Фазометр с частотным выходом Советский патент 1985 года по МПК G01R25/00 

t Изобретение относится к измерительной технике, связанной с измерением разности фаз двух электричес ких колебаний, и может быть использовано в процессе разработки фазометрических устройств, предназначенных для различных радиотехнических систем. Известен фазометр, в котором используются автогенераторные преобра зования фаза-частота, содержащий согласующие блоки в каналах опорного и информационного входных сигн лов, фазовый детектор, опорный гене ратор,, перестраиваемый по частоте генератор с блоком управления, лини задержки, четыре однополосных модул Tdpa, подавитель амплитудной модуляции, резонансный усилитель 1 j , Однако фазометр обладает низкой точностью измерения при изменении частоты входных опорного и информационного сигналов, а также разности их текущих фаз в пределах от О до 360 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электронный фазометр с частотным в.1ходом, содержащий два согласующих блока в каналах опорного и информа ционного входных сигналов, восемь однополосных модуляторов, гетеродин, две управляемые линии задержки с блоком управления, подавитель амплитудной модуляции, резонансный усилитель, амплитудньй детектор, электронный ключ, последовательно соединенные опорный генератор, фаз вьй детектор, блок управления част той перестраиваемого генератора, выход которого подключен к вторым входам однополосных модуляторов, л нию задержки, генератор линейного изменяюпшгося напряжения и частотомер 2j . Недостатки этого фазометра проявляются в низкой точности измерений из-за нелинейности характери тики преобразования фаза-частота, обусловленной изменением паразитных фазовых наводок, возникающих в кол ,це самовозбуждения при изменении частоты подстраиваемого генератора вследствие неидеальности фазочасто ных характеристик четырех однополосных модуляторов. Цель изобретения - повьшение то ности измерений разности фаз двух лебаний. 82 Поставленная цель достигается тем, что в фазометре с частотным выходом содержащем два однополосных модулятора в каналах опорного и информационного сигналов, последовательно соединенный опорньш генератор, фазовьй детектор, блок управления частотой и управляемый по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам однополосных модуляторов, линию задержки, а также две управляемые линии задержки с блоками управления, частотомер, резонансный усилитель и подавитель амплитудной модуляции, дополнительно установлены четыре балансных-модулятора, два фильтра нижних частот и последовательно сое- диненные ограничитель амплитуды, второй фазовый детектор, второй блок управления частотой и второй управляв мьй по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам второго и первого балансных модуляторов, первые входы которых подключейы соответственно к выходу второго однополосного модулятора и к выходу линии задержки, вход-которой соеди иен с выходом первогооднополосного модулятора, при этом, выходы первого и второго балансных модуляторов соединены через первьй и второй фильтры нижних частот с входами соответственно первой и второ$ управляемых линий задержки, выходы которых в . свою очередь, подключены соответственно к первым входам третьего и четвертого балансных модуляторов, причем выход третьего балансного модулятора подсоединен к второму вхоДУ четвертого балансного модулятора, выход которого соединен с вторым входом третьего балансного модулятора и вторым входом первого фазового детектора через последовательно включенные резонансньй усилитель и подавитель амплитудной модуляции, а второй вход второго фазо;вого детектора соединен с выходом опорного генератора, вход ограничителя амплитуды соединен с выходом одного из фильтров нижних частот, частотомер подключен к выходу одного из однополосных модуляторов. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит однополосные модуляторы 1 и 2, управляемые по частоте генераторы 3 и 4, линию 5 задерки, балансные модуляторы 6-9, фильтры 10 и 11 нижних частот, ограничитель 12 амплитуды, фазовые детекторы 13 и 14, опорный генератор 15, блоки 16 и 17 управления частотой, управляемые линии 18 и 19 задержки, резонансный.усилитель 20 подавитель 21 амплитудной модуляции, блок 22 управления, частотомер 23.

В устройстве частота OfQопорного генератора 15 выбрана равной частоту настройки резонансного усилителя 20.

