Способ определения линейности высокочастотного амплитудного детектора Советский патент 1989 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения передаточной характеристики амплитудных детекто7 ров, имеющих применение как в высокочастотных вольтметрах, так и в других измерительных приборах, например измерителях дизлектрических характеристик, измерителях глубины амп- литудной модуляции и т.д.

Цель изобретения - повышение точности способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля

линейности характеристики высокочастотного амплитудного детектора, основанному на подаче на вход амплитудного детектора высокочастотного напряжения с выхода генератора и из- мерении вьтрямленного напряжения на выходе детектора, высокочастотное напряжение с выхода генератора на амплитудный детектор подают через делитель, образованный последователь но включеннь1ми сопротивлением связи и параллельным параметрически модулированным LC-контуром с резонансной частотой, отличающейся от частоты генератора, и измеряют значения вып- рямпенного напряжения до и после шунтирования контура активной проводимостью, при этом дополнительно измеряют амплитудь низкочастотной огибающей (частоты параметрической модуляции) высокочастотного напряжения на LC-контуре, а погрешность, обусловленную нелинейностью начального участка характеристики детектора, вычисляют по формуле

8..1,.|- (|, 1.

UQO - L J

(и..

U-

, -u..j)

где и.

На чертеже представлена схема установки, реализующей способ.

Установка содержит высокочастотный генератор 1, в общем случае комплексное сопротивление 2 связи (Z), LC-контур, образованный параллельно соединенными катушкой 3 индуктивности конденсатором 4 переменной емкости, модулирующими варикапами 5, связанными с модулятором 6, проверяемый высокочастотный амплитудный детектор 7, детектор 8 огибающей, усилитель 9 низкой частоты, прецизионный низкочастотный детектор 10, ключ 11 и. резистор (активную проводимость) 12.

Для иллюстрации способа получим основные соотношения.

Аналитически амплитуда напряжения и на контуре определяется модулем коэффициента передачи А, являющегося функцией параметров измерительной схемы, т.е.

А

и

)

(1)

где Z

ев

ZK Си

сопротивление 2 связи, в общем, случае комплексное,

ZOB R J- R - активная составляющая соп

ротивления 2 связи ( реннее сопротивление генератора) , X - реактивная составляющая

сопротивления связи$ Z - полное сопротивление LCKOHTypaJ

Е - амплитуда ЭДС генератора. С учетом принятых обозначений можно получить следующее выражение для коэффициента передачи А

l + R(gb - ё,г x (g, .) Ж

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определений передаточной характ еристики амплитудных детекторов , применяемых как в высокочастотных вольтметрах, так и в других измерительных приборах, например измерителях диэлектрических характеристик, измерителях глубины амплитудной модуляции и т.д. Целью изобретения является повьшение точности определения линейности высокочастотного амплитудного детектора. Способ осно-. ван на подаче на вход амплитудного детектора высокочастотного напряжения с выхода генератора и измерении выпрямленного напряжения на выходе детектора. Устройство, реализующее способ, содержит высокочастотный генератор 1, LC-контур, образованный параллельно соединенными катушкой .3 индуктивности, конденсатором 4 переменной емкости, модулирующими варикапами 5. На чертеже также показаны модулятор 6, проверяемый детектор 7, детектор огибающей 8, усилитель 9 низкой частоты, прецизионный детектор 10, ключ 11 и резистор 12. 1 ил.. (Л

Ua - измеренные значения пос- тоянных напряжений на выходе детектора соответст- JQ венно до и после шунтирования LC-контура резистором (активной проводимостью);

и

Мао

и„ - измеренные амплитуды низко-55 частотной огибающей высокочастотного напряжения на LC-контуре до и после шунтирования.

де 0 1 - W LC;

L - индуктивность катушки 3; С - полная емкость контура, равная сумме емкостей конденсатора 4 и модулирующие варикапов 5;

g - проводимость, эквивалентная потерям в элементах параллельного LC-контура (в основном в катушке индуктивности); g,,, - проводимость резистора 12.

Первая производная модуля коэффи- циент а передачи по емкости - крутизна резонансной характеристики, определяется выражением

dA dZ df dC

COL

-+

Г

(R

+ X

A QL.

Из (3) следует, что максимум напряжения на контуре имеет место при

(3)

1 - шЧс,

xuL

R + х

Откуда получим выражение дпя резонансной емкости

S

1

coCR + X)

А значение емкости, соответствующие симметрической расстройке контура относительно резонанса, можно записать как

С Ср ± ДС.

