Способ преобразования и измерения фазового сдвига в широком диапазоне частот и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

138

квадратуре. Результаты БМ снова суммиру от, и эту операцию в обоих каналах преобразования частоты повторяют не менее двух раз. Устройст во, ре ализукицел способ, состоит из измерительного 1 и опс рного 2 каналов преобразования частоты, вклю- чаюгцих фазорас1непите:1И Зп (I).., ,..3n(m) и Зо (1)..,Зо (п), балансные (Ч07;уляторы 4п ( О . . . 4п () и 4о (1) . . .

05

,..Ао(2т), сумматоры 5п(1),..5n(m) и 5о(1),.,5о(га) напряжения. Кроме того, устройство содержит формирователь 6 квадратурных и опорного напряжений, фазометр 7 и перемножитель с фильтром. При реализации технического решения уменьшаются погрешности из-за недостаточного подавления сигналов в зеркальном канале. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике электрорадиоизмерений и служит для расширения диапазона частот и повышения точности измерения фазовых сдвигов. Фазовый сдвиг между входными напряжениями (ВН) преобразуют в фазовый сдвиг между напряжениями низкой частоты. Одно из них получают путем перемножения ВН измерительного и опорного каналов преобразования частоты и выделения из результата перемножения максимальной из низких частот. При этом ВН расщепляют на две квадратурные составляющие, каждую из которых балан- сно модулируют (БМ) соответствующими низкочастотными напряжениями, также находящимися в квадратуре. Результаты ВМ суммируют, вновь рас- щспляют на две квадратурные составляющие, каждую из которых снова БМ соответствующими низкочастотными напряжениями, также находящимися в (Л

1

ч Изооретение отш сится к технике

3J i jK i i ov a;iiit):.i;ib;epei H;i, и час- ч1ости : Tt JiruiKe шморсшш yr-/if сдвига (Ьаз 3 i:iMiioi ;oM ;гчап. час-ют, и может быть использо)заио при создании фазо шме11ителы1ых устройств norifciiucHHOH э7 -1 - к-1-и;ч ости.

Цель изобретения расширение диапазона частот п nopi,мнение точности измерошя фа:111в:«:х сцнигов путем ) i:(irpf ;iitioc rn из-за едос - таточилго подав:к;п :я сигнала п зеркал bii;: -i канал ;.

Су ;чос гь способа преобразования и изь;ер1М 1 П с.пнигл фаз двух ciinyco- идальиых наприлаггииГ в широком zuiana зоне частот состоит я том, -гго фазовый СГ1ПИГ меж, .:-:с}, напряжениями преобразуют в флзс-вы сдпиг между напряя;е}и я.. частоты, одн из кочорых пoJ. путем иеремно- :4д;; ия iihixojtJiMx напряжений измери- I e.iiTii orc и onopiioi o кана. гов преоб- разо):ании частот, и выделения из резу.. по;.(.;м; ожения максималъ- ной из ии;. Ких частот, приче;-: уход- in-iG иаг ияжения в из .гери г ельпом и оп1)рном ;саналах преобразоиания час- тотм часпияпяют на квадратурные состав:гяюн1,ие , каждую из которых бала и с н о м о д ули р ую т с о о т в е т с т п ующими низкочастотными напряжениями, так же находящимися в квадратуре, ре- зультатъ балансной г юдулянии с мми- руют, снова рас 1епляют на две киад- рагурные состалляюп ие, каждую из которых снова бя.гтансно модулируют соответствующими низкочастотными напряжениями, тлкже находящимися в квадратуре, результя ;) балансной

0

5

0

5

0

модуляции снова суммируют, и эти операции в обоих, каналах преобразования частоты повторяют не менее двух раз.

На чертеже представлена структурная схема фазоизмерительного устройства, осуи4ествляю1цего способ.

