Устройство для измерения фазовых характеристик Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радиоиэ- мерительной технике и может быть использовано для определения фазовых характеристик фазометрических устройств как в фyнкIpiи изменения входной разности фаз, так и в функции изменения амплитуды сигнала на их входу.

Цель изобретения - повышение точности измерения фазовых характеристик фазометрических устройств при расширении динамического диапазона выходных сигналов,

На чертеже дана схема устройства.

Устройство для измерения фазовых характеристик содержит генератор 1 высокочастотных сигналов, регулятор 2 уровня, формирователь 3 боковых составляющих, фазозадающий блок 4, блок 5 восстановления несущей, демодулятора 6 и индикатор 7„Первый вход формирователя 3 боковых составляющих подключен к выходу генератора 1 высокочастотных сигналов и образует первую выходную клемму устройства. Второй вход формирователя 3 боковых составляющих подключен к одному из выходов фазозадающего блока 4, другой выход которого соединен с вторым входом блока 5 восстановления несущей. Первый вход блока 5 восстановления несущей объединен с вторым входом демодулятора 6 и подключен к первому выходу формирователя 3 боковых составляющих, второй выход которого соединен с третьим входом демодулятора 6, Выход блока 5 восстановления несущей через регулятор 2 уровня соединен со второй выходной клеммой устройства. Выход демодулятора 6 соединен с входом индикатора 7,

Генератор 1 высокочастотных сигма пев может быть любого типа, его выходные параметры полностью определяются входными параметрами исследуемого фазоизмерителя, подключаемого к выходным клеммам устройства.

Регулятор 2 уровня представляет собой четьфехполюсник с переменным коэффициентом передачи.

Формирователь 3 боковых составляющих может быть реализован на основе использования способов однополосной модуляции. Наилучшие результаты достигаются при использовании двух типовых систем ФАПЧ по вторичным биениям, включенных последовательно ли0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

бо параллельно о В последнем случае (см„ чертеж) объединенные входы эталонного сигнала обоих систем 8 и 9 ФАТШ образуют первый вход формирователя 3 боковых составляющих и подключены к выходу генератора 1.высокочастотных сигналов. Вход сигнала с частотой сдвига системы 8 ФАПЧ объединен с входом установочного фазовращателя 10 и образует второй вход формирователя 3 боковых составляющих, подключенный к одному- из выходов фазозадающего блока 4. Вход сигнала с частотой едвига системы 9 ФАПЧ подключен к выходу установочного фазовращателя ТО, а выход этой системы ФАПЧ образует второй выход формирователя 3 боковых составляющих,первый вход которого образован выходом системы 8 ФАПЧ. Каждая из систем ФАПЧ содержит подстраиваемый генератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот, управляющий элемент, замкнутые в кольцо фазовой автоподстройки частоты по вторичным биениям. Один из входов смесителя образует вход эталонного сигнала системы ФАПЧ (другой подключен к выходу подстраиваемого генератора), а один из входов фазового детектора - вход сигнала с частотой сдвига (другой вход фазово о детектора подключен к выходу смесителя). В диапазоне частот формирователь 3 боковых составлякщих быть реализован на основе использования поисковых систем ФАПЧ по вторичным биениям.

Фазозадающий блок 4 в простейшем виде представляет собой генератор 11 сдвига, выход которого соединен с объединенными входами двух фазовращателей - компенсирующего и отсчет- ного. Выход компенсирующего фазовращателя 12 образует один выход фазо- вращаюгцего блока 4, другой выход блока 4 образован выходом отсчетного фазовращателя 13,

Блок 5 восстановления несущей может быть выполнен с использованием методов однополосной модуляции. Наилучшие результаты дает применение системы ФАПЧ по вторичным биениям, ндентичной системе 8 или 9 ФАПЧ формирователя 3 боковых составляющих, при этом вход эталонного сигнала этой системы ФАПЧ образует первый вход блока 5 восстановления несущей,, шэдключенный к первому выходу фор-

U

мирователя 3 боковых составляющих, а вход сигнала с частотой сдвига - второй вход блока 5 восстановления несущей, подключенный к другому выходу фазозадающего блока 4.

