Нулевой радиометр Советский патент 1987 года по МПК G01R29/14 

,граторов. Устройство содержит высокочастотную часть 1, квадратичный детектор 2, источник 3 тока, компаратор 4, генератор 5 опорного напряже- .ния, делитель 6 частоты, инверторы 7 и 12, элементы И 8-11, источник 13 опорного напряжения, интегратор

14,цифроаналоговый преобразователь

15,двоичный счетчик 16, двоично- десятичный счетчик 17, переменный

1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения средней мощности слабого радиоизлучения шумового характера в радиоастрономии, народном хозяйстве и медицине.

Целью изобретения является упрощение процесса измерений путем исключения операций настройки в процессе эксплуатации и переключения антенного входа в процессе единичного измерения, повьшение точности путем осуществления термокомпенсации дрейфа эталонной нагрузки и по выше- ние чувствительности путем обеспечения баланса мощностей эталонного сигнала и измеряемого сигнала без задержки в цепях интегратора.

На.фиг. 1 показана блок-схема нулевого радиометра; на фиг. 2 - диаграмма напряжений на элементах устройстваi

Устройство содержит последовательно соединенные- высокочастотную часть 1, квадратичный детектор 2, Источник 3 Тока, управляемый напряжением, компаратор 4, последовательно соедин гнные генератор 5 опорного напряже ния, делитель 6 частоты и первый инвертор 7, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 элементы И, второй инвертор 12, источник 13 опорного напряжения, интегратор

14,цифроаналоговый преобразователь

15,к входам управления которого подключены выходы двоичного счетчика 16, счетный вход которого соединен со счетным входом двоично-десятичного счетчика 17 и подключен к выходу делителя 6 частоты, переменаттенюатор 18, блок 19 вычитания, предварительный 20 и операционный 21 усилители, модулятор 22, датчик 23 температуры, коммутаторы 24-31, конденсаторы 32-35, резисторы 36-39, эталонную нагрузку 40 и антенный выход 41. Устройство обеспечивает выход в двоичном и двоично-десятичном кодах и в виде аналогового нап-- ряжения. 2 ил.

ный аттенюатор 18, к управляющему входу которого подключен выход блока 19 вычитания, предварительный усилитель 20, операционньй усилитель 21, модулятор 22, датчик 23 температуры, первый 24, второй 25, третий 26, четвертый 27, пятый 28, шестой 29, седьмой 30 и-восьмой 31 коммутаторы,

первый 32, второй 33, третий 34 и четвертый 35 конденсаторы, первый 36, второй 37, третий 38 и четвертый 39 резисторы, эталонную нагрузку 40 и антенньй вход 41, при этом выход

первого инвертора 7 соединен с первыми входами второго 9 и четвертого 11 элементов И, выход делителя 6 частоты соединен с входом первого инвертора 7 и первыми входами первого 8 и третьего 10 элементов И, а вход - с выходом генератора 5 опорной частоты , вторыми входами третьего 10 и четвертого 11 элементов И и взводом второго инвертора 12, выходкоторого соединен с вторыми входами первого 8 и второго 9 элементов И, первые обкладки кондесаторов 32-35 соединены с земляной шиной, первый контакт первого коммутатора 24 соединен с второй обкладкой первого конденсатора 32, а вход управления - с выходом делителя 6 частоты, первьй контакт второго .коммутатора 25 соединен с второй обкладкой второго конденсатора 33, а вход управления - с выходом первого инвертора 7, контакты третьего коммутатора 26 соединены с обкладками первого конденсатора 32, а вход управления - с выходом второго элемента И 9, контакты четвертого

коммутатора 27 соединены с обкладкаи второго конденсатора 33, а вход управления - с выходом первого элеента И 8, первьш контакт пятого коммутатора 28 соединен с второй обкладкой третьего конденсатора 34, второй контакт - с второй обкладкой первого конденсатора 32, а вход управления - с выходом четвертого элеента И 11, первый контакт шестого коммутатора 29 соединен с второй обкладкой четвертого конденсатора 35, второй контакт - с второй обкладкой второго конденсатора 33, а вход управления - с выходом третьего элемена И 10, неинвертирующий вход компаратора 4 соединен с второй обкладкой третьего конденсатора 34, а инвертирующий вход - с второй обкладкой четвертого конденсатора 35, выход компаратора 4 подключен к входу управления модулем счета счетчиков 16 и 17.