Устройство содержит измерительный капал 1 преобразования частоты, опорный канал 2 преобразования час- то гы, широкодиапазонные фазорасще- пители 3n(l)-3n(ni), Зо(1)-3о(п), балансные модуляторы 4п(1)-4n(2m), 4о (1)-4o(2m), сумматоры 5п(1)-5п(т), 5о(1)-5о(п) напряжений, формирователь 6 квадратурных и опорного напряжений, фазометр 7, перемножитель 8 с фильтром.

Устройство работает следующим образом.

Исследуем1з1е напряжения ) и U(t) одинаковой частоты о , значение которой может задаваться в широком диапазоне частот, а угол сдвига

фаз между которыми ср подлежит изме h рению, например,

U(t) cos( Qt +Ч „); UflCt) cosot,

в широкодиапазонных фазорасщепите- лях Зп(1) и Зо(1) измерительного и опорного каналов преобразования частоты (ПЧ) преобразуются в две пары квадратурных составляющих

U(t) cosCut +t(); Up(f) sinCot ); Ug (t) coscot;

Л

IJo(t) sinuc.

Эти две пары напряжений в двух парах балансных модуляторов каждого канала ПЧ попарно модулируются напряжениями, поступающими от формирователя квадратурных и опорных напряжений:

U(t) cos$7 ;t; U,(t) t;

UOA. (t) U(t) sina(t),

где , частоты квадратурных напряжений соответственно измерительного и опорного каналов ПЧ.

Квадратурный сдвиг фаз (i90) модулирующих напряжений выбран таким образом, чтобы в измерительном и опорном каналах информация о фазовом сдвиге между входными напряжениями переносилась по оси частот во взаимно противоположных направлениях. Следовательно, входные напряжения первых сумматоров напряжений обоих каналов ПЧ могут быть описаны следующим образом:

и|, (t) cos(u+Q,)t + U n -t-tf, + + S, cos (co+Qn,)t -t-q -f-c;,;

Uo(t) COS(O-QO. )t -t-(o, cos(o + + ,)t.

где On,, Ь 0, - коэффициенты подавления зеркальных частотных составляющих в выходных напряжениях соответствующих сумматоров измерительного и опорного каналов ПЧ соответственно; tp и - фазовый сдвиг между

входными напряжениями; Ч п4,2..., дополнительные фазовые сдвиги, возникающие при каждом смещении частоты в измерительном канале ПЧ (в опорном канале ПЧ эти сдвиги условно приняты равными нулю).

Напряжения на выходах вторых сумматоров каждого канала ПЧ:

Urt(t) cosL(ьз+Oп.+Ппг)t cfn+q-n,+ 5п7 cos (Q-t-an. -nni)t -t-tfn

)п Ч пг1 . COS t(, +0ni)t +

81405

+ 4 n KJ n, + Ч пг1+ fi n. -t- Sna cos(cj-Пп, -Qr,i)t +Ч)„-Ц п, -f-pni J

u;;(t) соб (w-Ho. 5 (U-ao,Oo )t + 5o, cos ((0- + o, - )tl- 0. 5o2 cos (U+QO, -I- oi)t.

Напряжения на выходах соответ- 10 ственно га-го и п-го сумматоров:

г U(t) cos|()t -(/„-i I + f +,С08(ш-ь |:а,;-0„„) t +

5 (.,)...h, S,...S,,.,,cos(Um- I.

-,Х10„-, + „,„)С +4 n-flm..J-b5n,5nl Mm-,)nmCOs(u-f 0„; )t ;

ill

u(t) cos(u-i:oog )t -tn-i .

+ 5о„ соаГСсЛ-Г оз )Ч + ...

t-

p n-l

,)t + o,So,...o(«-,) cos(u+

)t,

20

где , ,r - суммарный сдвиг фаз, вносимый частью тракта преобразования, от входа широкополосного фазорасщепителя

до выхода соответствующего сумматора. Эти напряжения перемножаются в перемножителе с фильтром. При этом в произведении будет только два чле-

на с частотой ( Q;-«-Z1 s

Uo 5-0

рая выделяется заданным фильтром.

т.е.

u(t) cosfcziQi И g,)t +

+ Ч, Г) 05 .COS( 0;-Н I Ml 5- 1

-M n+Fl.