Демодулятор 6 может быть реализован на основе перемножителя (смеси

10

Способ регулирования з ния не имеет, так как кал регулятора 17 по уровню, нейности управления и др. ся необходимой. При U5 . макс дополнительный 17 выполняется таким обра в процессе измерения фазо 15 теристик исследуемых обра вых цЭ обеспечить ус для и, - ослабле лов ,

Устройство работает сл

A.cos(cOgt + ср ),

теля, синхронного детектора и т.п.), а также квадратичного элемента. В последнем случае демодулятор 6 содержит трехвходовый сумматор 14,входы которого одновременно являются входами демодулятора 6, квадратичный элемент 15, вход которого подключен к выходу сумматора 14, а выход соединен с входами фильтра 16. Вьпсод фильтра 16 одновременно является выходом демодулятора 6 и соединен с входом индикатЪра 7. Два входа сумма- 2о образом.

тора 14 подключены к выходам формиро- На выходе генератора 1 вателя 3, а третий - к выходу дополнительного регулятора 17 уровня, вход которого соединен с выходом регулятора 2 уровня.

В качестве инг икатора 7 может быть использовано любое устройство (осциллограф, вольтметр и т.п.), пригодное для регистрации уровня низкочастотных сигналов и обладающее достаточно высокой чувствительностью.

Дополнительный регулятор 17 уровня представляет собой четырехполюсник с переменным (изменяемым) коэффициентом передачи. Динамический диапазон изменения величины сигнала на выходе этого регулятора должен быть .не меньше обеспечиваемого регулятором 2 уровня.

При достаточно высокой чувствительности демодулятора 6

25 где А

С

0.

tfc - соотве

амплит та и н фаза в ного с

3Q На выходах формировате составлянщих имеем соотве

AJ. (t) A.,cos(tOc -

1

35

40

Ен - - -s -q-c - М-к- -

Ag(t) Agcos ( -btf,,+ tpK + f

где A t - амплитуда боковы ляющих;

и

еь111.л«1л )

норминальное значение сиг- нала на первом входе демодулятора 6,

минимальный уровень сигнала на второй выходной клемме устройства. ительньй регулятор 17 вывиде аттенюатора.

зкой чувствительности демо6

50

П 5 Г иЭ «а«с

где и

вь), длакс

- максимальный уровень сигнала на второй вы

ходнои клемме устройства .

Дополнительный регулятор 17 вьтол- няется в виде усилителя с изменяеьгым коэффициентом передачи.

Способ регулирования здесь значения не имеет, так как калибровка регулятора 17 по уровню, фазе, линейности управления и др. не является необходимой. При , . макс дополнительный регулятор 17 выполняется таким образом, чтобы в процессе измерения фазовых харак- теристик исследуемых образцов для вых цЭ обеспечить усиление, а для и, - ослабление сигналов ,

Устройство работает следующим

образом.

A.cos(cOgt + ср ),

На выходе генерат

На выходе генератора 1

5 где А

С

0.

tfc - соответственно

амплитуда, частота и начальная фаза высокочастотного сигнала.

Q На выходах формирователя 3 боковых составлянщих имеем соответственно

AJ. (t) A.,cos(tOc - )t +

1

5

0

Ен - - -s -q-c - М-к- -

Ag(t) Agcos ()t + -btf,,+ tpK + f ,

где A t - амплитуда боковых составляющих;

Q, - соответственно частота и начальная фаза сигнала с частотой сдвига на выходе генератора 9, (D|,cpu- состояния (фазовые сдвиги)

f гмап эиг мпллптогт 19 w vpTfl -

0

компенсирующего 12 и установочного 10 фазовращателей соответственно. Постоянными фазовыми сдвигами в блоках и элементах устройства можно пренебречь, так как на сущность про цессов они не влияют и могут быть учтены и скомпенсированы при начальной настройке (регулировке) и калибровке .устройства.

На выходе блока 5 восстановления несущей формируется сигнал

Aj(t) (Wgt +(ft- + Ч-в - Ч х ) ,

где А„ - амплитуда выходного сигна-

ла блока 5;

tfo - состояние (фазовый сдвиг) отсчетного фазовращателя ТЗ.

Тогда испытательный сигнал на вы ходе регулятора 2 уровня (второй выходной клемме устройства) может быть представлен в виде:

( + (fc +tfa -4 s + ),

где Aj, - амплитуда испытательного

сигнала; Cfp - фазовый сдвиг5 создаваемый

регулятором 2 в процессе и ме нетш уровня выходного сигнала.

Сигнал на выходе дополнительного регуляторй 17 уровня

AдpCOs(GЗct -f Cfc + tfk Cfp + .

-Ри

Agcos(q) - Y Ч Ч др- Ч к) cos(Qt ч- +Cf + 7

. f -J),

где А - максимальное значение амплитуды этого сигнала. Нулевые показания индикатора 7 обеспечиваются при

сра

q o- фц Ч р + м др- -2 .

