Устройство для измерения фазового сдвига Советский патент 1985 года по МПК G01R25/02 

соединен с вторым входом третьего регистра, пятый выход блока управления соединен с управляющими вхо дами первого и второго аналого-циф ровых преобразователей, шестой выход блока управления через второй высокочастотный генератор сое динен с входом оптического аттенюа тора . 2. Устройство по п.1, о т л ичающееся тем, что блок управления выполнен в виде генератора тактовых импульсов, счетчика, цифро-аналогового преобразователя, первого и второго триггеров, логического элемента ИЛИ, двух логических элементов И, причем выход первого элемента И соединен с третьим выходом блока управления, с R -входом счетчика, R -входом второго триггера и S -входом перво го триггера, генератор тактовых импульсов подключен к счетному входу счетчика, причем первый выхо счетчика связан с пятым выходом блока управления, второй выход 94 счетчика подключен к первым входам первого и второго элементов. И, а трет,;й выход счетчика связан с шестым выходом блока управления через последовательно включенный цифроаналоговый преобразователь, выход второго элемента И подключен к четвертому выходу блока управления и R -входу первого триггера, прямой выход первого триггера подключен к входу элемента ИЛИ и третьему входу второго элемента И, а прямой выход второго триггера подключен к вторым входам элемент та ИЛИ и первого элемента И, инверсные выходы первого и второго iтриггеров подключены соответствен|но к первому выходу блока управления и второму входу второго элемента И, выход элемента ИЛИ подключен к второму выходу блока управления, входом блока управления является 5 -вход второго триггера, а установочный вход блока управления соединен с R -входом счетчика, R-входом второго триггера и 5 -входом первого триггера.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА, содержащее первый высокочастотный генератор, соединенный с делителем мощности, к первому выходу которого последовательно подсоединены первый вентиль и первый источник когерентного света с модулирующим входом, оптически связанный через оптический фазовращатель с входом фазового детектора, выполненного в виде лавинного фотодиода с фильтром нижних частот и первым индикатором на выходе, а к второму выходу делителя мощности последовательно подсоединены второй вентиль, исследуемый СВЧ-элемент и второй источник когерентного света с модулирующим входом, соединенный через оптический аттенюатор с входом фазового детектора, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения и расширения функциональных возможностей за счет вьтолнения оптического аттенюатора в виде аккуртического дефлектора, в него введены второй высокочастотный генератор, первый и второй аналогоцифровые преобразователи, первый, второй и третий регистры, оптический измеритель мощности и ком-. паратор, выход которого соединен с первым входом блока управления, выход фильтра низкой частоты через последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь и первый регистр соединен с входом первого индикатора, вход опт тического измерителя мощности оптически соединен с оптическим аттенюатором, а выход через послеКл довательно соединенные второй аналого-цифровой преобразователь и . второй регистр соединен с вторьм индикатором, выход первого аналогоцифрового преобразователя присое- динен к первому входу компаратора непосредственно и через третий регистр к второму входу компаратора, первый выход блока управления соединен с управляющим входом второго коммутатора, вход которого соединен g с выходом второго вентиля, а выход через клеммы для подключения исследуемого СВЧ-элемента соединен с модулирующим входом второго источника когерентного света, второй выход блока управления соединен с управЛЯЮ1ЦИМ входом первого коммутатора, вход которого соединен с выходом первого вентиля, а выход - с модулирующим входом первого источника когерентного света, третий вход блока управления соединен с вторыми входами первого и второго регистров, четвертый выход блока управления