(5)

После подстановки (4) в (5), а результирующего вьфажения из (2) в (3) получаем

QL

(R + х)

.в

1

ol

+ (со LA

C, J

-0,5

(6)

де QI, - добротность нагруженного параллельного LC-контура

.-(

QH

OL(R

R

+ х+ 8и - 8,) i(7)

а коэффициент 03L

24O.S

(R -t- хО

характеризует степень связи LC-контура с генератором, и

dA dC

± Со2лС(Е + хЪ-А. (8)

Из выражений (6) и (8) видно, что резонансная характеристика симметрична и что как коэффициент передачи А, так и его производная (крутизна

а

разонансной характеристики) являются нелинейными функциями не только емкости контура, но и шунтирующей его с проводимости.

Кроме того, из вьфажения (4) сле- дует важное свойство измерительной схемы - емкость, соответствующая резонансу (максимум напряжения на кон- 10 туре), не зависит от шунтирующей проводимости .

Модулятор 6 периодически изменяет емкость варикапов 5 на величину Сд,. Вследствие неравенства коэффициентов передачи при двух значениях емкости модулирующих варикапов 5 высокочастотное напряжение на LC-контуре модулируется по амплитуде. Если изменение емкости модулирующих варикапов удовлетворяет условию

15

20

:

1

QH L

то амплитуда модуляции высокочастотного напряжения на контуре пропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи

30

УМ 0,5Е

dA dC

(9)

Из уравнений (9), (8) и (1) получаем выражение, связывающее отклонение ДС емкости контура от резонансного значения с амплитудами высокочас- тотных напряжений на LC-контуре (U) и выходе генератора 1 (Е) и глубиной модуляции высокочастотного напряжения на LC-контуре

г, и«

ДС

и

(10)

где Р - коэффициент пропорциональности

Р

1

(R

+ X

)

(11)

С измерительного контура ампли- тудно-модулированное напряжение поступает на входы исследуемого высокочастотного амплитудного детектора 7 и детектора 8 огибающей.

На выходе амплитудного детектора 7 присутствует постоянное напряжение, уровень которого из-за нелинейности начального участка характеристики детектора отличается на величину U U от амплитуды высокочастотного

напряжения на LC-контуре (на входе амплитудного детектора 7).

Детектор 8 огибающей вьщеляет огибающую модулированного высокочастотного напряжения на LC-контуре, коЛ- рая затем усиливается усилителем 9 низкой частоты и детектируется- прецизионным линейным низкочастотным детектором 10.

Выпрямленные детекторами 7 и 10 напряжения измеряются образцовым вольтметром постоянного тока.

Для определения нелинейности выпрямленное напряжение на выходе проверяемого детектора 7 и амплитуду низкочастотной огибакмцей высокочастотного напряжения на LC-контуре измеряют дважды (до и после шунтирования LC-контура резистором 12).

В соответствии с формулой (10) вычисляют параметры:

для незашунтированного ЬС-контура

ДС„ Р-Е

UM,

и

.(12)

где и - измеренная амплитуда огибающей

и.. - выпрямленное (постоянное) напряжение на вьпсоде про веряемого детектораj РЕ - постоянная; для зашунтированного контура

,ic. . РЕ -Р,

Л и „

(13)

где и ц,„ - измеренная амплитуда огибающей i и. - выпрямленное напряжение

на вькоде детектора 7. Если амплитудньй детектор 7 линейный, т.е. ли О, то должно выполняться равенство

ДС

«. &Cj.

Если же ли О (характеристика амплитудного детеЗктора нелинейна) , то

йС S

Разделив уравнения (12) на (13), освободимся от постоянной Р Е

ЛСоо UM«, ЛСд

(14) 55

Выразив значение выпрямленных напряжений и,- и через истинные .

значения амплитуд на LC-контуре соответственно Uj и DOO и погрешность UU амплитудного детектора 7, можно уравнение (14) переписать в виде

А Со йС

UM« и .1 - &и/и - . ..

и ч - &u/uL

Так как при шунтировании LC-контура значение емкости контура Ср, удовлетворякяцее условию резонанса, не изменяется согласно (А), то и отклонение Л С фактической емкости С в контуре от резонансного значения Ср остается постоянным, поэтому на основании уравнения (10) имеем

20

и„.

-.( 1.

Ueo

т.е,

iC.

лс

,1 - AU/Uf4 Ч - uU/Ua

(16)

iJoo

30

Откуда получаем расчетную формулу 1 йС«

(17)

UU

1 Ц

йСд. ж 1 00

Uj N лс

где значение ДСд,/йСа вычисляется по формуле (14) на основании результатов измерений.

Учитывая, что Л и « Uoo и U,,расчетную формулу (17) можно упростить. Из выражения (18) имеем

- Ч-М-UC

3

.