Входами фазометра являются первые входы первого 1 и второго 2 однополосных модуляторов, причем первьш однополосный модулятор последовательно через линию 5 задержки подключен к первому входу первого балансного модулятора 6, выход которого соответственно через фильтр 10 нижних частот и управляемую линию 18 задержки подключен к первому входу второго балансного модулятора 8, а второй однополосный модулятор 2 через последовательно включенные третий балансный модулятор 7, второй фильтр 11 нижних частот, вторую упраляемую линию 19 задержки подключен к первому входу четвертого балансного модулятора 9, второй вход которого соединен с выходом второго балансного модулятора 8, а вь1ход четвертого балансного модулятора 9 через резонансный усипитель 20 с последовательно включенным подавителем 21 амплитудной модуляции подсоединен к второму входу второго балансного модулятора 8 и первому входу первого фазового детектора 14. рлок 22 управления подключен раздельно к первой 18 и второй 19 управляемой линии задержки. Опорный генератор 15 раздельно подключен к вторьи входам первого 14 и второго 13 фазового детектора. Причем к первому входу второго фазового детектора t3 последовательно подключен через ограничитель 12 амплитуды выхЬд второго фильтра 11 низкой частоты. Выход второго фазового детектора 13 последовательно через второй блок 16 управления частотой подключен к входу второго управляемого генератора 4, выходы которого раздельно подключены к вторьм входам первого 6 и третьего 7 баланс ных модуляторов. Выход первого 14

(фазового детектора последовательно через первый блок Ч 7 управления частотой подключен к входу первого управляемого генератора 3, выходы которого раздельно подключены к вторым входам первого и второго однополосны модуляторов, т.е. 1 и 2 соответственно. Выходами фазометра могут быть выход второго управляемого генератора 4, либо выход второго однополосного модулятора 2.

Устройство работает следующим образом.

На первые входы первого и второго однополосных модуляторов 1 и 2 поступают опорный и информационный сигналы с текущими фазами , и ui -cpg соответственно. При прохождении входных цепей модуляторов со стороны первых входов оба колебания приобретают дополнительный параЗИТНЫЙ фазовый сдвиг , и Ы 922

где 09)( эквивалентные времена задержки цепей первых входов модуляторов.

На вторые входы этих модуляторов поступает колебание с выхода первог управляемого по частоте генератора 3 с текущей фазой 0) г, Ь tf,

Во входных цепях однополосных модуляторов это колебание получает дополнительньй фазовый набегСО., для опорного канала (в первом модуляторе 1) иы, информационного канала (во втором модуляторе 2), где S-j и - эквивалентные времена задержки цепей вторых входов однополосных модуляторов.

В результате преобразования на выходе указанных модуляторов получают колебание суммарной или разностной частоты с текущими фазами

lo+QriHf t % u29M tJr,9,z м

ш-и iWCOr,Htlf,-C|r,tUo,,,-CJ,C,,j+q.,, )

U 104Цг, + . (W-CJ,,H-q2-4r, 21

соответственно для опорного и информационного сигналов, где f . (и + СО,.,) и Cf, (03+ (jf,) - дополнительные фазовые набеги за счет неидеальности выходных частотно-зависимых цепей соответственно однополосных модуляторов 1 и 2 ,