Изобретение относится к технической физике и измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовых и амплитудных характеристик радиоустройств на вы соких -1 сверхвысоких частотах. Целью изобретения является повы шение точности измерения фазы и расширение функциональных возможностей устройства. Введение в устройство для измерения фазового- сдвига блока управления, двух высокочастотных коммутаторов, первого аналого-цифрового преобразователя, первого и третьего регистров, компаратора и выполнение оптического аттенюатора в виде акустооптического дефлектора позволяет повысить точность измерений разности фаз за счет перио дически .повторяющегося автоматического вьфавнивания интенсивносте света в опорном и измерительном каналах. Введение в устройство второго высокочастотного генератора, измерителя оптической мощности, второго аналого-цифрового.преобразователя и второго регистра позволяет вьтолНЯТ1 измерение модуля коэффигщента передачи исследуемого СВЧ-элемента, т.е. расширить функциональные возможности устройства. На чертеже дана схема предлагаемого устройства. Устройство содержит первый генератор 1 высокочастотных колебаний, делитель 2 мощности, первый вентиль 3, первый высокочастотный коммутатор А, первый источник 5 когерентного света с модулирующим входом, оптическшЧ фазовращатель 6, лавинный фотодиод (ЛФД) 7, фильтр 8 нижних частот (ФНЧ), первый ана3

лого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, первый регистр 10, первый индикатор 11, компаратор 12, третий регистр 13, второй индикатор 14, второй регистр 15, второй аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 16, измеритель 17 оптической мощности, блок 18 управления, акустооптический дефлектор (АОД) 19, второй генератор 20 высокочастотной мощности,

второй источник 21 когерентного света с модулирующим входом, исследуемый СВЧ-элемент 22, второй высокочастотный коммутатор 23 а второй вентиль 24, причем блок 18 управления в свою очередь состоит из первого триггера 25, элемента ИЛИ 26 счетчика 27, генератора 28 тактовых импульсов, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 29, второго триггера 30, первого 31 и второго 32 элементов И.

Последовательно соединенные электрически первьи вентиль 3, первьп1 высокочастотный коммутатор 4, -первый источник 5 когерентного света, с модулирующим входом и связанные с ним оптически оптический фазовращатель 6 и ЛФД 7 образуют канал опорных колебаний устройства.

Второй вентиль 24, второй высокочастотный коммутатор 23, исследуемый СВЧ-элемент 22, второй источник 21 когерентного света, АОД 19 и ЛФД 7 образуют измерительный канал устройства. ЛФД 7 и фильтр 8 нижних частот образуют оптический фазовый детектор, выделяюп1ий составляющую, пропорциональную разности фаз высокочастотных колебаний, модулирующих световое излучение в опорном и измерительном каналах.

Второй генератор 20 и АОД 19 представляют собой электрически управляемый оптический аттенюатор.

Последовательно соединенные первый АЦП 9j первый регистр 10 и первый индикатор 11 служат для преобразования в цифровую форму и индикации фазоразностного сигнала, а также для калибровки устройства.

Помещенный в первом дифракционном порядке АОД 19 измеритель 17 оптической мощности и последовательно соединенные с ним второй АЦП 16, второй регистр 15 и второй индикатор 14 служат для преобразоваштя в ф1фровую форму и индикации сигнала.

2944

пропорционального мoдyJШ коэффициента передачи исследуемого СВЧ-элемента.

Компаратор 12, связанный с третьим регистром 13 и первым АЦП 9, служит для выработки сигнала равенства интенсивностей света в опорном и измерительном каналах.

Генератор 28 тактовых импульсов подключен к счетному (первому) вкоду

счетчика 27, младшие разряды которого выполнены по схеме кольцевого сдвигового регистра. Первый выход счетчика - шина с младших разрядов подключен к пятому выходу блока 18

управления и далее к обоим АЦП 9

-И 16, управляя аналого-цифровым преобразованием в них. Второй выход счетчика 27 - перенос из старшего . разряда кольцевого сдвигового регистра в младший - подключен также к первым входам двух элементов И 31 и 32. Третий выход счетчика 27 (выходная шина его старших разрядов) подключен к ЦАП 29 и управляет процессом цифроакалогового преобразования. Аналоговый выход ЦАП 29 подключен к модулирующему входу второго генератора 20 (шестой выход I блока 18 управления). К выходу вто:рого элемента И 32 подключен R-вход первого триггера 25 и четверть выход блока 18 управления, к которому далее подключен управлянмций вход третьего регистра 13.

