Устройство для определения систематической фазовой погрешности амплифазометров Советский патент 1988 года по МПК G01R25/04 

ю

со

OS

со

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам для определения систематической фазовой погрешности ампли- фазометров в диапазоне частот от килогерц до единиц мегагерц.

Цель изобрете1шя - расширение частотного диапазона.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для определения систематической фазовой погрешности амплифазометров; на фиг. 2 - типы реактивных элементов; на фиг. 3 - функциональней схема реактивного динамического делителя напряжения; на фиг. А - эквивалентная схема подключения одного реактивного элемента к ;элементам делителя; на фиг.-5 - конструкция платы; на фиг. 6 а,б,в - состояние ветвей реактивного динамического делителя напряжения при различных положениях управляемых ключей на фиг. 6г - векторные диаграммы комплексных коэффициентов передачи указанного делителя при различных его состоя шях и результат сумниро- Iвания при N 4.

Устройство (фиг. 1) содержит измерительный генератор 1 гармонического сигнала, выходом соединенньш с входо согласукицего разветвителя 2, первый выход которого соединен с клеммой 3 для подсоединения опорного входа поверяемого амплифазометра 4, а второй выход - с входом реактивного динамического делителя 5 напряжения, выход которого соединен с клеммой 6 для подключения измерительного входа поверяемого амплифазометра 4, N управляющих входов упомянутого делителя 5 соединены с соответствующими выходам 7 блока 8 переключения, контрольньй выход согласующего разветвителя 2 соединен с вольтметром 9.

Реактивный динамический делитель 5 напряжения (фиг. 3) содержит N реактивных элементов 10.1, 10.2...10.N первые выводы которых подключены к выходной шине делителя 5, а вторые выводы - к соответствующим N выходам управляемых ключей 11.1, 11.2...11.N первые входы которых (нормально замкнутые с выходом ключей) соединены с шиной Общ. нулевого потенциала, вт вторые входы (нормально разомкнутые с выходом) соединены с входной шиной 12 делителя 5, а управляющие входы управляемых ключей являются управля

0

5

0

5

О

5

0

5

0

5

ющими входами делителя 5 и подключены к соответствующим выходам 7.1, 7.2...7.N блока 8 переключения.

Блок 8 переключения содержит генератор 13 прямоугольных импудьсов, выходом подсоединенный к счетному входу счетчика 14, разрешающий вход которого через ключ 15 с фиксацией положения (например, тумблер) соединен с шиной нулевого потенциала, а выходы счетчика 14 подключены к соот- ветствукщим входам дешифратора 16, выходные шины которого через N согла- сователей 17.1, 17.2...17.N подключен ны к соответствующим N управляющим выходам 7.1, 7.2...7.N блока пере -, ключения.

Измерительньш генератор 1 гармонического сигнала (фиг. 1) включает в себя последовательно соединенные задающий генератор 18, согласующий элемент 19 и регулируемьй усилитель 20 выходного напряжения,

Согласующий разветвитель 2 содержит делитель 21, первое плечо которого является первым выходом разветвителя 2, а второе плечо через проходной элемент 22 соединено с вторым выходом разветвителя 2. К выходу проходного элемента 22 подсоединен i через зонд 23 контрольный выход разветвителя 2.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал измерительного генератора 1, прошедший.через согласующий разветвитель 2, в виде опорного сигнала с постоянными амплитудой и фазой подается на первьй вход амплифазометра 4 (клемма З).

С другого выхода согласующего разветвителя измерительный сигнал через реактивный динамический делитель 5 напряжения подается на второй вход амплифазометра 4 (клемма 6),

На N управляющих входов реактивного динамического делителя последо- вательно и циклически подаются сигналы управления с соответствующих выходов блока 8 пе реключения, обеспечивая необходимое изменение амплитуды и фазы измерительного сигнала на клемме 6,

Для контроля амплитуды сигнала на, измерительном выходе согласующего разветвителя 2 к третьему выходу разветвителя подключен вольтметр 9.

U

Основную роль в работе калибрато ра играет реактивный динамический

делитель напряжения.

Реактивный динамический делитель напряжения работает следующим обра- зон.

Входное напряжение, представляюще собой гармоническое колебание с комплексной амплитудой Ujx, приложено к шине 12. При последовательном переключении ключей 11.1... 11.N (на фиг. 3 слева направо) каждый элемен 10.1,..10.N поочередно на время одного переключения подключается к перво шине 12. На фиг. 6а,б,в показаны состояния ветвей делителя 5 при последовательном его переключении. Первые два состояния (на фиг. 6 сверху вниз соответствуют последовательному ера- батыванию первых двух ключей 11.1 и 11.2, а последнее состояние - срабатыванию последнего ключа 11.N. За время N переключений среднее значени выходного напряжения Ucp. м на выход- ной клемме 6 оказывается равным

|K,|e

,,Г:|КПе.