Нулевой радиометр работает следущим образом.

На- выходе генератора 5 формируются прямоугольные импульсы (фиг. 2,а) , которые поступают на входы делителя 6 частоты, второго инвертора 12, третьего 10 и четвертого 11 элементов И. На выходе делителя 6 частоты формируются прямоугольные импульсы (фиг. 2,S ), период и длительность которых в два раза превышает период и длительность импульсов генератора 5. Импульсы на вьпсоде первого инвертора 7 находятся, в противофазе с импульсами елителя частоты (фиг. 2,Ь ). Импульсы с выхода делителя 6 частоты и первого инвертора 7 управляют замыканием коммутаторов 24 и 25 соответственно и прохождением импульсов генератора 5 и второго инвертора 12 через элементы И 8, 10 и 9, 11 соответст- енно (фиг. 2, г ,9 , , ).

Модулятор 22 производит переключе- ие входа предварительного усилителя 20 с входа антенны 41 на эталонную нагрузку 40. Предварительный усилитель 20 обеспечивает минимальное усиение, при котором возможно выравнивание уровней мощности эталона и антенны, с учетом того, что аттенюатор 18, производящий выравнивание, нахоится при температуре эталонной нагрузки и исключена возможность сниже- рия мощности ниже собственной температуры аттенюатора.

Сигнал с выхода аттенюатора 18 поступает в высокочастотную часть 1 и после нее на квадратичный детектор 2, на выходе которого формируется, напряжение, модулированное по амплитуде, каждый полупериод которого пропорционален мощности антенного сигнала или эталонной нагрузки.

0 Источник 3 тока, управляемый напряжением, компаратор 4, конденсаторы 32-35 и коммутаторы 24-29 предназначены для сравнения напряжений в полу- периодах выходного напряжения квадра5 тичного детектора 2. При этом выходное напряжение квадратичного детектора 2 преобразуется в источнике 3 тока в ток, который, попеременно подключаясь через коммутаторы 24 и 25

Q к конденсат орам 3 и 33 соответственно, линейно заряжает их, вследствие чего каждый из конденсаторов к моменту размыкания соответствующего ему Коммутатора заряжается до значе5 ния, пропорционального среднему значению шумового сигнала на временном интервале заряда конденсатора. Таким образом, на конденсаторе 32 напряжение соответствует среднему значению

0 сигнала антенны, а на конденсаторе 33, заряд которого происходит в течение полупериода, когда в тракте .радиометра присутствует эталонная мощнос/гь, напряжение соответствует среднему значению мощности эталонной нагрузки. После отключения коммутатора 24 в течение полупериода модуляции, когда .замкнут коммутатор 25, сначала замыкается коммутатор 28, и

Q напряжение конденсатора 32 запоминается на конденсаторе 34, а после замыкается коммутатор 36, разряжая конденсатор 32 и подготавливая его к следующему такту, накопления антенg ного сигнала. Аналогичный процесс происходит в канале вьзделения среднего значения эталонного сигнала посредством коммутаторов 29 и 27. Таким образом на входах компаратора 4 в течение каждого полупериода модули- ции формируются напряжения, соответствующие среднему значению мощностей антенны и эталона в данном периоде модуляции.

При антенном сигнале, большем эталонного, компаратор 4 находится в единичном состоянии и на входы М управления модулем счета счетчиков 16 и 17 задается режим суммирования, в

5

0

5

обратном случае счетчики производят вычитание. На счетные входы счетчиков поступают импульсы делителя 6 частоты, период которых задает период модуляции, поэтому каждый резуль- тат сравнения мощностей полупериодов на компараторе 4 определяет суммирование или вычитание одного импульса в счетчиках 1.6 и 17.

