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

Изобретение относится к измерительной технике, связанной с измере нием фазового сдвига между двумя электрическими колебаниями, и может быть использовано в процессе разработки фазометрических устройств, предназначенных для различных радио технических систем, и является усовершенствованием известного устройс ра, описанного в авт.св. № 993147. Целью изобретения является повышение точности измерений разности фаз двух колебаний за счет уменьшений зависимости результатов измерений от колебаний параметров элементов внутренней структуры фазометра. На чертеже представлен4 функциональная схема предлагаемого устройства., Устройство содержит согласующие блоки 1 и 2, первый 3 и второй 4 однополосные модуляторы, гетеродин 5, третий 6 и четвертьй 7 однополосные модуляторы, управляемые линии 8 и 9 задержки, блок 10 управ ления, пятьй 1I и шестой 12 одно1 полосные модуляторы, подавитель 13 амплитудной модуляции, седьмой однопрлосный модулятор 14, резонансный усилитель 15, восьмой однополое ный модулятор 16, перестраиваемьй генератор 17, линию 18 задержки, девятый 19 и десятый 20 однополосные модуляторы, второй гетеродин 21 двенадцатый 22 и одиннадцатьш 23 однополосные модуляторы, опорный генератор 24, амплитудный детектор 25, ключ 26, фазовый детектор 2 блок 28 управления, генератор 29 линейно-изменяющегося напряжения и частотомер 30. При этом первый вход фазометра через последова тельно включенные согласующий блок 1, однополосньш модулятор 3 соединен с первым входом однополосного модулятора 6, по второму входу которого аналогичн через согласукщий блок 2 и однополосный модулятор 4 подсоединен второй вход фазометра. Выход однополое него модулятора 6 через последовательно включенные линию 8 задержки, рднополосньй модулятор 12, подавитель 13 амплитудной модуляции, однополосный модулятор 14, усилитель И однополосный модулятор 16 соедине с первым входом однополосного модулятора 11, выход которого соедине с вторым входом однополосного модулятора 12. Первый выход гетеродина 5 соединен с вторыми входами однополосных модуляторов 4 и 7, а второй выход гетеродина 5 соединен с вторым входом однополосного модулятора 3 и первым входом однополосного модулятора 7, выход которого через управляемую линию 9 задержки соединен с вторым входом однополосного модулятора 11, при.этом выход блока 10 управления соединен с вторыми входами управляемых линий & и 9 задержки. Первый выход второго гете- ; родина 21 соединен с первыми входами однополосных модуляторов 20 и 23t а второй выход гетеродина 21 соединен с вторыми входами однополосных модуляторов 19 и 23. Выход . модулятора 23 соединен с вторым входом однополосного модулятора 16, а выходы такиж же модуляторов 19 и 20 соединены с входами однополосного модулятора 22, вьпсод которого соединен с вторым входом аналогичного модулятора 14. Выходы генератора 17 соединены с вторыми входами однополосных .модуляторов 19 непосредственно и 20 через лини1р 18 задержки, а также с входом частотомера 30. Выход резонансного усилителя 15 подключен через фазовый детектор 27 к первому входу ключа 26 и через амплитудньй детектор, 25 к второму входу того же ключа 26, второй вход ключа 26 соединен через генератор 29 с третьим своим входом, выход ключа 26 через блок 28 уиразления соединен с входом генератора 17, а второй вход фазового детектора 27 соединен с выходом опорного генератора 24. Устройство работает следующим образом. На входы согласукицих блоков 1 и 2 подают опорный и информационньш сигнал с текущими фазами Qt i- и QttCf соответственно, которые затем поступают на первые входы однополосных модуляторов 3 и 4. На второй вход однополосного модулятора 3 с выхода гетеродина 5 поступает колебание с текущей фазой (.. На выходе однополосного модулятора 3 выделяется колебание с текущей фазой (СО - СО ) i + qij, - q, и поступает на первый вход однополосного модулятора 6. С второго вьпсода гете3родина 5 колебание с текущей фазой (СО ) поступает на второй вход однополосного модулятора 4 на выходе которого выделяется колебание с текущей фазой(й)457,-ы)1-ttf -tf Это колебание поступает на второй вход однопрлосного модулятора 6, на выходе