С

±(2п - О 7 ,

где п О, 1, 2, ...

I

В процессе измерения фазовых характеристик фазометрических устройств

Y

значение

2

Ц др) поддерживается

2g постоянным, тогла

(и

Ч о р Y -Ч др± +(2п - 1) - const.

Изобретение служит для повышения точности измерения фазовых характеристик. Устройство обеспечивает формирование опорного и измерительного сигналов (выход 1 и выход 2) одинаковой частоты с заданным фазовым сдвигом и- изменяющейся на выходе 2 амплитудой. Сдвиг фаз задается отс- четным фаяовоащателем 13 на ниякой Betxo I ЫХ т е с- Я частоте в фазозадающем блоке 4. Затем переносится на высокую частоту генератора 1 с помощью систем 8 и 9 фазовой автоподстройки частоты формирователя 3 боковых составляющих и блока 5 восстановления нес:,тпей. Амплитуда на выходе 2 изменяется регулятором 2 уровня. Демодулятор (Д) 6 и индикатор 7 используются как индикатор нулевых фазовых сдвигов между несушей (выход 2) и боковьпми состав- ллютими. Введенный регулятор 17 уровня служит ддя уменьшения изменений амплитуды несущей на входе Д 6, чтобы устранить большую часть амплитудно-фазовой погрещности Д 6. Чем меньше перепад амплитуды между соседки- ми точками проверки, тем меньшую погрешность вносит Д, 6 в измерения, Имеются также установочный фазовращатель 10, генератор 11 сдвига частоты, компенсирующий фазовращатель 12, трехвходовый сумматор 14, квадратичный элемент 15 и фильтр 16, i to сл U: ЁО М ч со а -.« S-. П1 го L f-, r-n S5 г-n „„о44а.«тг4&дтапяп 1 t fu

где Адр - амплитуда сигнала на выходе дополнительного регулятора 17 уровня,; - фазовый сдвиг, вносимый

дополнительным регулятором 17 уровня.

На вход квадратичного элемента 15 через сумматор 14 поступают три сос- тавлякнцие - боковые с выходов формирователя 3 и сигнал с выхода дополнительного регулятора 17 уровня, Ха- растеристика квадратичного элемента может быть описана полиномом второй степени вида;

+ а| X + ajX

где у - выходной сигнал квадратичного элемента 15,

X - входное воздействие, в данном случае сигнал с выхода сумматора 14,

Фильтр 16 настроен на вьщеление составляющей выходного сигнала квадратичного элемента 15с частотой Q и после элементарных алгебраических и тригонометрических преобразований сигнал на выходе демодулятора 6 может быть записан как

30

В то же время разность фаз сигналов на выходных клеммах устройства

utfebU - +Ч с

(2)

При сравнение (1) и (2) видно, что условие постоянства выходной разности фаз и условие обеспечения нулевых показаний индикатора 7 совпадают и, следовательно; поддерживая в процессе измерения фазовых характерисктик (по нулевым показаниям индикатора 7) ц qj- , можно обеспечить заданное значение выходной разности фаз, опреде- ляемое только состоянием отсчетного фазовращателя 13 , М о

Можно выделить три основных ретки- м1а работы устройства,

1„ Калибровка устройства о Компенсирующий фазовращатель 2 устанавливают 3 состояние 5 соотзетствятощее нз левому фазовому с,цвигу, регулятор 2 уровня - в режим, соответствующий прямом прохож ценшо сигнала с выхода блока 5 восстановления несущей на вторую выходную клемму устройства, отсчетным фазовращателем 13 устанав - ливают заданное значение выходной разности фаз у установочным фязовра

7

щателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7. Изменяя состояние дополнительного регулятора 17 уровня (по показаниям индикатора 7) устанавливают номинальное значение сигнала на первом входе демодулятора 6. Затем установочным фазовращателем 10 добиваются нулевых (минимальных) показаний индикатора.