Управление аттенюатором 18, вы- равнивающим мощности антенны и эталона, производится с выхода вычитающего блока 19, при этом величина аттенюации возрастает линейно с увеличением управляющего напряжения. На неинвертирующий вход вычитающего блока 19 подается напряжение со средней точки третьего резистора 38, на котором делится напряжений опорного источника 13. От этого напряжения отсчитываются напряжения, поступающие на инвертирующий вход вычитающего блока 19 и задающие величину аттенюации, т.е. при повышении напряжения инвертирующего входа вычи- тающего блока 19 до напряжения средней точки резистора 38 его ВЕ гходное напряжение и, соответственно, ослабление аттенюатора 18 понижается до нуля. В периоды прохождения по тракту радиометра сигнальной мощности синхронно с первым коммутаторбм 24 замыкается седьмой коммутатор 30 и на инвертирующий вход вычитающего блока 19 подается фиксированное напряжение со средней точки четвертого резистора 39, которое меньше напряжения средней точки резистора 38. При этом на вькоде вычитающего блока 19 формируется положительное напряжение которое остается неизменным в каждом полупериоде прохождения сигнальной мощностей и задает ей фиксированную аттенюацию, что позволяет измерять мощность как меньшую, так и большую эталонное. В периоды прохождения по тракту радиометра эталонной мощности синхронно с вторым коммутатором 25 замыкается восьмой коммутатор 31 и величина аттенюации определяется выходным напряжением операционного усилителя 21, который управляется с выхода цифроаналогового преобразователя 15, управляемого кодом двйично- го счетчика 16.

Если антённьй сигнал возрос, то .компаратор 4 переходит в единичное состояние и код счетчиков 16 и 17 начинает нарастать. При этом соответственно нарастает выходное напряжени операционного усилителя 21, вследствие чего напряжение на выходе вычитающего блока 19 начинает убывать, аттенюация уменьшается и уровень мощности эталона возрастает до выравнивания с антенной мощностью, что будет зафиксировано компаратором 4, и устройство перейдет в режим отслеживания баланса с изменением кода счетчиков .16 и 17 от периода к периоду в пределах младшего разряда. Обратный процесс происходит при уменьшении сигнальной мощности, т.е. большему сигналу соответствует больший код счетчиков и меньшая аттенюация эталонной мощности и, наоборот, меньшему сигналу соответствует меньший код и большая аттенюация. Так как в начальньй момент при включении устройства счетчики 16 и 17 находятся в нулевом состоянии, а при работе они заполняются и управляются синхронно, то числа, записанные в них в каждый момент времени, равны, но представлены соответственно в двоичном и двоично-десятичном коде.

При .введении аттенюации в мощ- . ность эталонной нагрузки уменьшается не тод.ько ее общий уровень, но и ее температурный дрейф, который необходимо компенсировать, т.е. если при

нулевой аттенюации 1К дрейфа эталонной нагрузки приводит к изменению выкодного сигнала на 1К, то при ос-- лаблении мощности эталона, например, в два раза 1К дрейфа эталонной нагрузки будет изменять выходной сигнал на 0,5К. Таким образом, для полной компенсации температ.урного дрейфа эталона сигнал термокомпенсации не только должен отслеживать его температуру, но и линейно менять свою крутизну в зависимости от уровня ослабления, заданного аттенюатору от цифроаналогового прео бразователя, поэтому напряжение с выхода датчика 23 температуры подается на вход опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 15, который произвоит деление этого напряжения согласно поступающему на его вход коду. При

этом делится не только общий уровень выходного напряжения датчика 23 температуры, но и его крутизна отслеживания температуры, что позволяет связать схемотехнически крутизну сиг

нала термокомпенсации с уровнем ослабления, задаваемым аттенюатору в зависимости от величины сигнальной мощности. Напряжение на выходе датчика 23 температуры имеет отрицательную полярность и убывает по абсолютной величине при возрастании температуры. При этом возрастание температуры эталонной нагрузки вызовет уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя 21, что увели- личит напряжение на выходе вычитающего блока 19 и аттенюацию аттенюатора 18 в периодах прохождения мощ- ности эталона и восстановит баланс, который был нарушен согреванием эталонной нагрузки и возрастанием ее шумовой мощности, без изменения кода счетчиков. При большем антен- ном сигнале счетчики имеют больший код, т.е. напряжение датчика 23 температуры делится в цифроаналоговом преобразователе в меньшее число раз и, соответственно, в меньшее число раз делится его крутизна отслеживания температуры, т.е. меньшим аттенюациям соответствует большая крутизна отслеживания по температуре что является необходимым условием того, чтобы условие баланса не зависело от температурного дрейфа эталонной нагрузки как при малых, так и при больших значениях аттеню- ации и достигалось только в зависимости от сигнальной мощности и кода

.счетчиков.

