Фазометр Советский патент 1986 года по МПК G01R25/02 

Изобретение относится к радиоизме рительной технике и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов радиоимпульсных сигналов.

Цель изобретения - повьшение точности измерений путем компенсации погрешности, вызванной наличием комбинационных продуктов преобразования частоты.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема селектора; на фиг.З - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Фазометр содержит смесители 1 и 2 фильтры 3 и 4 суммарных частот, второй преобразователь 5 частоты, первый фильтр 6 разностной частоты, первый фазовый детектор 7, индикатор 8, третий смеситель 9, второй фильтр 10 разностной частоты, два генератора 11. и Т2, амплитудный ограничитель 13, сумматор 14, фазовращатель 15, блок 16 управления фазовращателем, в состав которого входят третий фазовый детектор 17, вычитатель 18, четвертый фазовый детектор 19, пороговый элемент 20, ключ 21, третий генератор 22, запоминающий элемент 23, второй ключ 24 и селектор 25. При этом первый вход фазометра через последовательно соединенные смеситель 1 фильтр 3 суммарньк частот, второй преобразователь 5 частоты, первый фильтр 6 разностной частоты, амплитудный ограничитель 13, сумматор 14, третий фазовый детектор 17, вычитатель 18 и пороговый элемент 20 подключен к первому входу селектора 25 Второй вход фазометра через последовательно включенные смеситель 2 и фильтр- 4 суммарных частот соединен со вторым входом второго преобразователя 5 частоты. Выходы генератора 11 соединены со вторыми входами смесителей 1 и 9 соответственно. Выходы генератора 12 соединены с первым входом смесителя 9 и- вторым входом смесителя 2 соответственно, а выход смесителя 9 через второй фильтр 10 подключен к первым входам фазовращателя 15, первого фазового детектора 7 и третьего фазового детектора 17. Первый вход селектора 25 соединен с управляющим входом ключа 24, выход которого через последовательно соединенные второй вход первого фазового детектора 7 и второй вход селектора

5

0

5

25 соединен с входом индикатора 8. Третий генератор 22 через последовательно соединенные первый ключ 21, запоминающий элемент 23 и фазовращатель 15 подключен к .вторым входам второго ключа 24 и сумматора 14. Первый вход четвертого фазового детектора 19 соединен с выходом амплитудного ограничителя 13, второй вход - с выходом второго фильтра 10, а выход с вторым входом вычитателя 18. Второй вход первого ключа 21 соединен с выходом порогового элемента 20. Селектор 25 (фиг.2) содержит временной селектор 26 и амплитудный селектор 27, вход которого соединен . с выходом первого фазового детектора 7, а выходы соответственно с входами блоков 28-32 выборки и хранения, управляющие входы каждого из которых подключены к соответствующим входам временного селектора 26, вход которого соединен с вторым выходом блока 16 управления фазовращателем, выходы блоков 28-32 выборки и хранения подключены к соответствующим входам вычислителя 33, выходы которого соединены с входами индикатора 8.

Вичислитель 33 состоит из трех операционных усилителей 34-36, первый 34 и второй 36 из которых имеют, инвертирующий и неинвертирующий входы и коэффициент передачи, равный двум, а третий 35 - один неинвертирующий и два инвертирующих входа и коэффициент передачи, равный трем. Первый и пятый входы вычислителя 33 подключены непосредственно к входам индикатора 8, первый инвертирующий вход третьего 35 и инвертирующий вход первого 34 операционных усилителей соединены с первым вхбдом вычислителя 33, неинвертирующие входы этих усилителей являются соответстен- но третьим и вторым входами, а их выходы - третьим и вторым выходами вычислителя 33. Второй инвертирующий вход третьего 35, и инвертирующий вход второго 36 усилителей связаны с выходом первого 34 операционного усилителя. Неинвертирующий вход и выход второго 36 операционного усилителя являются соответственно четвертым входом и четвертым выходом 5 вычислителя 33. Сигналы, поступающие на инвертирующие входы первого 34 и второго 36 усилителя, ослабляются в два раза, а сигналы, поступающие на

0

5

0

5

0

31

инвертирующие входы третьего 35 операционного усилителя, - в три раза. .