2, Измерение фазоамплитудных характеристик исследуемого образца- фазометра (проверка по фазоамплитуд- ной погрешности),

Производят калибровку устройства по п. 1. Регулятором 2 уровня устанавливают заданную величину выходного сигнала, компенсирующим фазовращателем 12 восстанавливают нулевые (минимальные) показания индикатора 7, производят первый отсчет показани индикатора исследуемого фазоизмери- теля. Установочным фазовращателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7, дополнительным регулятором 17 уровня (по показанию индикатора 7) восстанавливают номинальное значение сигнала на первом входе демодулятора 6. Установочным фазовращателем 10 вновь устанавливают нулевые (минимальные) показания индикатора 7, Далее регулятором 2 уровня изменяют амплитуду выходного сигнала на заданную величину, компенсирующим фазовращателем восстанавливают нулевые (минимальные) показания индикатора 7, производят второй отсчет показаний индикатора .исследуемого фа зоизмерителя. Разность показаний индикатора фадометра при изменении уровня испытательного сигнала дает искомое значение фазоамплитудной погрешности (ФАХ), Установочным фазовращателем 10 добиваются максимальных показаний индикатора 7, дополнительным регулятором 17 уровня устанавливают номинальное значение уровня сигнала на первом входе демодулятора 6, установочным фазовращателем 10 восстанавливают нулевые показания индикатора 7. Последовательно задавая ряд значений уровня испытательного сигнала, отрабатывая компенсирующим фазовращателем 12 возникающие при этом в регуляторе 2 уровня фазовые сдвиги (по нулевым или минимальным показаниям ин дикатора 7) и каждый раз восстанавливая номи- нальньЕй уровень сигнала на первом

1А37796

5

0

5

0

5

0

5

0

5

входе демодулятора 6 в вьшеуказанной последовательности, с помощью индикатора исследуемого образда производят определение всех значений искомой ФАХ для заданного значения выходной разности фаз испытательного сигнала. Установив отсчетный фазовращатель 13 в другое состояние и повторив в указанной последовательности вышеприведенные операции по калибровке устройства и измерению ФА-Х, находят ФАХ исследуемого образца для нового значения разности фаз испытательного сигнала.

Введение в известное устройство дополнительного регулятора уровня позволяет на два-три порядка уменьшить динамический диапазон сигнала на первом входе демодулятора, -который равен изменению амплитуды сигнала между соседними точками фазовой характеристики. Учитвая, что по остальным входам уровни сигналов в прогрессе определения фазовых характ аристик исследуелп;4 :

ся неизменными 5 аг.;;7Л1фазозке сдяигч г . ;::J. L

считать -;аТПз:ТчИ„

нерения в OCHODKOI.; ;:; костью отработки дополнительном регулг при измекенкя ег;.; ccvc рак,, в свою очередь, от разрешающей c;;;:ccof вЯо При з роппял :, :i -: : .. взводе демод ; ля га1:;. KajibHOMy змачел ;::.. .,;,: собность устрочс гва. вариагетями пг;казашет диапазоне и;/м15п-Л: ::; ,; него (тестосо; о; ;:;л не хуже 0,005 ;. :.. ;i4;: 60) дБ не x;:;:;;.i О, ; , .

(60-30) ДЗ л:- .V,.. :.:; ,

дискрете из М ;;: -.- - сигнала 10 .:..Ь -}.. v--.--. погрешжзе-л-ь кзло; Я ги теристик НС ел.;д ::::;:;:,, Г:. л.. ;-;:- 0„0иб, i-i ,-- -.,i. -./ 0,008% а диапазон- ;

Изменение урозн:; , ла в известном устро й тнус 40 дБ пркводк г индикатоу-. . : .разрешающий :.п:-:::.:- i- до 0„ 05 ;, а -:;:- .ч ...;% :; ;:

6 О

вь; :одного сигнала от О до -шнус 60 дБ дэейф нуля индикатора составляет уя& П, nt/и разрежающей спо- ссбности на уровне минус 60 дБ 0,1 „ Соответственно, погрешности измере- нг-гй фазовых характеоистик. с помогоью известного устройства составляют в диапазоне 40 дЗ - систематичяская

0,05,. случайная (среднекг адратич Яя) 0,02, Е диапазоне 60 дБ - сис тематическяк О,1 , среднеквадратичная 0,033 ,

Таким образом, вкдючение н.а вход

демодулятора дополнительного регулятора уровня позволяет устранить сис- тематическутгО погрешность измерения фазовых ха.рактаристик фазометричес- ких устройств более чем в три раза

зт геньиить среднеквадратичную погрешность и на 20 пБ расширить динами- - .2СКИЙ диапазон исггытательного сигнала.

изо

D е т е н и я

Устройство для измерения фазовых ;;;арактерис ик. по авт„ ев, № 12476905 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,

с цаль о повьппеш я точности в него введен дополнительный регулятор уровня,; при этом первый вход демодулято- ;оя подкл;очен к второй выходн1 : Й клак- f..:e устр.ойства через дополнительный

рагулятор уровня