и

8Х

(3)

Ь1

Kjle

)(fi

ZtZ3...Zi + ZiZi|,N + Z,Zt...ZN-i -ijZj,.,Zfj + Z, ZjZj + ZiZ..,Zf(.

i(4)

где Zj - полное сопротивление i-го

элемента делителя 5. Переходя к тригонометрической фор ме комплексных чисел, полагаем, что начальная фаза входного напряжения равна нулю, т.е.

lUbxIe 1U

вх

(5)

Из выражений (3) и (4) получаем

N

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам для определения систематической фазовой погрешности амплифазо- метров. Цель изобретения - расширение частотного диапазона. Отличительной особенностью устройства является частотная независимость фазового сдвига усредненного коэффициента передачи. Устройство содержит измерительный генератор I гармонического сигнала и блок 8 переключения. В устройство введены согласующий разветвитель 2, реактивньм динамический делитель (Д) 5 напряжения и вольтметр 9. Счет циклического переключения элементов на. выходе Д 5 формирует ряд напряжений, связанных известной зависимостью. При проведении калибровки фазоизме- рительная аппаратура подключается к входным и выходным шинам Д 5. В описании приведены примеры реализадии Д 5 и блока 8 переключения. 2 з.п. ф-лы, 6 шт. (Л

й eblxi Ugfcix 1 + .. .Ugb,xN)(1)

6ЫХ1

Uex N

де Ucp N - среднее значение комплексной амплитуды напряжения на выходе за время N циклов;

N - количество циклов, равное количеству реактивных элементов 10.1...10.N; комплексная амплитуда напряжения на входе; комплексная амплитуда напряжения на выходе за время i-ro цикла (i 1, 2,...N). Учитывая, что

и

Бх

и

9Ш

и

вЫх i

UexK,- UBX 1К,1

,

где

К- - комплексньй коэффициент передачи делителя 5 во время 1-го цикла; |К,-|, Ч, - модуль и фаза коэффициента передачи К-,

выражение (1) может быть представле- но в комплексном виде;

Ug,(lK, + iK.le

30

35

8х

1 1

И

И

и-

eitxi

вх

sin , sinvf.0 (9)

50

gg

Выражения (8) и (9) описывают соотношения между фазовыми сдвигами, модулями входных и выходных напряжений, вносимыми реактивным делителем 5 при различных его состояниях. Из выражений следует, что сумма активных составляющих выходных напряжений равна величине входного напряжения, а сумма реактивных составляющих выходных напряжений - нулю. Полученные соотношения поясняются на векторной диаграмме комплексных коэффициентов передачи К,...К для четьфех состояний делителя 5, состоящего из четырех реактивных элементов 10.1...10.4 с произвольным комплексным сопротивле-, нием (фиг. 6г). Каждый коэффициент передачи К...К обозначен в виде

вектора, модуль которого соответствует модулю коэффициента, а угол наклона относительно горизонтально оси - фазе коэффициента передачи. Как видно ия диаграммы, суммарный вектор N

Х1К; К , + Kj + К, + К имеет 1

длину, равную единице, и расположен вдоль действительной оси, что иллюстрирует выполнение условий (8) и (9),

Полученные соотношения (8) и (9) :являются частотно-независимыми, так :как они не зависят от сопротивлений ;элементов 10.1...10.N делителя 5. :Именнр это свойство и положено в ос- ;нову работы устройства. Блок 8 обеспечивает последователь- ;иую выработку управляющих импульсов переключения, которые управляют ра- ботой ключей 1 . 1. . , 1 .N, входящих в состав делителя 5.

Исходное состояние ключей 11j1 ... 11.N показано на фиг. 3.

После включения электропитания начинает работать генератор 13 пря- |моугольных импульсов блока 8; а счет- :Чик 14 находится в нулевом состоя- нии (предварительно сброшен). При ручном нажатии ключа 15 с фиксацией счетчик 14 начинает заполняться импульсами от генератора 13, и на его выходе появляется двоичный код, соответствующий числу поступивших импульсов. Двоичньш код поступает на вход |цешифратора 16, на выходе которого Ьн преобразуется в униполярный код, Ьбеспечивая последовательное возбуж- |п;ение выходных шин дешифратора 16. Длительность импульсов на выходах дешифратора 16 равна периоду генератора 13.

Импульсы равной длительности с выходов дешифратора 16 последовательно через согласователи 17.1...17.N уров- йей блока 8 поступают на управляюш 1е Входы ключей 11.1... 11.N в делителе 5, обеспечивая их переключение на Время длительности импульса. По око-н- чании действия импульса ключи возвращаются в исходное состояние. За счет последовательного переключения ключей выводы элементов 10.1...10.N поочередно подключаются к шине 12, образуя Ветви делителя 5. После выдачи N импульсов с выхода блока 8 счетчик 14 сбрасывается в нулевое состояние и вновь начинает заполняться, цикл по

вторяется. Лля остановки переключений необходимо отключить ключ 15, чтобы заблокировать счетчик 14.