которого вьщеляется колебание с текущей фазой S,i+((f22-42i)+(4r47) Одновременно с этим колебания с выхода гетеродина с текущими фазами (Ыг+П, и и)f- поступают на входы однополосного модулятора 7 на выходе которого при этом выделяется колебание с текущей фазой Л, ( - fPai ). Колебание с выхода однополосного модулятора 6 проходит через управляемую линию 8 задержки, при этом теку щая фаза колебания на выходе однополосного модулятора 12 равна n,t + + (Cf27- Ч2, ) - (q-, - tfl ) где 2з, время задержки сигнала в линии 8 задержки. Колебание с выхода однополосного модулятора 7 задерживается управляемой линией 9 задержки на время задержки « 2 и поступает на вход однополосного модулятора 11 с текущей фазой Я,t + + (,) При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 15 в кольцевом соединении образованном последовательно включен ными однополосным модулятором 11, однополосным модулятором 12, подавителем 13 амплитудной модуляции, одно полосным модулятором 14, резонансным усилителем 15 и однополосным модулятором 16, возникают автоколебания, так как при вьшолнении условий баланса фаз и амплитуд данное кольцевое соединение превращается в автоколебательную систему. Сигнал .с выхода однополосного модулятора 16 поступает на вход однополосного мо. дулятора 11с текущей фaзoйWqt + Ч где (iJg - частота колебаний на выходе однополосного модулятора 16,( - начальная фаза. На выходе однополосного модулятора 1 1 вьщеляется колебание с суммарной частотой П, и поступает на вход однополосного модулятора 12, на выходе которого вьщеляется колебание с разностной частотой - 5 ( Таким образом, на выходе однополосного модулятора 12 вьзделяется колебание той же частоты, что и на 984 выходе однополосного модулятора .16. В процессе такого преобразования частоты в однополосных модуляторах 11 и 12 измеряемый фазовый сдвиг Дср Cf,-Cf2 и разность фазовых сдвигов в линиях 8 и 9 задержки neper носятся на колебание, выделяемое на выходе однополосного модулятора 12. Сигнал, проходящий с выхода однополосного модулятора 16 на выход однополосного модулятора 12, претерпевает паразитный фазовый сдвиг (СОд + + S2i) зп (или (СОа-57 )Г,п,), где время запаздь1вания сигнала в выходных цепях однополосного модулятора 11. Следовательно, текущая фаза колебаний на выходе однополосного модулятора 12 равна сЗдЬ Cf-i-(cOq+ (). гдeCf - на ьная фаза автоколебаний. Колебания в цепях между входом однополосного модулятора 14 и выходом однополосного модулятора 12, а также в цепях между выходом однополосного модулятора 16 и входом однополосного модулятора 1 1 претерпевают фазовый сдвиг, равный СОд , где € - время запаздывания сигнала в перечисленных выше цепях. В процессе прохождения блоков модулятора 14, усилителя 15, модулятора 16, сигнал претерпевает фазовый сдвиг, состоящий из сдвига в резонансном усилителе( гдеQус частота настройки усилителя, Цс время запаздывания сигнала в усилителе, и из сдвига, вносимого из-за возвратного преобразования частоты в однополосных модуляторах 14 и 16 с стороны вторых входов этих модуляторов, получаемого в результате многократного преобразования в блоках линии 18 задержки, модуляторах 19 и 20, колебания с выхода перестраиваемого генератора 17, имеющего текущую фазу Co, „ . Первоначально, зто колебание поступает на вход линии 18 задержки, в которой получает дополнительный фазовый а.бегсо с,, , гдеС, - время запаздывания сигнала в линии 18 задержки. Далее колебания с выхода перестаиваемого генератора 17 и с выхода линии 18 задержки поступают на первые входы однополосных модуляторов 19 и 20. На второй вход однополосного модулятора 19 с первого выхода гетеодина 21 поступает колебание с теущей фазой со i -t qij „ На выходе однополосного модулятора 19 выделяется колебание с текущей фазой (й)( -O,)i поступает на первый вход однополосного модулятора 22. Со второго выхода гетеродина 21 колебание с текущей фазой (W + S7, )Ч + поступает на второй вход однополосного модулятора 20 на выходе которого выделяется кодебание с текущей фазой со tQj-Оз) -&3,-tA5 . Это колебание поступает на второй вход однополосного модулятора 22, на выходе которого выделяется колебание с текущей фазой + (i 4a 44iV Ai Одновременно с