Фезометр Советский патент 1989 года по МПК G01R25/00 

Изо5ретение относится к фазо- измерительной технике.

Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз. ,

На фиг. 1 представлена етруктурт- ная схема, фазометра; на - граики зависимостей величин, характеризующих степень отклонения хода фазо- частотньк характеристик (ФЧХ) уст- ; to ройства-прототипа от линейного закона; на фиГоЗ - график зависимости величины, характеризующей степень отклонения хода фазочастотной характеристики предлагаемого устройства 15

от линейного закона,

Фазометр содержит два преобразователя 1 и 2 частоты соответственно в опорном и информационном каналах., гетеродин 3, первый 4, второй 5 и 79 третий 6 однополосные смесители, широкополосный усилитель 7, частотомер

8,квадратор 9, состоящий из последовательно соединенных аналогового перемножителя 10 сигналов и конден- 25 сатора 11 о Каждый из трех смесителей 4-6 содержит последовательно сое- диненн1ые аналоговый перемножитель и фильтр; позициями 12 - 14 обозначены аналоговые перемножители сигналов ЗО позициями 15 и 16 - фильтры верхних частот (ФВЧ), позицией 17 - фильтр нижних частот.(ФНЧ). Выход гетеродина 3 соединен с первыми входами смесителей 4 и 5« Выходы прербразо- ватёлей 1 и 2 подключены соответственно к первым входам однополосных смесителей 4 и 5, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами третьего смесителя 6, |g выход которого подсоединен к входу широкополосного усилителя 7, выход

последнего подсоединен к .второму вхо- ду первого, одно поло снаго смесителя . 4 непосредственно и через квадратор .,

9.к второму входу второго однополое- ного смесителя 5,, Частотомер 8 подключен к выходу широкополосного усилит еля.

Устройство работает следующим об-

разом.

Опорный и информационный сигналы,

сдвиг фаз &q между которыми необходимо измерить, с помощью преобразователей 1 и 2 частоты и гетеродина 3 преобразуются в колебания с промежуточной частотой СО, , сохраняя при этом неизменным сдвиг фаз . Эти сигналы поступают на вторые входы од.-55

,

to 15

79 25ЗО

|g

. .,

55

нополосных смесителей 4 и 5, на первые входы которых подаются колебания с выхода широкополосного усилителя 7 в первом случае непосредственно, а во втором - через квадратор 9, В результате гетеродинирования на вькоде смесителей 4 и 5 выделяются сигналы, поступающие на первый и второй входы третьего однополосного смесителя 6 соответственно о

На выходе однополосных смесителей 4 и 5 выделяются сигналы с частотами, равными сумме частот колебаний, подзываемых на входы соответствующих смесителей, а на выходе третьего однополосного смесителя 6 имеется сигнал с частотой, равной разности частот колебаний, поступающих на первь{й и второй входы этого смесителя соответственно. Таким образом, на выходе смесителя 6 возникнут колебания частотой, соответствующей частоте сигнала с выхода усилителя 7, которьй поступает на первые входы смесителей 4 и 5 Следовательно, фазометр представляет собой АС, образованную включенными в кольцо щирокополосным усилителем 7 и цепью обратной связи. Входом которой являются соединенные вместе первый вход смесителя 4 и вход квадратора 9, а выходом - выход смесителя 6, В зтой системе при вьщолнении условий баланса амплитуд И баланса фаз возникают незатухающие колебания с частотой сОг , значение которой зависит от значения измеряемого сдвига фаз utj , Измеряя частоту Ср2 с помощью частотомера 8, судят о величине ACf .

Если обозначить сигналы на выходе преобразователей 1 и 2, а также на выходе усилителя 7 соответственно в виде S,(t)S, coscot; S.2(t) Sa;Cos (Q,t+ucf); S3(t)S3Cos ( +if), TO можно записать следующие

соотношения S4(t) 2 Sj (cos(2cajt+

+2c)) - сигнал на выходе аналогового перемножителя 10; )

S, cos (2COj,t+2Cf) - сигнал на выходе квадратора 9.

Конденсатор И в квадраторе 9, не пропуская постоянную составляющую на первьй вход смесителя 5, практически не изменяет амплитуду сигнала , Sj при изменении частоты tOj в пределах o3ie G3im;n , со i „,01x1.