Прямые входы первого 25 и второго 30 триггеров подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ 26, причем прямой выход первого триггера 25 подключен также к третьему

входу второго элемента И 32, а прямой выход второго триггера 30 подключен также к второму входу первого элемента И 31. Инверсный выход первого триггера 25 подключен к второму

высокочастотному коммутатору 23

(первый выход блока 18 управления), а инверсный выход второго триггера 30 соединен с вторым входом второго элемента И 32. Выход элемента ИЛИ 26

соединен с первым высокочастотным коммутатором 4 (второй виход блока 18 управления). Выход первого элемента И 31 подключен к управляющим входам первого 10 и второго 15

регистров (третий выход блока 18 управления), к второму R -входу счетчика 27, 5 -входу первого триггера 25 и R -входу второго триггеpa 30. Выход компаратора 12 .подключен к S -входу второго триггера 30 (вход блока 18 управления).

Таким образом, с первого и второго входов блока 18 управления подают ся потенциалы, управляющие работой высокочастотных коммутаторов 4 и 23, с третьего выхода - ш пульсы, осуществлякмцие запись цифровой информации с АЦП 9 и 16 в регистры 10 и 15, с четвертого выхода - импульсы, осуществляющие запись цифровой информации с АЦП 9 в третий регистр 13 с пятого выхода - импульсы, управляющие работой первого 9 и второго 16 АЦП, с шестого выхода - аналоговый потенциал, управляющий уровнем мощности второго генератора 20.

Устройство работает следующим образом.

В режиме калибровки исследуемый СВЧ-элемент заменяют отрезком регулярной линии передачи и осуществляют калибровку, т.е. установкуНачала отсчета фазы, путем вьфавнивания с помощью фазовращателя 6 фазовых набегов измерительного и опорного каналов.

Режим калибровки делится на три времен ых интервала, автоматически вырабатьшаемых и периодически сменяемых блоком управления.

В первом временном интервале с первого и второго выходов блока 18 управления на высокочастотные коммутаторы 23 и 4 подаются сигналы причем на высокочастотный коммутатор 4 - открывающий, а на высокочастотный коммутатор 23 - закрывающий, т.е. опорный канал подключается а измерительный - отключается. Модулированный по интенсивности луч света в опорном канале через оптический фазовращатель 6 поступает на вход оптического фазового детектора состоящего из ЛФД 7 и ФНЧ 8, . и преобразуется в электрический сигнал. Сигнал, пропорциональный интенсивности света в опорном канале, преобразуется в цифровую форму в первом АЦП 9, и эта информация записывается в третий регистр 13 в виде цифрового кода, откуда поступает на вход компаратора 12. Для этого по окончании аналогоцифрового преобразования с четвертого выхода блока 18 управления на третий регистр 13 подается импульс записи, по которому информация из АЦП 9 переписывается в регистр 13.

. В втором временном интервале с первого выхода блока 18 управления на второй высокочастотный коммутатор 23 подается разрешающий сигнал, а с второго выхода на первый коммутатор 4 - запирающий сигнал. Таким образом, в этом интервале отключается опорный канал, а работает только измерительный канал.

Модулированный по интенсивности световой луч с второго источника 21 когерентного света через АОД 19 поступает на оптический вход фазового детектора, где преобразуется в электрический сигнал аналогового а затем в АЦП 9 в сигнал цифрового вида. Цифровой код из первого АЦП 9пропорциональный интенсивности света в измерительном канале, поступает на компаратор 12. В регистры 10 и 13 код не записьгоается из-за отсутствия импульсов записи. Одновременно блок 18 управления с шестого выхода подает на второй генератор 20 сигнал, управляющий уровнем выходной мощности этого генератора . При этом выходная мощность генератора 20 изменяется от минимального значения до максимального.