этим, колебания с выходов гетеродина 21 с текущими фaзaми() + + (S поступают на входы однополосно го модулятора 23, на выходе которого при этом вьщеляется колебание с те-:. кущей фазой nji + (qi42-44Al ;Далее колебания с выходов однополосных модуляторов 19, 20 и 23 поступают на вторые входы однополосных модуляторов 16 и 14, вызывая дополнительны фазовый сдвиг колебания в кольце сам возбуждения. Общий фазовый сдвиг, по лученньй сигналом в процессе однокра ного прохождения кольцевого соединения, состоящего из модуляторов 11 и 12, подавителя 13, модулятора 14, усилителя 15 модулятора 16 составляет (.cf4(,)1l,+.Q,(1J,j-o,,Vuo,i -( В этом случае, если (j) г. , где И О, 1, 2, ..., то выполняется условие баланса фаз, и в кольцевом сое динении существуют автоколебания при достаточно большом значении коэффициента усиления усилителя 15. На этапе конструктивной разработки устройства частота настройки резонансного усилителя 15, а также частоты S2, и 522 гетеродина 5 и генератора 17 выбираются равными частоте СОд опорного генератора. При возникновении автоколебаний в замкнутом кольцевом соединении частота колебаний СО на выходе усилителя 15 может несколько отличаться от резонансной частоты У . В этом случае колебание с выхода резонансного усилите пя поступает на вход амплитудног детектора 25, на выходе которого формируется постоянное напряжение, под воздействием которого электронньй ключ 26 устанавливается в режим пропускания управляющего напряжения с выхода фазового детектора 27 на управляющий вход блока 28 управления. Одновременно на выходе фазового детектора 27 формируется управляющее напряжение вследствие несовпадения ,частот колебаний на выходах резонансного усилителя 15 и опорного генератора 24. Под воздействием этого управляющего напряжения блок 28 управления перестраивает частоту генератора 17 таким образом, что выполняется условие СО СОо На начальном этапе автоколебания в замкнутом кольцевом соединении могут не возбуждаться из-за того, что условие фаз выполняется на частоте, не попадакицей в пределы полосы пропускания резонансного усилителя 15. Тогда с выхода резонансного усилителя 15 не поступает колебание на вход амплитудного детектора 25 и на его выходе не будет пос- тоянного управляющего напряжения. Электронный ключ 26 установится в режим пропускания сигнала с выхода генератора 29 линейно изменяющегося напряжения, который начинает вырабатывать линейно изменяющееся напряжение, под воздействием которого блок 28 управления изменяет частоты колебаний подстраиваемого генератора 17 от минимального значения СО - в сторону увеличения. При этом изменяются вносимый сдвиг фaзc)c в кольцевое соединение и условие фаз. В конце концов условие фаз выполняется на некоторой частоте СО , попадающей в пределы полосы пропускания, резонансного усилителя 15 и в кольцевом соединениивозникают автоколебания, на выходе амплитудного детектора 26 появляется колебание с определенной амплитудой, а на его выходе сформируется управляющее постоянное напряжение, под воздействием которого электронный ключ 26 перейдет в режим пропускания управляющего сигнала с выхода фазового детектора 27. Под воздействием данного управляющего напряжения блок 28 перестраивает частоту генератора 17 до совпадения частоты колебаний на выходе резонансного усилителя 15 с частотой опорного генератора 24. На этом перестройка частоты генератора 17 прекращается, и по значению частоты генератора 17, измеряемой частотомером 30, можно . судить о величине измеряемого фазового угла Ср .В процессе конструктивной разработки предложенного устройства шкала частотомера 30 может быть проградуирована в значениях фазового углэ., Перед вьтолнением измерений с помощью данного фазометра производят корректировку фазовых набегов в кольцевом соединении. Для зтого на входы согласуютщх блоков 1 и 2 подают два синфазных колебания. В этом случае в результате преобразований с сигналами, описаны вьше, устанавливается частота колебаний перестраиваемого генератора 17, значение которой отличается о.