В то же время для фазометра справедливы следующие выражения:

S(t)S,(t)-S,(t)| S,S,cos( )+cos (QJt-q)

сигнал на выходе аналогового перемножителя 12, где О О), + U , СЭ 0), -СО., ;

S7(t)S2(t)-Sy(t) S2S,cos ( -btf+2q)+cos ( +2tf)

где Оа - эквивалентное время запазсигнал на выходе «« °-°«Г° -; ,, давания, определяемое по формуле

«2( Q)

25

30

ножителя 13, при этом G3 -0),- 2Q,,; .

Sg(t) i S,S,|K,(JW)|COS K,(jU) )20

сигнал на выходе ФВЧ 15, где /K(jCJ)t - модуль, arg K(jOG) - аргумент комгшек-; сного коэффициента передачи К (jfO), К, (JW) комплексный коэффициент передачи ФВЧ 15;

S(t) I ,|K,(J«)|COS ( btf +

+ 24- + arg K,(jCOg.))

сигнал на выходе ФВЧ 16 с коэффициентом передачи K,j(j(3).

Аналогично сигнал на выходе третьего однополосного смесителя 6 можно . записать в виде: .

s,(t)|gs,

s/K,(J63p/ COS (a)5,t+bc((rt- + arg K3(jWi)+arg K CjCoJ) - - - arg K, (JQg.) ),

где K(JU) комплексный коэффициент

передачи ФНЧ 17.

Таким образом, при преобразовании сигналов в смесителях так, что частота сигналов на выходе смесителей 4 и 5 равна сумме частот колебаний, поданных на входы соответствующих смесителей, а частота сигнала на выходе смесителя 6 - разности частот колебаний, поступающих, на его первый и второй входы, на вход широdOJj.

Кз выражений (2) и (3) находят частоту колебаний СО в зависимости от величины UCf :

Ji(f-27K/А ч

г -f--- -

Г С -i.O

где 3 , Ha основании соотношения (4) видно, что значения частоты СОг прямо пропорциональны величине Ц.

Для возникновения незатухающих колебаний в АС необходимо выполнить еще одно условие - условие баланса амплитуд. Оно достигается выбором коэффициента усиления Ki. широкополосного усилителя 7 из условия 16

35

а

(5)

При выводе соотношения (5) считалось, что модуль коэффициентов передачи фильтров 15, 16 и 17 в их полосе припускания близок к единице. При вьшоднении условия (5) широкополос 0 ный усилитель 7 компенсирует все потери сигналов в .смесителях 4, 5 и 6 и квадраторе 9 при их преобразовании, что приводит к генерации нез.атухаю- щих колебаний, частота которьгх опре 5 деляется из соотношения (4).

При изменении сдвига фаз &tf на величину Sq частота колебаний, генерируемых АС в соответствии с выражением (4), изменяется на величину

SO - 1

Sw

(6)

2

, Измеряя величину Ju посредством частотомера 8, судят о величине Ocf .

первый и второй входы, на ьли« ш«н еяовательно, точность измерения не- кополосного V-ителя 7 подается сиг- 55 - гГсдвига фаз .с, зависит от нал с (J фаза . „ „„ейности характеристики преоб- зависит от величины Ь . Для того .дзования,т. е. от зависимости частоты чтобы найти зависимость частоты СОд разования, ,от величины сдвига фаз Ь. , уравие- сигнала от сдвига фаз q .

ние баланса фаз для АС. можно записать в виде

-i-&Cf+ Ц 2-|ГК ,(2)

где С и.-- время запаэцывани), - ,В широкополосном усилителе 7.

Kj(jCOj+argK(jCO)-arg К, (JCO);

К ±0,1,2,,.

В предложенном устройстве с большой точностью выполняется соотношение

,Q, , (3)

где Оа - эквивалентное время запаз; ,, давания, определяемое по формуле

5

0

dOJj.

Кз выражений (2) и (3) находят частоту колебаний СО в зависимости от величины UCf :

Ji(f-27K/А ч

г -f--- -

Г С -i.O

где 3 , Ha основании соотношения (4) видно, что значения частоты СОг прямо пропорциональны величине Ц.

Для возникновения незатухающих колебаний в АС необходимо выполнить еще одно условие - условие баланса амплитуд. Оно достигается выбором коэффициента усиления Ki. широкополосного усилителя 7 из условия 16

5

а

(5)

При выводе соотношения (5) считалось, что модуль коэффициентов передачи фильтров 15, 16 и 17 в их полосе припускания близок к единице. При вьшоднении условия (5) широкополос0 ный усилитель 7 компенсирует все потери сигналов в .смесителях 4, 5 и 6 и квадраторе 9 при их преобразовании, что приводит к генерации нез.атухаю- щих колебаний, частота которьгх опре5 деляется из соотношения (4).