Смесители 1 и 2 предназначены для смешивания сигналов генераторов 11 и 12 и входных сигналов U и u| . Фильтры 3 и 4 служат для вьщеления промежуточных частот на суммарной частоте. В смесителях 5 и 9 смешиваются сигналы измерительных каналов Uj и U4 и генераторов 11 и 12 соответственно. Фильтры 6 и 10 выделяют из продуктов смешения разностные частоты, причем полосы их прозрачности согласованы с эффективным спектром сигналов, а центральные частоты равны разностной частоте сигналов генераторов 11 и 12: 6jp -О|.. Амплитудный ограничитель 13 служит для нормировкисигналов по уровню, сумматор 14 - для суммирования выходных сигналов ограничителя 13 и фазовращателя 15. С помощью блока 16 управления фазовращателем формируются сигналы управления фазовращателем 15, а также ключом 24 и селектором 25. Фазовый детектор 7 служит для измерения фазового сдвига, вносимого фазовращателем 15, а индикатор 8 - для отображений результатов измерений. В блоке 16 управления фазовращателем фазовые детекторы 17 и 19 служат для определения фазовых сдвигов сигналов до и после сумматора 14 Вьгчитателем 18 из выходного напряжения фазового детектора 17 вычитается выходное напряжение фазового детектора 19. С помощью порогового 20 элемента вьфабатываются импульсы, управляющие ключами 21 и 24 и селектором 25, в моменты равенства нулю выходного напряжения вычитателя 18. Генератор 22 пилообразного напряжения вырабатывает сигнал для пере- ,стройки фазовращателя 15. Запоминающим элементом 23 фиксируется уровень напряжения при размыкании ключа 21. В селекторе 25 временным селектором 26 осуществляется временная селекция каждых первых, вторых, третьих, четвертых и пятых импульсов с порогового элемента 20 для управления первым 28, вторым 29, третьим 30, четвертым 31 и пятым 32 блоками выборки и хранения.

Амплитудным селектором 27 выходные импульсы фазового 7 детектора селектируются по амплитуде и распределяются по пяти выходам. Вычисли280404

тель 33 с помощью операционных уснпи- телей 34-36 формирует напряжения, соответствующие фазовым сдвигам каждого из входных измеряемых сигналов. 5 Устройство работает следующим образом.

Пусть на входы устройства поступают по три последовательно включающихся радиоимпульсных сигнала (фиг.З)

, U,Z:U;We - 1;

J

15

(

in

jCujt Cfol+ViO

где Uj(t), U-(t),

W;, ((p. - амплитуды, частоты и начальные фазы сигналов;

(р,; -.t; фазовые сдвиги сигналов в каналах.

После перемножения этих сигналов в смесителях 1 и 2 с напряжениями опорных генераторов 11 и 12

U и 11

U,,U,,

«1 1льтрами суммарных частот 3 и 4 измерительных каналов вьщеляются напряжения

Уз4 °

U,tu,i(.

35

Эти напряжения поступают на входы смесителя 5 и из продуктов перемножения фильтром 6 выделяются напряжения разностных частот

ll,-5:U6,We

j(Unt + q p +

ilU .

i--2

где c,,-tOrj,%«c n-4r2 bq ;.cf,

разности частот и начальных фаз гене- раторов 11 и 12 и разности фазовых сдвигов сигналов в каналах; ,(| , cfj - расстройки частотных

составляющих сигналов разности их начальных

фаз и фазовых сдвигов; U(t), Uj-(t)- амплитуды частотных составляющих.

Первая сумма представляет собой полезный сигнал на фиксированной частоте сОр, а вторая - интермодуляционные продукты преобразования частоты возникающие при идеальном перемноже- .нии и попадающие из-за малости в

полосу пропускания фильтра 6. Причем амплитуды Ug;(t) Ug-(t) вследствие частотной зависимости коэффициента передачи фильтра 6.

В смесителе 9 перемножаются сигналы генераторов 11 и 12, а фильтром 10 выделяется напряжение:

и и Ую 0 )

где и - фиксированная амплитуда сигнала.

После ограничения Ug в амплитудном ограничителе 13 спектр сигнала обогащается дополнительными составляющими. Сигнал Ug можно представить как сигнал с амплитудной и угловой модуляцией. После амплитудного х)гра- ничения амплитуда большего сигнала (в данном случае частотной составляющей с частотой сОр) становится фиксированной и примерно равной

и. -Чг .

где и р- порог ограничения.

В сумматоре 14 происходит суммирование ограниченного сигнала с выход- ньм сигналом управляемого фазовращателя 15:

II .U + Cf4.(i)) U,j

где tfrtjCt) - фдзовый сдвиг, вносимый

фазовращателем 15. При этом меняется лишь амплитуда и фаза частотной составляющей на частоте Wp и остаются неиэменньми все остальные составляющие ограниченного сигнала. Постоянное напряжение на выходе третьего 19 фазового детек тора, соответствующее этой частотной составляющей (сОр) будет неизменно, так как сравнивается фазовый сдвиг ограниченного сигнала до сумматора 14 с фазовым сдвигом опорного сиг- нала (с выхода фильтра разностной частоты 10). Аналогичное постоянное напряжение на выходе фазового детектора 17 изменяется в соответствии с изменением фазы суммарного сигнала на частоте о)р и, следовательно, в соответствии с изменением фазового сдвига, вносимого фазовращателем