I

Выходное напряжение датчика 23 температуры подается на вход опорного напряжения цифроаналогового пре- о разователя 15 через расщепитель тока на резисторах 36 и 37, которые представляют эквивалент постоянно замкнутого старшего разряда цифро- аналогового преобразователя, т.е. при нулевом коде на входе цифроаналогового преобразователя его выход- ное напряжение не падает до нуля, а определяется делением тока на резисторах 36 и 37. Таким образом, при нулевом сигнале на выходе операционного усилителя 21 сохраняется термозависимое напряжение датчика 23 температуры, позволяющее компенсировать .температурный дрейф эталона, который сохраняется независимо от величины антенного сигнала.

Для работы устройства в режиме соответствия кода счетчиков значению

о 5 о

0 5 0 5

5

антенного сигнала и компенсации температурного дрейфа эталонной нагрузки требуется предварительная настройка, которая основана на линейности зависимости кода счетчиков от величины антенного сигнала, а также линейности зависимости сигнала термо- компенсации от величины аттенюации, и производится в следующем порядке:

на вход устройства подается максимальный сигнал из диапазона измерений устройства, регулировкой сдвига нуля выходного напряжения датчика 23 температуры достигается соответствие кода счетчиков значению максимального сигнала, после чего регулировкой усиления датчика 23 температуры достигается независимость кода счетчиков от изменений температуры эталона;

на вход устройства подается сигнал известной величины, регулировкой резистора 38 код счетчиков приводится в соответствие значению входного сигнала, а резистором 37 достигается независимость кода счетчиков от изменений температуры эталона;

при повторном подключении максимального сигнала проверяется соответствие его значения коду счетчиков и независимость этого кода от изменений температуры эталона. При необходимости первые две операции настройки повторяются.

Таким образом, линейные зависимости кода счетчиков от величины-антенного сигнала и сигнала термокомпенсации от величины аттенюации настроены согласно требованиям работы устройства в двух точках своего диапазона изменения. Это является необходимым требованием того, чтобы код счетчиков соответствовал значению антенного сигнала и не зависел от температурного дрейфа эталона при произвольном значении антенного сигнала. После однократной настройки устройство не требует ее повторения при дальнейшей эксплуатации, так как выполнение непрерывного баланса исключает влияние нестабильности усиления, дрейфа нуля и нелинейности элементов устройства, а обратная связь по температуре исключает нестабильность эталонной нагрузки. ,

При этом устройство обеспечивает выход в двоичном коде, двоично-десятичном коде и в виде аналогового напряжения, также пропорционального

антенному сигналу, которое снимается с выхода операционного усилителя 21 и подается на выход через интегратор 14. Напряжение аналогового выхода может быть подано на самопищущий прибор, информация с цифровых выходов устройства подается на цифровой индикатор или по накалу межприборной

связи на ЭВМ для дальнейшей обработки IQ соединен с второй обкладкой третьего

или усреднения на более длительном интервале,. чем период модуляции.

Формула изобретения

Нулевой радиометр, содержащий антенный вход, эталонную нагрузку, модулятор, у которого первьш вход соединен с антенным входом, а второй - с эталонной нагрузкой, высокочастотную часть, переменный аттенюатор, квадратичный детектор, интеграторр .генератор опорного напряжения, о т-, личающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерения и увеличения точности и чувствительности, в него введены предварительный усилитель, у которого вход соединен с выходом модулятора, а выход с входом переменного аттенюатора, выход которого соединен с входом высокочастотной части, выход которой соединен с входом квадратичного детектора, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый инвертор, выход которого соединен с первыми вх одами второго и четвертого элементов И, второй инвертор, делитель частоты, выход которого соедине с входом первого инвертора и первыми входами первого и третьего элементов Иу а вход - с выходом генератора опорной частоты, вторыми входами третьего и четвертого элементов И и

