTb отработки значений огибающей выходного амплитудно-модулированного сигнала воЭрастает и причастотах модуляции близких к частоте несущей (отличающихся менее чем в 15-20 раз) достигает десятков и боле процентов. Снижение инерционности системы стабилизации приводит к увеличению уровня пульсаций в управляющем напряжении регулирующего элемента и резкому возрастанию нелинейных искажений напряжения несущей. При быстрых изменениях модулирующего сигнала, который может иметь произвольную форму, и при его длительностях, составляющих несколько периодов несущего колебания, искажения формы огибающей выходного сигнала составляют 100% и более, а данное устройство не обеспечивает стаби лизации формы огибающей выходного, сигнала. Цель изобретения - првышение точности(стабильности формы огибающей выходного амплитудно-модулированного сигнала) и расширение функциональных возможностей калибратора. Поставленная цель достигается тем что в калибратор Переменного напряжения, состоящий из задающего генератора, регулирующего блока, формирователя стробирующих импульсов и автоматической их привязки к максимумам колебаний несущей частоты, стробируемого блока сравнения, источника опорного напряжения и усилителя некомпенсации, причем первйй выход задающего генератора через регулирующий блок подключен к выходной шине калибратора и к первым входам стробируемого блока сравнения и формирователя стробирукадих импульсов и автоматической их привязки к максимумам колебаний несущей частоты выход которого соединен с вторым входом.стробируемого блока сравнения третий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, выход стробируемого блока сравнения подключен к входу усилителя некомпен сации, введены генератор запускающих импульсов, два коммутатора, п формирователей, п запоминающих узлов, бло управления и сумматор, причем выход задающего генератора подключен к входу генератора запускающих импульсов, п выходов которого подключены к первым входам п формирователей и к .п входам первого коммутатора, выход которого соединен с вторым входом- формирователя стробирующих импульсов и автоматической привязки их к максг1мумам колебаний несущей «частоты, а управляющие входы первого и второго коммутаторов подключены к первому выходу блока управления, второй вЫ ход которого соединен с входом источ ника опорного напряжения, выход усил теля некомпенсации подключен к входу второго коммутатора, п выходов которого через п запоминающих устройств :. соединены с вторыми входами п формирователей, выходы которых подключены к п входам сумматора, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего блока. На фиг.1 приведена блок-схема . калибратора; на фиг. 2 - блок-схема формирователя стробирующих импульсов и автоматической их привязки к макси1мумам колебаний несущей частоты; на фиг.З - структурная схема блока управления; на фиг.4 - блок-схема источника опорного напряжения; на фиг.5 временные диаграммы работы калибратора; на фиг 6 - временные диаграммы работы формирователя стробирующих импульсов и автоматической их привяз- . ки к максимумам колебаний несущей частоты. Калибратор содержит задающий генератор 1, первый выход которого через регулирующий блок 2 подключен к выходной шине 3 калибратора, генератор 4запускающих импульсов подключен к второму выходу задакяцего генератора 1, первые ВХОДЫ п формирователей 5 подсоединены к п-выходам генератора 4 и через первый коммутатор 6, через формирователь 7 стробирующих импульсов и автоматической привязки их к максимумам колебаний несущей частоты- |К стробируемрму блоку 8 сравнения, ;другой вход которого соединен с дру;гим входом блока 7 и подключен к выходной шине 3, а третий вход соединен с выходом источника 9 опорного напряжения, усилитель 10 некомпенсации включен между стробируемым блоком 8 и вторым коммутатором 11, п выходов которого через запоминающие узлы (ЗУ) 12 и через фОЕилирователи 5соединены с п входами румматора 13, выходом подключенного к управляющему входу блока 2, первый и второй выходы блока 14 управления соединены со- N ответственно с первыми входами первого би второго 11 коммутаторов и с входом источника 9 соответственно. Формирователь 7 (фиг,2) содержит управляемый элемент 15 згщержки, пер вый вход которого соеди11ен с вторым входом формирователя 7, первый . формирователь 16 стробирующих импульсов, подключенный к выходу управляемого элемента 15, второй формирователь 17 стробирующих импульсовг выход которого подключен к выходу формирователя 7, стробоскопический смеситель 18, соединенный через синхронный детектор 19 с усилителем 20, генератор 21 модулирукадего сигнала соединенный первым выходом с первым управляющим входом управляемого элемента 15, и с управляющим входом синхронного детектора 19, а вторым выходом генератор 21 соединен с первым входом элемента 22 совпадения, . второй вход которого соединен с входом первого формиррвателя 16, а

выход - с входом второго формироватеп ля 17.