Генератор 20 подключен к высокочастотному входу АОД 19. При возрастании уровня мощности на высокочастотном входе АОД 19 происходит перераспределение интенсивности света в нуле.вом и первом дифракционных порядках. .Причем интенсивность в нулевом порядке, где расположен ЛФД 7, уменьшается, а в первом дифракционном порядке, где расположен измеритель 17 оптической мощности, возрастает. В соответствии с уменьшением интенсивности светового излучения, попадающего на ЛФД, изменяется ток ЛФД 7, а значит, и цифрово код на выходных шинах первого АЦП 9 .Это происходит до тех пор, пока не сравняются код, пропорциональный интенсивности светового излучения в опорном канале, записанный в третьем регистре 13, и код, пропорционалный интенсивности светового излучения в измерительном канале, поступающий с первого АЦП 9. Оба эти код

поступают на входные шины компаратора 12. Как только сравняются коды, поступающие из третьего регистра 13 и первого АЦП 9, компаратор 12 выдает сигнал на вход блока 18 управлеНИН. После получения этого сигнала уровень напряжения на шестом выходе блока 18 управления не изменяется а значит, сохраняются постоянньми уровень выходной мощности второго генератора 20 и интенсивность светового излучения в измерительном канале.

В третьем временном интервале после получения сигнала с компаратора 12 блок 18 управления подключает канал опорных колебаний, не включая измерительного, т.е. подает открывающее напряжение с первого и второг выходов на оба высокочастотных коммутатора 4 и 23. В результате высокочастотные колебания с обоих выходов делителя 2 мощности через вентили 3 и 24 и высокочастотные коммутаторы 4 и 23 поступают на оба источника 5 и 21 когерентного света. Модулированные по интенсивности колебаниями опорного и измерительного кангшов лучи света с источников 5 и 21 когерентного света через оптический фазовращатель 6 и АОД 19 поступают на ЛФД 7.

Поскольку уровень выходной мощности второго генератора 20 не изменяется в этом интервале и соответствует равенству интенсивностей света, падающего на ЛФД 7 из опорного и измерительного каналов, на вход оптического фазового детектора

поступают два световых луча с одинаковьми интенсивностями, но с различными фазами модулирующих сигналов Ток лавинного фотодиода 7 нелинейно зависит от полной освещенности светочувствительной площадки диода. В результате ток ЛФД 7 содержит составляющую, пропорциональную разности фаз между опорными колебаниями, которыми модулирован по интенсивности световой луч опорного канала, с источника 5 когерентного света,и колебаниями измерительного канала, которыми модулирован по интенсивности световой луч измерительного канала, генерируемый вторым источНИКОМ 21 когерентного света. Эта составляющая фильтруется фильтром 8 нижних частот и преобразуется в

цифровую форму в первом АЦП 9. По окончании аналого-цифрового преобразования с третьего выхода блока 1 управления поступает импульс записи который записьгеает информацию с выхода АЦП 9 в первый регистр 10, после чего она индицируется на индикаторе 11. Очевидно, что показания индикатора 11 будут пропорциональны разности фаз высокочастотных колебаний в опорном и измерительных каналах. С помощью оптического фазовращателя 6 можно установить равенство фазовых сдвигов высокочастотных колебаний в опорном и измерительном каналах и тем самым привести на нул показания индикатора 11 либо выполнить градуировку и поверку показаний индикатора.

В этом интервале времени дифрагированный луч от АОД 19 попадает н измеритель 17 оптической мощности, который вьщает аналоговый сигнал, пропорциональный интенсивности дифргированного света . Во втором АЦП 16 аналоговый сигнал измерителя 17 преобразуется в цифровую форму. ,После окончания аналого-цифрового преобразования с третьего выхода блока 18 управления поступает импульс записи, который записывает информацию с выхода АЦП 16 вовторой регистр 15, и далее она индицируется на втором индикаторе 14. Уровень интенсивности дифрагированного сигнала с индикатора 14 может использоваться для более точной регулировки устройства: установки рабочих точек источников 5 и 21 кргерентного света, уровня ответвления в делителе 2 мощности и т.п. .

По окончании третьего интервала описанный процесс по сигналам блока управления вновь циклически повторяется, т.е. вновь происходит измерение интенсивности света в опорном канале (первый интервал), выравнивание интенсивности световбго луча в опорном и измерительном каналах (второй интервал) и проверка равенства фазовых сдвигов между высокочастотными колебаниями опорного и измерительного каналов (третий интервал).