О

0

5

0

15. Выходные сигналы фазовых детекторов 17 и 19 равны только в случае равенства фазового сдвига выходного . сигнала фазовращателя 15 (U, фиг.З) и ограниченного сигнала на первом входе сумматора 14. На выходе вычи- тателя 18 при этом имеется минимальное за весь период перестройки фазовращателя 15 напряжение (равное нулю) . Перестройка фазовращателя задается сигналом генератора 22 пилообразного напряжения через ключ 21 и запоминающий элемент 23. Пороговым элементом 20 вырабатывается управ- 5 |ляющий сигнал в момент равенства

нулю вьпсодного напряжения вычитателя

18,которым выключается ключ 21 и включается ключ 24. Управляющее

напряжение фазовращателя 15 фиксируется в этот момент с помощью запоминающего элемента 23; Фазовым детектором 7 измеряется за время подключения через ключ 24 к выходу фазовращателя 15 фазовый сдвиг вносимый фа- зовращателем и равный в этот момент измеряемому. Флюктуации выходных напряжений фазовых детекторов 17 и

19,обусловленные наличием в ограниченном сигнале составляющих с частотами, не равньми со носят одинаковый характер (сумматор 14 изменяет лишь амплитуду и фазу составляющей на сОр) и взаимно компенсируется в вичитате- ле 18. Поэтому напряжение на выходе вычитателя 18 изменяется только от изменений фазовых сдвигов сигналов

на частоте Ыр до и после сумматора 14 и не зависит от остальных составляющих ограниченного напряжения U . Б момент прихода следукяцего измеряемого радиоимпульсного сигнала (t,, фиг.2) изменяется выходное напряже- ние вычитателя 18. Это обусловлено изменением фазы частотной составляющей выходного сигнала ограничителя 13 на частоте СЭр, поскольку фазовый сдвиг второго измеряемого сигнала, также как и превого, переносится на частоту cOpdJg) и они векторяо скла- дываются. Так как фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем 15срв,,в этот

момент равен фазовому сдвигу первого сигнала, выходные напряжения фазовых детекторов 17 и 19 становятся нерав- . Происходит переключение порогового элемента 20, ключ 21 открывается, ключ 24 закрывается, и процесс перестройки фазовращателя повторяет-:;

71

ся. В результате перестройки фазовращатель 15 устанавливается в новое положение и фазовый сдвиг его выходного сигнала (после окончания пере„ . Atf, + i(

стройки) равен:: (где Acf, ,

- измеряемые фазовые сдвиги первого и второго сигналов). Таким образом, фазовым детектором 7 вырабатываются импульсы постоянного тока (и фиг.З), амплитуды которых соответствуют фазовым сдвигам измеряемого сигнала в соответствующие ин

тервалы времени С,- ty (фиг.З): ll,,(,l)t С06 - «

.0(t-t ,H(t-t,.)-i(i-tj)+cos

(.(t-t Vl(t-t4Vco.cp,,

fA(t) амплитуд а напряжения на выходе фазового детектора 7;25 моменты включений и выключений измеряемых сигналов; моменты включений и выключений измеряемых сигналов с учетом задержки, вносимойзо блоком 16 управления фазовращателем;единичная функция.

Селектор 25 осуществляет по управляющим импульсам с порогового злемен-35 та 20 селекцию и вычисление фазовых сдвигов каждого из наложенных сигналов и представляет собой цифроанало- говый блок. Структура селектора 25 определяется техническим заданием при конкретной реализации и для случая поочередно включающихся радиоимпульсов (фиг.З). На схеме фиг.2 амплитудным селектором 27 импульсы постоян40

Введение амплитуд ля, сумматора, фазов селектора и блока уп щателем позволяет ко решность измерений, национными и нелиней преобразования часто сдвиг измеряется на частоте и амплитуде. нение составлянмцих у дает возможность про измерений фазовых сд наложениями сигналов

Измерение фазовог водится в предлагаем

фиксированной частот ной амплитуде U.

Поскольку на входы фазового детектора 7

ного тока (Uy, фиг.З) распределяются какие частоты, кроме

в разные каналы и подаются на входы блоков выборки и хранения (УВХ) 28- 32, состоящих из последовательно включенных ключа и запоминающего элемента. Выходными импульсами времен- кого селектора 26 осуществляется управление работой УВХ. Причем выборка в первом УВХ 28 производится по первому шгаульсу последовательности U (соответствующему первому участку CJ,55 во втором - по второму (l) и т.д., поскольку временным селектором вьфа- батываются управляющие сигналы из ,

8

сигнала порогового элемента 20. Выходные напряжения УВХ, соответствующие фазовым сдвигам участков наложения c - ь у входных сигналов U, и U, подаются на арифметический вычислитель 33, выполненный на операционных усилителях (ОУ) 34-36, преобразующих напряжения, соответствующие среднеарифметическим значениям фазовых сдвигов на закрытых участках, в напряжения, соответствующие фазовым сдвигам каждого из входных сигналов. Первым ОУ 34, например, выполняется

операция:

Ц

срг

/,, С(

(V т

. t .f-

V 2 2

где UQ,,, иф2,

и..