С вьг-:ода перйого модулятора 1 колебаннь поступает на линию 5 задержки и получает в ней Фазовый набег u+cJrO n где S-jii - время запаздывания сигнала в этой линии задержки. Далее оба сигнала подаются на первые входы первого и третьего балансных модуляторов 6 и 7 и получают дополнительные фазовые набеги в их входных цепях, соответственно и (« + (oVi)t,, ,., где0,0 иS эквивалентные времена задержки цепей первых входов ба лансных модуляторов. На вторые входы этих модуляторов подается колебание с выхода второго управляемого по частоте генератора 4 с текущей фазой со i- суf2 В каждом из них получают дополнительные фазовые набе ги соответственно гг 9Ц г-г 924 где ис924 эквивалентные времена задержки цепей вторых входов модуляторов 6 и 7. В результате преобразования на выходе первого баланс ного модулятора 6 получают балансномодулированное колебание, верхняя бо ковая частота которого подается посл прохождения им первого фильтра 10 нижних частот, поэтому на его выходе имеет место колебание нижней боковой частоты с текущей фазой + Qri-Wr2)i-HJ},-v4M- Wc,,,4-Or,u5,7 M- 4u-Wf,H,12 + 9oV4rl- rz 9144w Wtl )2,,,,2 где cf 2 CW4-cOf - Wf.) фазовьй набег в фильтре 10 нижних частот о эквивалентное время задержк выходных цепе первого балансного моду лятора 4: Аналогично на выходе второго филь ра 11 нижних частот имеет место колебание с текущей фазой ( СОг, - Ц , «-(„ Ur,Cq,4 С,4+(,,)cq,- r2-Wr 2,j 4CQ+WrrWrtV где ,j (ОЗЧи, - - фазовый набег во втором фильтре 11 нижних частот 925 Эквивалентное время задерж ки выходных ц пей модулятора 7 . Колебание с выхода фильтра 11 нижних частот через ограничитель 12 подается на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которого подается сигнал с частотой СОог с опорного генератора 15. Устройство работает таким образом, что поддерживается равенство частот колебаний, подаваемых на входы фазового детектора 13, а при нарушении этого условия на его выходе появляется управляющее напряжение, которое посредством блока 16 управления.частотой изменяет частоту управляемого генератора 4 так, что восстанавливается прежнее равенство.. Таким образом, частота на выходе фильтра 11 нижних частот равна частоте опорного генератора 15 на протяжении всего времени измерения W Wu-Wr2 Wor После этого оба колебания проходят через управляемьге линии 18 и 19 задержки, в результате чего получают фазовые приращения срртветственно (;Q-V Wr,-Wril М Ог2 J - (u + w„-u,,г„ &) где ,, - величина времени запаздьшания сигнала в управляемых Л11риях задержки первой и второй соответственно. Дальше сигналы поступают на первые входы балансных модуляторов 8 и 9, оторые вместе с резонансным усилителем 20 и подавителем 21 амплитудной модуляции, замыкакяцими цепь самовозбуждения, образуют автогенератор с внешним возбуждением и двойньм реобразованием частоты. В замкнутом кольцевом соединении,, состоящем из второго и четвертого балансного модуляторов, резонансного силителя и подавителя амплитудной одуляции при выполнении условий амовозбуждения имеет место автоолебание, частота которого опредеяется условием баланса фаз С, 27п, о О, 1, 2...(2) де Ср - суммарньй фазовый сдвиг сигнала в блоках второго и четвертого балансного модулятора, резонансного усилителя и подавителя ЛМ. 7 Пусть условие самовозбуждения пер воначально вьшолняется на резонансн частоте усилителя 20, для которой справедливо соотношение ог,. где (О(Л - частота автоколебаний. Тогда на второй вход балансного модулятора 8 со стороны выхода подавителя 21 амплитудной модуляции поступает колебание с текущей фазой + lfct tflUoVOa g, , где Cf - начальная фаза автоколебания { CfCWa) фазовый сдвиг в резонансном усилителе (на резонан ной частоте с (MO 0)J л - / , - эквивалентное время задёр ки цепей, включающих выходные цепи модулятора 9 цели подавителя 21 амплитудной модуляции и цепь второго входа модулятора В результате преобразования на выходе балансного модулятора 8 по лучают балансно-модулированное колебание, нижняя боковая частота коТо рого предсталяет собой