Фазометр Советский патент 1985 года по МПК G01R25/00 

00 Изобретение относится к измерительной технике, связанной с измерением фазовых сдвигов электрических колебаний, и может быть использовано при разработке фазометрических устройств, предназначенных для различных радиотехнических систем, систем автоматического контроля и управления, основанных н применении информации, заложенной в разности фаз электрических колебаний. По основному авт. св. № 983573 известен фазЬметр, содержащий в опор ном и информационном каналах по два смесителя с общими для каждого смесителя двумя гетеродинами, последовательно соединенные фазовый дете тор, фильтр нижних частот и блок перестройки второго гетеродина, а также регистрирующий блой, последовательно соединенные в кольцо третий смеситель, широкополосный усилитель четвертый смеситель и резонансный усилитель, причем вторые входы трет его и четвертого смесителей соответ ственно соединены с выходами вторых смесителей в обоих каналах, входы фазового детектора соединены соответственно с выходами резонансного усилителя, а регистрирующий блок подключен к второму гетеродину. ЭтЬ устройство основано на преобразовании измеряемой разности фаз в часто ту колебаний второго гетеродина за счет возбуждеш1я автоколебаний в кольцевом соединении, состоящем из последовательно соединенных трет его смесителя, широкополосного усили теля , четвертого смесителя и резонансного усилителя lj . Погрешность измерения разности фаз с помощью данного фазометра опре деляется нестабильностью частоты колебаний второго, гетеродина. В то же время нестабильность частоты второго гетеродина зависит также от не стабильности частоты автоколебаний в кольцевом соединении. Кроме того, данное устройство обладает сравнительно низкой крутизной зависимости частоты колебаний второго гетеродин от величины измеряемого фазового сдвига. Всё это в конечном итоге пр водит к снижению точности измерений Целью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем что в фазометр между выходом резо02нансного усилителя и первым входом третьего смесителя введен пьезоэлектрический резонатор, между выходом второго перестраиваемого гетеродина и входами вторых смесителей дополнительно введен делитель частоты, а входы фазового детектора подсоедине иы к входу пьезоэлектрического резонатора. На чертеже представлена функциональная схема устройства о Устройство содержит первые смесители 1 и 2 соответственно в опорном и инфорь1ационном каналах и общий для этих смесителей гетеродин 3, вторые смесители 4 и 5 со связанными вторыми входами этих смесителей через делитель частоты 6 с общим перестраиваемым по частоте гетеродином 7, Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные . в кольцо третий смеситель 8, широкополосный усилитель 9, четвертый смеситель 10, узкополосный резонансный усилитель 11 и пьезоэлектрический, например кварцевый, резонатор 12, При этом выход второго смесителя 4 соединен с вторым входом третьего смесителя 8, выход второго смесителя 5 соединен с вторым входом четвертого смесителя 10, выход резонансного усилителя 1 1 подключен к второму входу фазового детектора 13, к первому.входу которого подключен фазовращатель 14, вход которого соединен с первьм входом третьего смесителя 8.. Выход фазового детектора 13 через фильтр 15 нижних частот соединен с входом управления блока 16 перестройки второго гетеродина, с помощью кото.рого осуществляется перестройка гетеродина 7. Выход перестраиваемого гетеродина 7 подключен к входу.частотомера (регистрирующего блока) 17. Устройство работает следующим образом. Входные опорный и информационный сигналы с помощью смесителей 1 и 2 с общим гетеродином 3 преобразуются в колебания с промежуточной частотой Ug , При этом измеряемый фазовый сдвиг йСр, содержащийся в информационном входном сигнале, без изменения переносится на колебание, выделяемое на выходе смесителя 2 в информационном канале. Колебание с выхода смесителя 1 в опорном канале поступает на вход второго смесителя 4, на выходе .которого выделяется колебание с суммарной частотой . где сэ частота; П - коэффициент деления частоты делителем 6 колебаний гетеродина 8. Колебание с частотой cj поступает на вход третьего смесителя 8, на выходе которого вьщеляется колебание с суммарной СО, U+ ЫдИли разностной со, {СО-Йд у частотой, где ООдчастота колебания, поступающего на второй вход смесителя 8 с выхода усилителя 11 (резонансная частота) через резонатор 12. Колебание с выхода смесителя 8 поступает на вход широкополосного усилителя 9, усиливается и затем подается на вход четвертого смесителя 10, на второй вход которого поступает колебание с часто той (л) с выхода второго /смесителя 5 в информационном канале. На выходе смесителя 10 выделяется колебание с разностной или суммарной частотой и.поступает на вход резонансного уси лителя 11„ Последовательно соединенные пьезоэлектрический рез.