соответствую

Uj - напряжения,

щие фазовым сдвигам Acf, , btfj и участкам , (фиг.З).

Индикатором 8 индицируются фазовые сдвиги каждого из входных сигналов в градусах.

Введение амплитудного ограничителя, сумматора, фазовращателя, ключа, селектора и блока управления фазовращателем позволяет компенсировать погрешность измерений, вызванную комбинационными и нелинейными продуктами преобразования частоты. Фазовый сдвиг измеряется на фиксированной частоте и амплитуде. Указанное выполнение составлянмцих устройство узлов дает возможность проведения точных измерений фазовых сдвигов, скрытых наложениями сигналов (U,- U, фиг.З).

Измерение фазового сдвига производится в предлагаемом фазометре на

фиксированной частоте ной амплитуде U.

Мр при постоянПоскольку на входы измерительного фазового детектора 7 не поступают никакие частоты, кроме

какие частоты, кроме

(0« (напряжение

W

и и,5 в отличие от напряжения U ),

и

исключается вклад комбинационных и нелинейных продуктов преобразования частоты в результат измерений.

Формулаизобретения

1. Фазометр по авт.св. № 561148, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в него введены амплитудный ограничитель, сумматор, фазовращатель, первый ключ, селектор и блок управления фазовращателем, вход которого подключен к выходу сумматора, а вькод - к управляющему входу фазовращателя, включенному между вторым фильтром разностной частоты и вторым входом сумматора, выход фазовращателя также связан через первый ключ с первым входом первого фазового детектора, выход которого через селектор подключен к индикатору, выход амплитудного ограничителя соединен с вторым входом блока управления фазовращателем, первым входом сумматора, а вход - с выходом первого фильтра разностной частоты, третий вход блока управления фазовращателем связан с выходом второго фильтра разностной частоты, а управляющие входы первого ключа и селектора - с вторым выходом блока управления фазовращателем.

2. Фа эометр по п. 1, о т л и ч а- ю щ и )й:| Йя тем, что блок управления фазовращателем содержит последовательно соединенные с первым входом второй фазовьй детектор, вычитатель, второй вход которого связан с выхо- дом третьего фазового детектора, пороговый элемент, второй ключ, сигнальный вход которого с:оединен с выходом генератора пилообразного напрялГения, а выход - с запоминающим элементом, выход которого является первым выходом блока управления фазовращателем, причем первьй вход

третьего фазового детектора является вторым входом блока управления фазовращателем, вторые входы второго и третьего фазовых детекторов .объединены и являются третьим входом, а

вькод порогового элемента - вторым выходом блока управления фазовращателем.

3. Фазометр по п.1, о т л- и ч аю щ и и с я тем, что селектор содержит вычислитель, пять блоков выборки и хранения, временной селектор и амплитудный селектор, вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, а выходы - соответственно с входами блоков выборки и хранения, управляющие входы каждого из которых подключены к соответствующим выходам временного селектора,

вход которого соединен с вторым выходом блока управления фазовращателем, выходы блоков выборки и хранения подключены поименно к входам вычислителя, выходы которого связаны с входами индикатора.

Г

иг.2

U-,

1/ i , 11 / 1 j/ ., Л. . /,lLJ:9

V(/ vv V V

j ./.....v.,

t; . t , ti ti ts

Фие.з

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых сдвигов радиоимпульсных сигналов и является дополнительным к авт.свид. № 561148. Цель изобретения - повышение точности измерений. Фазометр содержит смесители 1, 2, фильтры 3, 4 суммарных частот смеситель 5, фильтр 6 разностной частоты, фазовый детектор 7, индика-.. тор 8, смеситель 9, фильтр 10 разностной частоты, генераторы 11, 12, амплитудный ограничитель 13, сумматор 14,фазовращатель 15, блок 16 управления фазовращателем, содержащий фазовый детектор 17, вычитатель 18, фазовый детектор 19, пороговый элемент 20, ключ 21, генератор 22, запоминающий элемент 23, ключ 24, селектор 25. Точность измерения повышается за счет компенсации погрешностей, вызванных наличием комбинационных продуктов преобразования частоты путем введения амплитудного ограничителя 13, сумматора 14, фазовращателя 15,ключа 21, селектора 25 и блока 16 управления фазовращателем. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. s к , i