Блок 14 управления (фиг. 3) содержит генератор 23 тактовых импульсов, соедине-нный через счетчик 24 импульсов с дешифратором 25.

Источник 9 опорного напряжения со держит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 26, соединенное а цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) 27 (фиг.4).

юрмиррватели 5 могут быть выполнены на токовых переключателях с высокочастотньши транзисторами, коммутирующих ток управляемых источников тока. Регулировка амплитуды сформированных формирователш1и импульсов происходит в низкочастотных цепях пуTei изменения выходного тока источников постояннЬгб тока под воздействием управляющего сигнала (в виде напряжения постоянного тока). При работе токовых переключателей на общую нагрузку сформированные импульсные сигналы суммируются.

Калибратор переменного напряжения работает следующим образом.

Высокочастотный синусоидальный, сигнал (фиг.За) с первого выхода задающего генератора 1 поступает на вход регулирующего блока 2. С второго выхода задающего генератора 1 снимается сигнал синхронизации и подается на вход генератора 4 запускающих импульсов, с п выходов которого снимаются импульсы запуска формирователей 5, поступающие на первые их входы и задержанные относительно друг друга на постоянный шаг считывания, кратный периоду (либо полупериоду) высокочастотного сигнала задающего генератора 1. При этом с помощью формирователей 5 периодически формируется последовательность из N разнесенных во времени импульсов прямоугольной формы, длительность которых равна шагу считывания, а амплитуда устанавливается сигналами управления (в виде напряжения посто.янного тока) с выходов ЗУ 12, поступающих на вторые входы формирователей 5. Сформированные раздельно формирователями 5 импульсы суммируются с Помощью сумматора 13. Результирующий видеосигнал (фиг.56) в виде кусочно-ступенчатой функции с выхода сумматора 1.3 поступает на упрайляющий вход регулирующего блока 2 и ocyществляет модуляцию высокочастотного .сигнала задающего генератора 1. При этом происходит установка дискретных значений огибающей выходного сигнала калибратора в точках максимумов несущего колебания на отдельных участках, кратных периоду (либо полупериоду) несущего колебания. Привязка моментов запуска формирователей 5 к моментам времени перехода через .нуль синусоидального напряжения

несущей частоты .исключает нелинейные искажения несущего колебания.

Амплитудно-модулированное Переменное напряжение (фиг. 5в) с выхода регулирующего блока 2 подается на . выходную шину 3, а также на первый вход стробцруемого блока .8 сравнения и на первый вход формирователя 7.

Пиклично по командам блока 14 управления выходы генератора 4 с помо-. щью первого коммутатора 6 поочередно с частотой (порядка 10-100 Гц),намного меньшей частоты модулирующего сигнала, подключаются к второму входу формирователя 7. При подключении i-ro выхода генератора 4, соединенного с первым входом i-ro формирователя 5, выход усилителя 10 некомпенсации вторым коммутатором 11 одновременно подключается к входу i-ro ЗУ 12, выходом соединенного со вторам входом i-ro формирователя 5. В результате каждый раз одновременно с запуском i-ro формирователя 5, формирующего i-й участок модулирующего сигнала (фиг. 56), запускаютций его импульс поступает на вход формирователя 7. Формирователь 7 вырабатывает стробирующие импульсы (фиг. 5д), котрые подаются н& второй, вход стробируемого блока 8 сравнения, и осущест- вляется автоматическая их привязка к моментам времени, когд синусоидальное напряжение несущей частоты (фиг.Бв) принимает свое максимальное значение. В стробируемом блоке 8 сравнения строб-импульсами осуществляется при этом многократное стро- : бирование амплитудного значения напржения несущей частоты на i-м участке выходного сигнала калибратора (фиг.Бв), а также сформированного с помощью источника 9 i-ro уровня опорного напряжения (фиг.Зг). В моменты, времени стробирования эти значения сравниваются. Источник 9 по командам блока 14 управления формирует заданные -значения опорного напряжения для каждого дискретного значения огибающей выходного сигнала калибратора синхронно с переключением каналов первого б и второго 11 коммутаторов. При этом опорный сигнал по сравнению с огибающей выходного амплитудно-модулированного напряжения калибратора задается в растянутом (трансформированном) масштабе времени. С выхода стробируемого блока 8 сравнения в моменты времени стробирования снимаетс разностный сигнал некомпенсации, который обрабатывается усилителем 10. Усилитель 10 выделяет постоянную составляющую выходного сигнала стробируемого блока -8 сравнения и имеет достаточно большую постоянную времени для фильтрации высокочастотных составляющих (пульсаций), присутствующих в выходном сигнале стробируемого блока 8 сравнения. Выходной сигнал усилителя 10 через i-e ЗУ 12