Uoo-Uj

UU

и«.

и, J с 1

(Uoo - Ua)

оо

0

а с учетом (12) и (13) имеем 1

8Uoo 3

и.

1

-U« (U Я

UM UEOO J

( - )

(18)

г це U-oo и измеренные значения постоянных напряжений на выходе детектора 7 соответ-

ственно до и после шунтирования LC- контура резистором 12,

KCO измеренные амплитуды низкочастотных огибающих в.ч. напряжения на LC-KOH- туре до и после шунтиров ания.

Для обеспечения максимальной точности определения линейности высокочастотного амплитудного детектора необходимо выполнение двух на первый взгляд взаимоисключанмцих условий.

Во-первых, для того, чтобы минимизировать составляющую погрешности, обусловленную погрешностью измерения амплитуд огибающей U«a и U;, ,необ- ходимо емкость в контуре.перед началом измерений устанавливать таким образом, чтобы частота генератора попадала на склон резонансной характеристики зашунтированного контура в точку, соответствукяцую ее максималной крутизне.

Анализируя на экстремум вьфажение (9), легко показать, что отклонение емкости контура от резонансного зна- чения (расстройка), соответствующее максимальной крутизне резонансной характеристики, определяется вьфаже- нием

- 4.--L. - ±

1

Ри

(19)

где QUO - нагруженная добротность

зашунтированного контура согласно (7).

Во-вторых, при шунтировании LC- контура резистором 12 высокочастотно напряжение на контуре должно существенно уменьшаться.

Последнее условие является главным.

Для того, чтобы обосновать выбор оптимальных параметров установки, получим аналитическое выражение для отношения амплитуд в.ч. напряжения на LC-контурё до и после шунтирований. Вначале введем понятие относительной расстройки п контура как отношение произвольного отклонения емкости контура от резонансного значения к отклонению, соответствующему максималь ной крутизне резонансной характеристики. Тогда произвольная абсолютная расстройка может быть выражена через относительную расстройку и параметры контура

- QH.

(20)

Подставляя (20) в (6), выразим коэффициент передачи А через нагруженную добротность Q ц LC-контура и относительную расстройку п.

Имеем для зашз,нтированного контура

ЮЬ

RV-b х 12 + п незашунтированного контура

CJL ,

(21)

Х

2 4 п (4)

3

(22)

Рнч

где QKOO - нагруженная добротность

незашунтированного контура,

QHC

COL

R + х

(23)

Из (22) видно, что при неизменной абсолютной расстройке (ЛС Ср - С const) относительная расстройка незашунтированного контура больше относительной расстойки п зашунтированного контура в число раз, равное отношению их добротностей Рисо/РнчИз (21) и (22) получаем отношение коэффициентов передачи, а значит и амплитуд высокочастотного напряжения на LC-контуре до и после шунтирования резистором 12

К

А,

1

2 + п

2()

Чию

(24)

П

Из (24) следует, если перед лом измерений значение емкости LC- контура устанавливать соответствующим максимальной крутизне характеристики зашунтированного контура, т.е. п 1, то ни при каких соотношениях параметров измерительной схемы невозможно добиться существенного

91456918

я напряжения на контуре (до шунтирования)., Действительно, 1 и Q,,..- 00 имеем

Кос

ют пр пр ли вы не го ре му

.

так как

QH

QHOO

0.

Очевидно, чтобы при отключении . шунтирующего резистора происходило заметное изменение напряжения на LC-контуре, необходимо выполнение условия п «. 2 или п - , а нагруженная добротность LC-контура должна существенно возрастать, например в 2-3 раза, чего можно легко добиться, используя емкостную связь контура с генератором.

Формулаизобре тения

Способ определения линейности высокочастотного амплитудного детектора, основанный на подаче на вход амплитудного детектора высокочастотного напряжения и измерении выпрямленного напряжения на выходе детектора при различных значениях амплитуды входного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повьш1е- ния точности, на. вход детектора пода ют промодулированное по амплитуде высокочастотное напряжение и измеря

10

ют значение выпрямленного напряжения при двух значениях глубины модуляции, при этом Дополнительно измеряют амплитуды низкочастотной огибающей и высокочастотного напряжения, а о линейности характеристики амплитудного детектора судат по величине погрешности, которую вычисляют по формуле

Ш

Uoo

-If -T r l

J L J«q 00

и.

15

(и.- U.q)

30,

где и.

и и,

0

25

Моо

И и,

измереньаю значения постоянных напряжений на выходе детектора соответственно при различных значениях глубины модуляции входного сигнала;,

измеренные амплитуды низкочастотной огибаницей высокочастотного напряжения при различных значениях глубины модуляции.