В режиме измерений между вторым высокочастотным коммутатором 23 и вторым источником 21 когерентного света включается исследуемый СВЧ-эле 9 мент 22. Как и режим калибровки, ре жим измерений делится на три временных интервала, автоматически выполняемых по командам блока 18 управления. В первом и втором временных ин.тервалах работа устройства полность соответствует работе в режиме калибровки. В течение двух этих интервалов происходит автоматическое выравнивание интенсивностей световы лучей в опорном и измерительном каналах, что позволяет снизить погрешность измерения фазы. Третий временной интервал режима измерений также во многом совпадает с соответствующим интервалом режима калибровки. В режиме измерений на ЛФД 7 поступают два световых луч из каналов опорных и измерительных колебаний, равные по интенсивности но отличающиеся фазами модулирующих высокочастотных сигналов за счет сдвига фаз в исследуемом СВЧ-злемен тс 22. Эта фазовая -характеристика . коэффициента передачи исследуемого СВЧ-злемента 22 индицируется на индикаторе 11. На втором индикаторе 14 в третье интервале режима измерений индицируется значение модуля коэффициента передачи исследуемого СВЧ-элемента 22. Средняя интенсивность светового излучения,излучаемого вторым источником 21 когерентного света, прямо пропорционально, зависит от высокочастотной мощности, поступающей на его модулирующий вход, если в качестве источников 5 и 21 излучения используются, например, инжек1 1онные полупроводниковые лазеры Следовательно, интенсивность излучения источника 21 зависит от модуля коэффициента передачи исследуемого СВЧ-элемента 22. Поскольку интенсивность прошедшего луча, поступающего на ЛФД 7, из-за автоматического выравнивания в течение первого и второго интервалов остается постоянной и равной интенсивности света в опорном канале, то ин.тенсивность дифрагированного луча, поступающего на вход измерителя 17 оптической мощности, зависит от модуля коэффициента передачи исследуемого СВЧ-элемента 22. Сигнал с выхода измерителя оптической мощ9410ности поступает на аналого-цифровой преобразователь 16 и далее через второй регистр 15 на индикатор 14. При соответствующей группировке на индикаторе 14 индицируется значение модуля коэффи1шента передачи исследуемого СВЧ-элемента 22. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет не только повысить точность измерения фазовых характеристик разхшчных СВЧ-элементов за счет автоматического выравнивания интенсивностей света в опорном и измерительном каналах, но и способно измерить модуль коэффициента передачи исследуемого СВЧ-элемента. Блок 18 управления работает следующим образом. Блок 18 управления вырабатывает тривременных интервала, формирует импульсы записи в первый, второй и третий регистры, управляет работой двух -аналого-цифровых преобразователей, одного цифроаналогового преобразователя,а также принимает сигнал компаратора об окончании выравнивания интенсивностей световых лучей опорного и измерительного каналов. В начале цикла по сигналу начальной установки обнуляются второй триггер 30, счетчик 27 и устанавливается в единичное состояние триггер 25. С элемента ИЛИ 26 разрешаю-. щий потенциал подается на второй выход блока 18 управления и далее на первый высокочастотный коммутатор 4, а с инверсного выхода первого триггера 25 поступает запирающий потенциал на первьй выход блока 18 управления и далее на второй высокочастотный коммутатор 23. Тем самым в первом временном интервале цикла подключается опорный канал, отключается измерительный канал и начинается измерение интенсивности света в опорном канале. В течение этого интервала счетчик 27 считает импульсы, поступающие на его счетный вход с генератора 28 тактовых импульсов. Младшие разряды счетчика 27 выполнены по схеме кольцевого сдвигового регистра, что обеспечивает управление АЦП 9 с млади1их разрядов счетчика (пятый выход блока 18 управления) по схеме поразрядного взвешивания. Перенос логической 1 из старшегг

n

разряда кольцевого счетчика в его младший разряд сигнализирует об окончании первого временного интервала и используется так же, как импульс записи, который проходит через второй элемент И 32 на четвертый выход блока 18 и переписывает из ХЦП 9 код, соответствующий интенсивности света в опорном канале, в третий регистр 13, одновременно сбрасьгеая первый триггер 25. Таким образом, в конце первого интервала с инверсного выхода первого триггера 25 на первый выход блока 18 управления поступает разрешающий потенциал, подключая измерительный канал, а с элемента ИЛИ 26 на второй выход блока 18 управления поступает запре икающий потенциал, отключая опорный канал. В младший разряд сдвигового регистра счетчика 27 записана управляющая логическая 1, и счетчик подготовлен к новому циклу аналого-цифрового преобразования.