постоянную , составляющую и дальше через разделительные конденсаторы не прохо. дит, а верхняя боковая частота посту пает на второй вход балансного модулятора 9 с текущей фазой (),-Wra Ualbc,.cf,,.uC,,,.c.,,,.tf,,. Чы+Ur1HЛn 1 Vчп гг ч (w+ r1-WггV V п|ч in п ri ,ч гг) ,4 „+(сз+Uri-Wn,,6i.t j 4CW« -f (W-Wn-(Or7 + , g - эквивалентное время задержки входной цепи первого входа балансного мо дулятора 8; 92 - эквивалентное время задержки цепей вьпсода модулятора 8 и второго вхо да модулятора 9. Дальнейшее преобразование сигналов приводит к появлению на выходе балансного модулятора 9 балансномодулированного колебания, верхняя боковая частота которого, равная утроенной резонансной частоте 3(0. подавляется резонансным усилителем 20, а колебание нижней боковой час.тоты поступает на вход этого уси лителя с текущей фазой 4088 г t4f((i гоЛ м/- .г, 1 /, )Wl-9H--92i)4,(o,,,.c,)(q),+ ,П+(гЛ(г„5- 92з1+ г,х Чг:,.4-э.4(с)п-«г,)Го„5-„о 1%-ч„ ,)(ь,1Ь-С,,ь) 4C(WlUWQC3i4u Wr,-Wra+Wa) В процессе реализации данного устройства модуляторы 1 и 2, баланс-, ные модуляторы 6 и 7, фильтры 10 и 11 нижних частот, а также балансные модуляторы 8 и 9 выполняются попарно идентичными, т.е. характеристики соответствующих блоков одинаковы. Поэтому можно считать, что выполняются условия / , «Са --Р-- ,С „о .0 -971 ),.91Э 97гJЧ 4 -9 4} к С,,-,,,-,,,.-::,,(и) ч„(и)-, . . , 4«H ). П72 v. ;-И) В этом случае соответствующие паразитные фазовые набеги, имеюЩие место вследствие неидеальности Фазочастотных характеристик звеньев опорного и информадаонного каналов, взимно компенсируются и не оказывают влияния на точность измерений. Тогда общий фазовый набег в кольце самовозбуадения, образованном балансными модуляторами 8 и 9, усилителем 20 и подавителем 21 AM можно записать , u гА2эпН(„-Ч,г) + .V ,(., , / где(ср,-Cf - измеряемая разность фаз двух входных колебаний. В стационарном режиме выполняются условия )г1 ( Поэтому выражение (5) можно представить с учетом условий (6) в следующем виде cf ...а) -CJor.v-,-t2u). Параметры сОог,,, Фиксированные значения. В силу этого измеряемая частотомером 23 частотас),.я генератора 4 определяет значение.измеряемой разности фаз. Частота колебаний на выходе однополосного модуляторя 2 также функционально зависит от величины измеряемой разности фаз. В связи с этим частотоер 23 может быть также подключен к выходу однополосного модулятора 2 В этом случае, измеряя частотомером 23 частоту OO-vWp колебаний на выходе этого однополоснрго моду;лятора, можно определить значение измеряемой разности фаз. Перед выполнением измерения проводят коррекцию фазовых набегов в„ кольцевом соединении, состоящем из балансных модуляторов 8 и 9, усилителя 20 и подавителя 21 AM. Для этого на оба входа опорного и информаци онного каналов фазометра (входы одно полосных модуляторов) подают синфазные колебания и с помощью блока 22 управления изменяют время запаздывания сигналов в управляемых линиях задержки, добиваясь равенства частоты генератора 4 номинальному значению Р котором вьтолняется условие ог (.гin 9 2 7 VO В этом случае частота cOj- колеба НИИ генератора 4 в стационарном режиме при подаче на входы фазометра сиг налов, меязду которыми существует измеряемый фазовьй сдвиг () определяется на основании зависимости (7) следующим вьфажением -( ) из которого следует Ч-и,-с,,) При изменении измеряемой разности фаз ( (ч - 2-) изменяется общий фазо вый набег в кольце самовозбуждения и первоначапьное условие (2) для час тоты QQ нарушается. Это приводит к изменению частоты автоколебаний WQ за счет чего поддерживается условие баланса фаз, но уже на другой частоте. С выхода подавителя 21 амплитудной модуляции колебание этой частоты поступает на второй вход первого фаз вого детектора 14, на первый вход которого подается сигнал с опорного генератора 15. Вследствие нару1ления условия (3) на выходе указанного фазового детектора появляется управляющее напряжение, которое посредством блока 17 уп равления частотой изменяет частоту сО первого управляемого генератора 3