S«l J

где - суммарный статический сдвиг фаз, вносимый всем трактом преобразования частоты. Второй член последнего выражения ызывает приращение фазы к его основной составляющей, что приводит к погре ности измерения, максимальное значение которой равно

UCf

arctgC П5„; П S

5«i

13814056

из которых балансно модулируют ниэ05

), рад.

кочастотными напряжениями, также находящимися в квадратуре, результаты балансной модуляции суммируют, снова расщепляют на две квадратурные составляющие, каждую из которых снова балансно модулируют низкочастотными напряжениями, находящимися в квадратуре, результаты балансной модуляции снова суммируют, эти операции в измерительном канале преобразования частоты выполняют m раз (т 2,3,4,...,), а в опорном - п раз (п 2,3,4,... в частном случае ), причем квадратурный сдвиг фаз низкочастотных модулирующих напряжений осуществляют таким образом, чтобы смещение частоты в измерительном и опорном каналах преобразования час тоты происходило во взаим1го противоположных направлениях, а значение низкой фиксированной частоты, на которой производят измерение фазового сдпига, выбирают равным частоте максимальной частотной составляющей нижней боковой полосы частот, полученной в результате перемножения выходных напряжений измерительного и опорного каналов преобразоларн1я частоты,

Диапазон частот, в котором можЬт функционировать данное устройство, определяется в основном рабочим диапазоном частот используемых в нем фазовращателей. Поскольку перекрыти диапазона частот современных фазовращателей, т.е. отношение верхнего значения рабочей частоты к нижнему значению, может достигать сотен и даже десятков тысяч, TJD очевидно, что данный способ позволяет во много раз расширить диапазон частот.

Следует отметить,что если использвать в данном устройстве простейшие фазорасщепители, а число преобразований частоты в каждом канале ПЧ выбрать равным 3, то в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц (перекрытие по частоте равно 1000 раз) погрешность измерения, обусловленная фазовой погрешностью преобразования не превысит

utp

(или 7 ),

bVn

где ---

.(-f)(-f) 0,002 град

- - оПраД-.

2 Данный способ преобразования фа- зопого сдвига позволяет существенно повысить точность средств измерений угла сдвига фаз при работе в широком диапазоне частот.

Формула изобретения

0

5

0

5

0

5

0

55

кочастотными напряжениями, также находящимися в квадратуре, результаты балансной модуляции суммируют, снова расщепляют на две квадратурные составляющие, каждую из которых снова балансно модулируют низкочастотными напряжениями, находящимися в квадратуре, результаты балансной модуляции снова суммируют, эти операции в измерительном канале преобразования частоты выполняют m раз (т 2,3,4,...,), а в опорном - п раз (п 2,3,4,... в частном случае ), причем квадратурный сдвиг фаз низкочастотных модулирующих напряжений осуществляют таким образом, чтобы смещение частоты в измерительном и опорном каналах преобразования час тоты происходило во взаим1го противоположных направлениях, а значение низкой фиксированной частоты, на которой производят измерение фазового сдпига, выбирают равным частоте максимальной частотной составляющей нижней боковой полосы частот, полученной в результате перемножения выходных напряжений измерительного и опорного каналов преобразоларн1я частоты,

модуляторов, выходы которых соответственно подключены к двум входам первого сумматора напряжений, выход которого соединен с входом второго широкодиапазонного фазовращателя, первый и второй выходы которого подключены к высокочастотному входу третьего и четвертого балансных модуляторов, выходы которых соответственно подключены к двум входам второго сумматора напряжений, причем выходы последнего га-го в измеритель

ном и п-го сумматоров напряжений в опорном канале соединены с первым и вторым входами перемножителя с фильтром, опорный вход фазометра подключен к опорному выходу формирователя низкочастотных квадратурных и опорного напряжений, m+n пар квадратурных выходов которого соединены с низкочастотными входами соответству- кицих 2т и 2п балансных модуляторов измерительного и опорного каналов преобразования частоты.