Во втором временном интервале режиме выравнивания интенсивностей света в опорном и измерительном каналах - младшие разряды счетчика 27 с пятого выхода блока 18 управления по-прежнему управляют работой АЦП 9, а старшие разряды счетчика 27, на которые поступают импульсы, переноса с кольцевого счетчика, управляют работой цифроаналогового преобразователя 29. Каждый цикл аналого-цифрового .преобразователя в АЦП 9, управляемом младшими разрядами счетчика 27, заканчивается добавлением единицы в старшие разряды счетчика 27. Образующийся в старших разрядах счетчика код преоо разуется в цифроаналоговом преобразователе 29 в аналоговый уровень, шестой выход блока 18 управления), подаваемый на модулирующий вход вто рого генератора 20, высокочастотный сигнал с которого воздействует

на АОД 19, в результате чего уменьшается от максимального уровня интенсивность света в измерительном канале. В этом интервале запись кода с АЦП 9 в третий регистр 1.3 не прои-зводится из-за отсутствия импульсов записи на четвертом выходе блока 18 управления, что обусловлено запрешающим потенциалом с прямо го выхода первого триггера 25,

190294J2 .

пос- упающим на вход второго элемента И 32.

При равенстве кода, пропорционального интенсивности света в 5 опорном канале, хранящегося в третьем регистре 13, и кода с АЦП 9, пропорционального интенсивности света в измерительном каиале, компаратор 12 вырабатывает сигнал,

10 поступающий на вход блока 18 управления - устанавливающий 9 -вход второго триггера 30. Появление сйгJ нала с компаратора свидетельствует об окончании второго временного

t5 интервала.

Этот сигнал с компаратора 12 устанавливает второй триггер 30 в единичное состояние. Разрешаюа {й потенциал с прямого выхода второго

20 триггера 30 через элемент ИЛИ 26 поступает на второй выход блока 18 управления и далее на первый высокочастотный коммутатор 4. Тем самым подключается опорный канал без

25 выключения измерительного канала и начинается третий временной интервал режима измерения ипи калибровки. Одновременно с прямого выхода второго триггера 30 разре3Q шающий потенциал поступает на второй вход первого элемента И 31, разрешая импульсу записи со счетчика 27 проходить с выхода элемента И 31 на третий выход блока 18 управления и далее в первый 13 и второй 15 регистры для осуществления записи в них цифрового кода из АЦП 9 и 16.

Как в предьщущих интервалах, в

40 третьем временном интервале младшие разряды счетчика 27 управляют рабо- той обоих АЦП 9 и 16. В старших разрядах счетчика хранится код для цифроаналогового преобразователя

45 29, полученный во втором временном интервале и соответствующий равенству интенсивностей световых лучей в опорном и измерительном каналах. Аналоговый сигнал с вькода ЦАП 29

50 поступает на шестой выход блока 18 управления и далее на модулирующий . вход второго генератора 20, тем самым поддерживая равенство интенсивностей света в опорном и измерительном каналах в интервале измерения.

По окончании аналого-цифрового преобразования в АЦП 9 и 16 имi3 ,

пульс записи из младших разрядов счетчика 27 через первый элемент И 31 поступает на третий выход блока 18 управлеиия и осуществляет запись цифровых кодов с АЦП 9 и 16 в первый 10 и второй 15 регистры соответственно. Информация о фазовойГ и амплитудной характеристиках исследуемого СВЧ-элемента 22 из регистров 10 и 15 индицируется на индикаторах 10 и 14.

tD

Одновременно импульс записи информации в первый 10 и второй 15 регистры с первого элемента И 31 подается на счетчик 27, 5 первый 25 и второй 30 триггеры, осуществляя сброс блока управления и действуя подобно импульсу начальной установки . После этого цикл смены временных интерва 10 лов автоматически повторяет ся.