воздействует на второй вход i-го формирователя 5. При этом через несколько периодов модулирующего сигнала амплитуда несущего колебания на i-M участке выходного сигнала калибратора изменяется таким образом, что становится равна значению опорного сигнала в моменты времени стробирования. В результате происходит коррекция -значений огибающей выходного сигнала на 1-м участке. При этом амплитуда несущей на других участках выходного сигнала калибратора при помощи соответствующих ЗУ 12 поддерживается постоянной. Затем по команде блока 14 управления первый 6 и второй 11 коммутаторы переключаются в следующее состояние и .аналогичным образом происходит коррекция значений огибающей выходного сигнала калибратора на следующем его участке. В результате за цикл устанавливается форма огибающей выходного сигнала калибратора, которая в дальнейшем при последующих циклах коррекции поддерживается постоянной и равной заданной .

Опорный сигнал, по которому происходит калибровка значений огибающей выходного гилплитудно-модулированного переменного напряжения калибратора, задается в увеличенном масштабе времени. Доительность опорного сигнала, равная , где S7 частота модуляции, m - кратность стробирования с1мплитудного значения несущей на каждом участке выходного сигнала, может на три и более порядК.1 превышать период модуляции. Это позволяет сформировать опорный сигнал с высокой точностью и с минимальными нелинейными искажениями . при помощи относительно нйзкочастотных устройств.

Коды дискретных значений огибающей, -которая может иметь произвольную форму, в точках максимумов несущей для каждого участка выходного сигнала калибратора записаны в ПЗУ 26 (фиг. 4). Эти значения в течени е каждого циkлa синхронно с переключецием первого б и второго 11 коммутаторов по командам с блока 14 управления извлекаются из ПЗУ 26 и подаются на вход цифро-аналогового преобразователя 27, на выходе которого происходит формирование опорного сигнала (фиг. 5г). Для установки любой заданной формы огибающей выход ного сигнала калибратора достаточ-/ но-переписать в ПЗУ 26, котороеможет быть выполнено перепрограммируемым, коды новых значений. Это позволяет автоматизировать процесс установки заданных значений огибающей выходного сигнала калибратора, которая может иметь произвольную форму.

Формирователь 7 (фйг.:2.) работает следующим образом.

импульсы запуска поступают на йход управляемого элемента 15 задержки, задерживаются и затем поступают на вход первого формирователя 16. и на второй вход элемента 22 совпадения. Строб-импульсами (фиг. бб), поступающими на вход стробоскопического смесителя 18 с выхода первого формирователя 16 (фиг.бв) стробируется синусоидальное напряжение несущей частоты (фиг. ба) выходного сигнала калибратора, поступающего на другой вход смесителя 18. Временной сдвиг стробирующих импульсов (фиг. 66) относительно сигнала несущей (фиг. 6а) модулируется сигналом (фиг. бд) с первого выхода генератора 21, поступающим на первый управляющий вход управляемого элемента 15 задержки. Модулирующий сигнал (фиг. бд) поступает также на управлякиций вход синхронного детектора 19. На элементе памяти стробоскопического смесителя 18 формируется напряжение (фиг. бг), значение которого промодулировано за счет модуляции временного сдвига стрЬбирующих импульсов. Это напряжение зависит от временного положения стробирунвдих импульсов относительно, экстремума сигнала несущей (фиг. ба).При переходе точки стробирования сигнала несущей через экстремум (например,из точки 1 в точку 2 на фиг. ба) фазапеременно составляющей выходного сигнала стробоскопического смесителя 18 частоты модуляции изменяется на , При стробировании сигнала несущей в точке экстремума (в точке 3 на фиг. ба) происходит удвоение частоты переменной составляющей выходного сигнала смесителя 18. Сигнал на выходе синхронного детектора 19 имеет при этом соответственно вид (фиг. бе, ж,з). При переходе из точки стробирования 1 в точку 2 (фиг. ба) постоянная составляющая выходного напряжения синхронного детектора 19 меняет- знак, а при стробировании сигнала несущей в точке экстремума 3 постоянная составляющая выходного сигнала синхронного детектора 19 равна нулю. Выходной сигнал усилителя 20, с помощью которого вьщеляется и усиливается постоянная составляющая выходного сигнала синхронного детектора 19, воздействует на второй управляющий вход управляемого элемента 15 задержки. В результате величина задержки изменяется до тех пор, пока временное положение стробирующих импульсов не совпадёт с максимумом сигнала несущей (точка 3 на фиг. ба). Сигналом, представленным на фиг. би, снимаемым с второго выход генератора 21 и поступающим на первый вход элемента 22 совпаденияГ, осуществляется селекция выходных импульсов управляемого элемента 15, совпадающих

с.точкой экстремума сигнала несущей. Эти импульсы поступают на вход второго 17 формирователя. Таким образом, ,на на выходе формирователя 17 появляются импульсы, совпадакяцие с максимумами сигнала несущей, которые затем подают-5 ся на второй вход стробируемого блока 8 сравнения.