т ее номинального (соответствующего нулевому фазовому сдвигу на входах фазометра) из-за расстройки резонанс ного усилителя 15 относительно часто ты . опорного генератора 24, а также из-за паразитного фазового сдвига в цепи между блоками замкнуто го кольцевого соединения. Изменяя с помощью блока 10 управления величи ны времени задержки с), и jz в лини ях 8 и 9 задержки перестраивают частоту перестраиваемого генератора 17 для ее номинального значения, соответствующего нулевому фазовому сдвигу между входными опорным и информационным сигналами, При этом, благодаря установке линий 8 и 9 задержки в замкнутое состояние, состоящее из модуляторов 11 и 12, подавителя 13, модулятора 14, усилителя 15 и модуля тора 16, вносится фазовый сдвиг S2 (t, - С,,) , который компенсирует паразитные фазовые сдвиги. В процесс (Конструктивной разработки параметры Iлиний 8 и 9 задержки можно выбрать такими, что при номинальном значении частоты колебаний перестраиваемого генератора 17 и при нулевом фазовом сдвиге на входе фазометра выполняется условие (Ое,51,П,„,+ Л,(С,,-о„)-(Со,г„ + + lWyc-CO t,4-tj)2irw С ур-«1Пгп1,с.. .. ) + СО ,, где W О, 1, 2 .... Первое и третье слагаемые этого вьфажения представляют собой паразитные фазовые набеги и существенно зависят от величин и , которые в общем случае являются функциями частоты автоколебаний 05n,25f,t(Wp 4-57,) и Т . Характер этих -зависимостей определяется параметрами фильтрующих звеньев, а также входных цепей блоков в замкнутом кольцевом соединении и в общем случае носит нелинейный характер. Благодаря установке второго гетеродина 21 и четырех однополосных модуляторов 19, 20, 22 и 23 частота колебаний 2- на вторых входах однополосных модуляторов 16 и 14 остается постоянной при любых изменениях частоты перестраиваемого генератора 17, а следовательно, остаются неизменными фазовые набеги(Мд+52,, исОдС в кольце самовозбуждения. Изменение частоты колебаний генератора практически не влияет при этом на точность измерений фазового сдвига. После корректировки фазовых набегов производят измерения с помощью данного фазометра. В процессе измерений на опорньм и информационный входы подают колебания, фазовый сдвиг bCf между которыми нужно определить. При этом, в процессе преобразования с сигналами, описанными выше, установится частота колебаний подстраиваемого генератора 17, равная btp При изменении величины измеряемого фазового сдвига изменяется частота автоколебаний в замкнутом .кольцевом соединении, а следовательно, изменяется частота колебаний на выходе резонансного усилителя 15. Это приводит к появлению управляющего напряжения на выходе фазового дет ектора 27, под воздействием которого блок 28 управления перестраивает частоту колебаний генератора 17 таким образом, чтобы изменение вносимого через линию 18 задержки фазового сдвига, скомпенсировало изменение измеряемого фазового сдвига. По изменению частоты колебания подстраиваемого генератора 17, регистрируемому частотомером 30, судят о величине изменения измеряемого фазового сдвига.

Изменение частоты входных опорного и информационного колебаний не сказывается на показаниях частотомера 30, так как при этом частота колебаний на выходах однополосных модуляторов 6 и 7 остается неизменпой. Изменение частоты перестраиваемого генератора 17 также не сказывается на показаниях частотомера 30, так как при этом частота колебаний на выходах однополосных модуляторов 22 и 23 остаётся неизменной.

ФАЗОМЕТР С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ по авт.св. № 993147, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения, дополнительно установлены второй гетеродин и четьфе однополосных модулятора, причем первые входы девятого и одиннадцатого однополосных модуляторов соединены вместе и подключены к первому выходу второго гетеродина, первый вход десятого и второй вход одиннадцатого однополосных модуляторов соединены вместе и подключены к второму выходу второго гетеродина, первый и второй входы двенадцатого однополосного модулятора подключены к выходам девятого и десятого однополосных модуляторов, вторые входы девятого и десятого однополосных модуляторов подключены соответственно к выходам перестраиваемого генератора и линии задержки, а выходы одиннадцатого и двенадцатого однополос(Л ных модуляторов подключены к вторым входам соответственно восьмого и С седьмого однополосных модуляторов.