В качестве реактивных используются элементы I0.1...10.N - индуктивность, емкость или их соединения (фиг. 2). Основным требованием к выбору элементов для включения в состав, делителя 5 является их малогабаритность и правильное конструктивное расположение на плате (фиг. 5).

Из рассмотрения эквивалентной схемы включения одного какого-либо элемента 10 на фиг. 4 видно, что общее комплексное сопротивление верхней ветви (между шиной 12 и клеммой 6) равно

20

2,г-4 8 - Z, + Z,4.

F

(10)

5

0

5

где Z., - общее комплексное сопротивление между шинами 12 и клеммой 6 для верхней ветви;

Zg - комплексное сопротивление соединительных проводов верхней ветви;

Z JJ, - комплексное сопротивление первой пары контактов ключа;

Z . J - общее комплексное сопротивление ключа 11; Z р - комплексное сопротивление резистивного элемента 10. Общее комплексное сопротивление нижней ветви (между шиной Общ и клеммой 6) при другом положении ключа 11 равно

40

0-4 Н kl Pl

(11)

5

0

5

где Z.

- комплексное сопротивление соединительных проводов нижней ветви;

Z ц - комплексное сопротивление второй пары контактов ключа 1 1 .

Для исключения влияния соединительных проводов и контактов ключей 11 на величины коммутируемых реактивных сопротивлений указанные цепи должны быть выполнены симметричными, т.е.

Z

7 л/ 7 7 /J J /jf, , 1

К t

ЧТО обеспечивает равенство

Z 11-{ Z о-J

(12) (13)

11Д

Таким обраг ом, общее коммутируемое комплексное сопротивление, образованное из сопротивления элемента 10, сопротивлений проводов и контактов ключа 11, оказьгоается одинаковым для двух положений ключа 11. Цепи делителя 5 выполнены симметричными (фиг, 5), а в качестве ключей использованы коммутаторы с одинаковым со- противлением коммутируемых каналов (например, на полевых транзисторах

или герконовых реле).

I

Определение систематической norpeшности амплифазометра осуществляется по измерениям контрольного.вольтметра и самого амплифазометра, С помощью амплифазометра осуществляется измерение разности фаз между сигналами на входах и определение на клемме 6 амплиту;п;ы измерительного сигнала в течение каждого цикла. Опорный сиг

и

ewxll

1Ц

вых i

и

8x

i A,

, + in v,,+

uiM w разность фаз между гармоническими сигналами на входах амплифазометра и ампли туда, из мер ен- ные во время i-ro цикла работы делителя 5.

Представляя значение измеренной разности фаз виде

uзм ,

где (f - фаза козффициента передачи делителя 5 во время i-ro цикла; Д1 - систематическая погрешность

измерения фазы , :выражение (16) можно записать

sin Ч

Ujivn

„ (sine/.cos dtf +

)1 и,-1

+ cost/, sin 4 Lf)

N lUgbixil

COS /5

1 1

и

5X

sin If. +

нал на клемме 3 амплифазометра А поддерживается постоянным. Результаты измерений считываются с выходных индикаторов поверяемого амплифазометра, входное напряжение делителя 5 измеряется вольтметром 9.

Таким образом, после всех N переключений делителя 5 должны быть определены отношения амплитуд

и

Ri- ift

и.

BHXN

(14)

и измеренных амплифазометром фазовых сдвигов

изм 1 изм 1 t I N (i5)

Постоянная составляющая погрешности измерения фазы Л if по результатам измерений (14) и (15) определяется в виде алгебраической суммы

ttlX N

-Sin l vjjMN BX

(16)

LlUeiix l,

+ sin 1 2-7; costf. A. (17)

Bx

Учитывая свойства делителя 5, описанные выражениями (8) и (9), получаем

sin dlf А , окончательно

/It/ arcsin А ,

(18)

(19)

Таким образом, искомая систематическая погрешность 41 поверяемого амплифазометра 4 определяется через известное число А, полученное по результатам N измерений. Для малых значений погрешности

.(20)

Основное технико-экономическое преимущество предлагаемого устройства по сравнению с известными заключается в значительном расширении рабочего частотного диапазона. Частотная независимость среднего коэффициента передачи позволяет использовать

;устройство В качестве широкодиапазон- ного измерителя -систематических фазовых погрешностей при ,1оверке ам- плифазометров, при этом отпадает не-, обходимость в применении отдельных стабильных прецизионных элементов,

|Формула изобретения

Ugx

1 0-2L

М- Ш

гощ

нического сигнала выходом соединен с входом согласующего разветвителя, контрольный выход которого соединен с вольтметром,

I .

-/ 1 0-2L

М- Ш

afvx

7/

гз

/5

пгчт

фа&.з

12

//////

JXJ

7///////////

nr,l |g,X.

i/ /////////y////

Ф

Г7./

I P n

/(;7-2 „ p

фаб.

12

v/

///////////////7

Jrj/ff-jj

:S

irni I и

a

7

-й«

a

2irj

Ф Ф

Ф

73

/(7-3

„ P n

q n

фи8.5

Q J2

Фиг. 6