Блок 14 управления (фиг ..3) работает следующим образом.

импульсы с выхода генератора 23 10 jraKTOBbjx импульсов поступают на счетчик импульссГв 24. Выходной код счетчика 24, который может принимать N состояний, подается на вход источника 9 и служит для «гчитывания ни- 5 формации записанной в ПЗУ 26. Выходг ным кодом счетчика 24 также через дешифратор 25 осуществляется управление первым 6 и вторил 11 коммутатора «1.

Отработка заданного значения амплитуды несущего колебания на каждом 20 участке выходного сигнала калибратора, т.е. дискретных значений огибающей в лходного сигнала, осуществляется раздельно и происходит за несколько периодов модулирующего сигнала. В ре- 25 зультате быстродействие система стабилизации, которое ограничено инерционностью усилителя некомпенсации, не влияет на точность установки заданной формы огибающей шходного ЗО сигнала калибратора, т.64 исключается динамическая погрешность обработки заданной фор1«:1 огйба о14ей выходного сигнала из-за инерционности системы стабилизации, которая в из- ,г вестных устройствах при вьюоких частотах модуляции, близких к частоте

несущей, составляет десятки процентов .

Опорный сигнал, по которому происходит калибровка огибающей выходного сигнала калибратора, задается в увеличенном (трансформированном) масштабе времени. Это позволяет сформировать опорный сигнал с высок точностью и с минимальными .нелинейными искажениями (norpemHocifbвоспроизведения опорного сигнала составляет десятые доли процента), т.е. в калибраторе исключена погрешность из-за низкой точности воспроизведения опорного сигнала в реальном масштабе времени, которая может составлять десятки процентов при модуляции в диапазоне частот до десятков мегагерц и выше.

Таким образом, калибратор позволяет повысить точность установки заданной формы огибающей выходного амплитудно-модулированйого переменного напряжения области высоких , частот кюдуляции. При этом погрешность при изменении частоты модуляц вплоть до частот, близких к несущей достигающей сотен мегагерц, может составлять единида процентов (2-3%)

Калибратор обеспечивает также возможность стабилизации огибающей выходного амплитудно-модулярованного переменного напряжения при длительностях модулирующего сигнала, составляющих несколько перодов несущего колебания, что расширяет функциональные возможности и область применения калибратора.

КАЛИБРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ПАПРЯЖЕНИЯ, состоящий из задающего ге нератора, регулирующего блока, формирователя стробиру{ощих импульсов и автоматической их привязки к максимумам колебаний несущей частоты, стробируемого блока сравнения, источника опорного напряжения и усилителя некомпенсации, причем первый выход задающего .генератора через регулирующий блок подключен к выходной шине калибратора и к первым входам стробируемого блока сравнения и формирователя стробирующих импульсов и автоматической их привязки к максимумам колебаний несущей частоты, выход которого соединен с вторим входом . ш -.-,. ч стробируемого блока сравнения, третий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход стробируемого блока сравнения подключен к входу усилителя некомпенсации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей калибратора, в него введены генератор запускающих импульсов, два коммутатора, п формирователей, п .запоминающих узлов блок управления и сумматор, причем выход задающего генератора подключен к входу генератора запускающих импуль сов, п выходов которого подключены к первым входам п формирователей и к п входам первого коммутатора, выход которого соединен с вторым входом фор- i мирователя стробирующих импульсов и СО автоматической привязки их к максимумам колебаний несущей частоты, а : управляющие входы первого и второго кс 1мутаторов подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с входом источника опорного напряжения, выход усилителя некомпенсации подключен к входу второго коммутато ра, п выходов которого через п запоминающих узлов соединены с вторыми входами п формирователей выходы которых подключены О1 к п входам сумматора, выход которого со соединен с управляющим входом регусо лирующего блока.

к6,11

ft- t. I I

||... У

И

2

23

Д

отЗ

oml

К8

27

26

ФчгЛ

i