онатор 1 2, третий смеситель 8, широкополосный усилитель 9 и четвертый смеситель 10 образуют цепь обратной связи резонансного усилителя 11 и при достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя 11 в этой системе возникают автоколебания, В начальный момент времени автоколебания могут не существовать, в этом случае блок 16 перестройки работает в режиме поиска и перестраивает частоту гетеродина 7 от минимального значения в сторону увеличения. При некотором значении частоты гетеродина 7 возникают автоколебания на выходе усилителя 11 с частотой,, несколько отличной от резонансной частоты. Резонансная ас тота 03(jB устройстве совпадает с часто той последовательного резонанса СО резонатора j2. При этом колебание на выходе усилителя 11 по отношению к колебанию на первом входе третьего смесителя 8 сдвинуто по фазе относительно его входного колебания на величину Cfд , и на выходе фазового детектора 13 присутствует напряжение, отличное от нуля. Под действием напряжения, снимаемого с выхода фазо вого детектора 13 и подаваемого через фильтр 15 нижних частот на 1 04 вход управления блока 16 перестройки, последний переходит в режим сопровождения и в установившемся режиме подстраивает частоту гетеродина 7 таким образом, чтобы частота колебаний на выходе усилителя 11 точно равнялась номинальному значению ее резонансной частоты (Од , В стационарном установившемся режиме частота колебаний COi на выходе усштителя 9 И частота cOg гетеродина 7 определяются условием баланса фаз для замкнутой автоколебательной системы, состоящей из усилителя 11 с цепью обратной связи, образованной последовательно соединенными пьезоэлектрическим резонатором 12, третьим смесителем 8j гаирокопсшосным усилителем 9 и четвертым смесителем 10, Условие баланса фаз можно представить в следзтощем виде CO,o 4uqitQp - время запаздывания сигнала в широкополосном усилителе 9 йЧ - измеряемьй фазовый сдвиг | фазовый набег в пьезоэлектрическом резонаторе 12 Т - при инвертировании сигнала в одном из усилителей 9 или 11; 2и - при неинвертировании сигнала в усилителях 9 и 11. Из условия баланса фаз следует, что частота колебаний cOi и частота гетеродина 7 со йз,-() при заданных значениях - и определяется величиной измеряемого фазового сдвига bCf . Измеряя с помощыо частотомера I7 частоту колебаний гетеродина 7 или частоту колебаний на выходе определяют значение i,q. При измерении величины Лср иэменяг ется вносимый фазовый набег в цепи обратной связи резонансного усилителя 1 1 и условие баланса фаз выполни- ется на некоторой другой частоте При этом изменяется частота колебаний на выходе резонансного усилителя 11 и вследствие этого появляется напряжение на выходе фазового детектора 13, Это приводит в свою очередь к перестройке частоты гетеродина 7. По изменению частоты гетеродина 7, регистрируемому частотомером 17, можно судить о величине изменения измеряемого фазового сдвига uCf . Использование изобретения позволя ет повысить точность измерения фазовых сдвигов, В этом случае применение пьезоэлектрического, например кварцевого , резонатора 12 в цепи обратной связи автоколебательного кольцевого соединения, состоящего из последовательно соединенных блоков 8-12, позволяет повысить стабиль ность частоты автоколебаний в этом кольцевом соединении на выходе усили теля 11 и тем самым увеличить стабильность частоты выходных информационных колебаний генератора 7, Кроме того, использование делителя частоты 6, установленного между выходом гетеродина 7 и входом вторых смесителей 4 и 5, приводит к повьшению крутизны зависимости приращений частоты перестраиваемого гетеродина 7 от приращений измеряемого фазового сдвига. Все это в конечном итоге приводит к уменьшению погрешностей измерений фазовых сдвигов двух колебаний. .Сравнительный анализ предлагаемого устройства и базового, в качестве которого принят известный фазометр l . Среднеквадратическая погрешность измерений в обоих устройствах может быть определена соотношением V . гк т 4 - среднеквадратическое откло нение частоты перестраивае мого гетеродина от ее номи нального значения, обуслов ленное нестабильностью час тоты; с г Э -Jкрутизна зависимости т ты перестраиваемого гетеро дина от величины приращени u.cf, измеряемого фазового сдвига. Для известного фазометра крутизна зависимости частоты перестраиваемого гетеродина от измеряемого фазового сдвига равна Я Ь,4. -л где «- - время запаздывания сигнала в широкополосном усилителе. В предлагаемом устройстве крутизна зависимости частоты перестраиваемого гетеродина от измеряемого фазового сдвига равна где п - коэффициент деления делителя 6; время запаздывания сигнала. в широкополосном усилителе 9, Среднеквадратичная погрешность измерений для предлагаемого устройстваЙ2.ч- гн - эПри использовании одинаковых широкополосных усилителей как в предлагаемом, так и в известном устройствах (о имеет одинаковое значение в обоих устройствах) соотношение среднеквадратических погрешностей из мерения определяется зависимостью .2,lii й,мв из этого соотношения следует, что применение делителя частоты с коэффициентом деления 8ых.,ел П 13 г где дел частота колебаний на выходе делителя; i - частота перестраиваемого гетеродина, позволяет уменьшить среднеквадрати-, ческую погрешность в 1/п раз. Кроме того, применение пьезоэлектрического резонатора в кольцевом соединении, состоящем из блоков 8-12, приводит к уменьшению среднеквадратического отклонения частоты перестраиваемого гетеродина по сравнению с d, ig в известном устройстве. Это также уменьшает среднеквадратическую погрешность измерения разности фаз двух колебаний. Таким образом, предлагаемое устгройство обладает меньшей погрешностью измерения фазовых сдвигов.

xl/

ФАЗОМЕТР по авт. св. № J 83573, отличающий тем, что, с целью повышения точности измерений, между выходом резонансного усилителя и первым входом третьего смесителя введен пьезоэлектрический резонатор, мехпу выходом второго перестраиваемого гетеродина и входами вторых смесителей дополнительно введен делитель частоты, а входы фазового детектора подсоединены к входу пьезоэлектрического резонатора.

10