входом второго инвертора, выход кото- 45 вход опорного напряжения - с вторым роГо соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, первые обкладки которых соединены с земляной шиной, первый коммутатор, У которого первый контакт соединен с второй обкладкой первого конденсатора, а вход управления - с. выходом делителя частоты, второй коммутатор, у которого первьй контакт соединен с второй обкладкой второго конденсатора, а вход управления - с выходом перового инвертора, третий коммутатор, у которого контаквыводом первого резистора, первый выход -с неинвертирующим входом операционного усилителя.и с земляной шиной, второй выход - с инвертирую- 50 щим входом операционного усилителя и вторым выводом второго переменного резистора, а вход обратной связи - . с выходом операционного усилителя и входом интегратора, источник опорного напряжения, третий и четвертый переменные резисторы, у которых первые выводы соединены с выходом источ ника опорного напряжения, а вторые выводы -. с земляной шиной, вычитаю55

ты соединены с обкладками первого конденсатора, а вход управления - с выходом второго элемента И, четвертый коммутатор, у которого контакты соединены с обкладками второго конденсатора, а вход управления - с выходом первого элемента И, пятый коммутатор, у которого первый контакт

конденсатора, второй контакт - с второй обкладкой первого конденсатора, а вход управления - с выходом четвертого элемента И, шестой коммутатор, у которого первьм контакт соединен с второй обкладкой четвертого конденсатора, второй контакт - с второй обкладкой второго конденсатора, а вход управления - с выходом

третьего элемента И, источник тока, управляющий напряжением, у которого вход соединен с выходом квадратичного детектора, а выход - с вторыми контактами первого и второго коммутаторов, компаратор, у которого неинвертирующий вход соединен с второй обкладкой третьего конденсатора, а .инвертирующий вход - с второй обкладкой четвертого конденсатора, двоичный и двоично-десятичный реверсивные счетчики, у которых счетные входы соединены с выходом делителя частоты, а входы управления модулем счета - -с выходом компаратора, датчик температуры, конструктивно совмещенный с эталонной нагрузкой, первый

резистор, второй переменный резистор, у которого средняя точка и первый вывод соединены с первьм выводом первого резистора и выходом датчика

. температуры, операционный усилитель, цифро.аналоговый преобразователь, у которого входы разрядов соединены с выходами соответствующих разрядов двоичного реверсивного счетчика.

вход опорного напряжения - с вторым

выводом первого резистора, первый выход -с неинвертирующим входом операционного усилителя.и с земляной шиной, второй выход - с инвертирую- щим входом операционного усилителя и вторым выводом второго переменного резистора, а вход обратной связи - с выходом операционного усилителя и входом интегратора, источник опорного напряжения, третий и четвертый переменные резисторы, у которых первые выводы соединены с выходом источника опорного напряжения, а вторые выводы -. с земляной шиной, вычитаю

11

щий блок, у которого выход соединен с управляющим входом переменного аттенюатора, а неинвертирующий вход - со средней точкой третьего переменного резистора, седьмой коммутатор, у которого первый контакт соединен со средней точкой четвертого переменного резистора, а вход управления - с выходом делителя частоты, восьмой коммутатор, у которого первый контакт соединен с выходом операционного усилителя, второй контакт - с инверти13

а г д &

П П П П П Г

1 1-1 г

Составитель Н. Михалев Редактор А. Лежнина Техред В.Кадар Корректор Л. Бескид

3579/48

Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

12

рующим входом вычитающего блока и вторым контактом седьмого коммутатора, а вход управления - с выходом первого инвертора и входом управления модулятора, выход интегратора является аналоговым выходом устройства, выходы разрядов двоично-десятичного реверсивного счетчика - выходом на цифровой индикатор, авькоды разрядов двоичного реверсивного счетчика - выходом в канал межприборкой связи.

ФШ.2

Изобретение относится к изме- рительной технике и может быть использовано для измерения средней мощности слабого радиоизлучения шумового характера в радиоастрономии, народном хозяйстве и медицине. Изобретение позволяет упростить процесс измерений путем исключения операций настройки в процессе эксплуатации и переключения антенного входа в процессе единичного измерения, повысить точность измерения -путем -осуществления термокомпенсации дрейфа эталонной нагрузки. Повышение чувствительности устройства достигается обеспечением постоянного баланса мощностей эталонного и измеряемого сигналов без задержки в цепях инте(Л цзиг.1