таким образом, что появляется дополнительньп фазовый набег ы г, 1

Частота его изменяется до тех пор, пока частота автоколгбаннй на ныходе 0810 за счет изменения частоты СОр , которьй компенсирует внесенную разность фаз в кольцевом соединении и устанавливается первоначальная частота автоколебаний (OQ Одновременно с этим на вход фазового детектора 13с выхода фильтра 11 поступает через ограничитель 12 амплитуды колебание с частотой, отличающейся от частоты опорного генератора 15. На выходе этого фазового детектора появляется управляющее напряжение, которое с помощью блока 17 управления частотой изменяет частоту второго управляемого генератора 4 до те пор, пока снова не выполняется условие (6). Новое значение частоты Qfn генератора 4 будет соответствовать измененному значению измеряемого фазового сдвига. По величине изменения частоты генератора 4, фиксируемой частотомером 23, судят о величине изменения измеряемого фазового сдвига. Показания частотомера, как следует из соотношения (10), линейно связаны со значением измеряемого фазового сдвига и могут быть проградуированы в единицах измерения фазового сдвига. При подключении частотомера 23 к выходу однополосного .модулятора 2 по изменению частоты колебаний на выходе этого однополосного модулятора, регистрируемой частотомером, судят об изменении измеряемой разности фаз. При изменении частоты G входных сигналов на некоторое значение йЫ на выходе однополосного модулятора 1 появляется колебание,сдвинутое по фазе по отношению к колебанию на выходе однополосного модулятора 2 на величину . Этот фазовый сдвиг путем преобразований сигнала в балансных модуляторах 6 и 7, 8 и 9 вносится в цепь обратной связи кольца самовозбуждения. Вследствие этого частота автоколебаний СОд отклоняется от своего номинального значения WQ и на выходе фазового детектора 13 появляется постоянное напряжение, под воздействием которого блок 16 управления частотой изменяет частоту гелератора 3.

ФАЗОМЕТР С ЧАСТОТНЬМ ВЫХаДОМ, содержащий два однополосных модулятора в каналах опорного и информационного сигналов, последовательно соединенный опорньй генератор, первый фазовый детектор, блок управления частотой и управляемый по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам однополосных модуляторов, линию задержки:, а также две управляемые линии задержки с блоком управления, частотомер, резонансный усилитель и подавитель амплитудной модуляции, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно установлены четыре балансных модулятора, два фильтра нижних частот и последовательно соединенные ограничитель амплитуды, второй фазовый детектор, второй блок управления частотой и второй управляемый по частоте гене ратор, выход которого подключен к вторым входам второго и первого балансных модуляторов, первые входы которых подключены соответственно к выходу второго однополосного модулятора и к выходу линии задержки, вход которой соединен с выходом первого однополоеного модулятора, при этом выходы первого и второго балансных модуляторов соединены через первьй и второй фильтры нижних частот с входами соответственно первой и второй управляемых линий задержки, выходы которых, в свою очередь подключены соответственно к первым вхоW дам третьего и четвертого балансных модуляторов, причем выход третьего балансного модулятора подсоединен к второму входу четвертого балансного модулятора, выход которого соединен с вторым входом третьего балансного модулятора и вторым входом первого фазового детек- ора через послеDO довательно включенные резонансный усилитель и подавитель амплитуд42 ной модуляции,а второй вход второго фазового детектора соединен с выходом 00 юпорного генератора, вход ограничителя амплитуды соединен с выходом одного из фильтров нижних частот, частотомер подключен к выходу одного из однополосных модуляторов.