При изменении сдвига фаз &tf на величину Sq частота колебаний, генерируемых АС в соответствии с выражением (4), изменяется на величину

SO - 1

Sw

(6)

2

1465807

В известном устройстве нелинейность характеристики (2 преобразования устройства возникает главным образом в двух последовательно соединенных однополосных смесителях, выходной сигнал которых наступает на фазовьй детектор системы фазовой автоподстройки частоты:

(ф агсгв К (,-arctg к; аФ.)

(7)

где K,(j9), К (jф) - комплексные коэффициенты передачи ФНЧ указанных двух смесителей,

В связи с тем, что первый ФНЧ не полностью подавляет сигнал суммарной частоты Ф. на выходе существует два сигнала с частотой т из которьгх паразитньш составляе т малзпо долго полезного. В результате их сложения суммарный сигнал, с частотой g имеет сдвиг фаз

2:( + f ( 2,а,йч )/8)

где Д (,а,а) - дополнительный сдвиг фаз, вызванный наличием паразитного сигнала. При этом если даже величина (Ф) является линейной функцией частоты выражение (8) не является линейной функцией частоты , поскольку зависимость h от Р нелинейна Действительно, при сложении двух колебаний одной частоты, одно из которых имеет единичную амплитуду, а другое - амплитуду а 1 , сдвиг фа.з между ними равен 9 , результирукзщий вектор получает сдвиг фаз А отно сительно вектора с единичной амплитудой

. ./л , 1+а cos 5 . (V,j,,a,utf)arccos -р,-т:--г-;

ф+а +2а cos8

(9)

45

симальноё значение Д

прйравни L4 / /

вая производную выражения (9) нулю. Величина Л достигает своего максимума при cos О -а. Подставив это значение в выражение (9), получают

55

В случае применения двух последовательно включенных смесителей сдвиг фаз 9 между паразитным и полезным сигналами

0 -2&Cf+arg К| (j P5-)+arg K(j9).50

Таким образом, на основании выражения (9), которое 1-меет пульсирующий характер, можно определить мак

arccos

лГГ

(10)

Отсюда

cos.

ша. - (Ы)

На основании соотношения (11) можно определить требуемое подавление q сигнала с частотой т. s фильтре . первого смесителя, чтобы значение не превышало заданного значения, например, не превышало ах 0,1°. Тогда для обеспечения этого требования необходимо, чтобы сигнал

с суммарной частотой

9

был бы по15 давлен ФНЧ первого смесителя на

20 Ig а 20 Ig 4l- - 55,2 дБ

cos 0,1

5

0

5

0

5

5

0

Допустим.круговая частота г, 2. (1,5 мГц), а частота сигнала пастунающего на первый смеситель, в процессе работы известного устройства PI, 27 (О, 5---1,0 МГц). Частота среза первой ФНЧ ,, мГц, а минимальное значенке частоты min 2 ir (2 мГц) о Тогда фильтр первого смесителя должен подавить сигнал с суммарной частотой 9g; ;, на 55,2 дБ, что позволяет получить ошибку , не превышающую 0,1°. Применяют фильтр Чебыщеэа 7-го порядка с неравномерностью 0,5 дБ, который на частоте, превышающей в два раза его частоту среза, обеспечивает затухание близкое к 55 дБ.

Учитывая, что на выходе второго- смесителя имеются комбинационные составляющие с частотами V 2т, - Р

и

Ф

М

,

1

которые должны

подаваться фильтром, входящим в его. состав, частота среза этого фильтра fcp.z мГц, т.е фильтр второго смесителя подобен фильтру первого смесителя и обеспечивает подавление компоненты с частотой г , наиболее близкой ,к частоте среза f ср,,. , не менее чем на 55 дБ о Используя указанные выше параметры фильтров, можно обеспечить допустимую ошибку Д 0,1. На фиг.2 (позиция 18) приведен график зависимости величины о , характеризующей степень отклонения кривой (F) от линейного закона для фильтров ФНЧ с- параметрами, определенными выше. Как видно, в зтом случае характеристика (F) является в значительной степени нелинейной и величина 5 достигает 21. Уменьшить

1465807

нелинейность зависимости 2(F) можно, подобрав частоты срезов fcp., ор.г

L/CiiJ n. - - ж- I ll Г добиваясь наибольшей линейности зависимости (F). Так, если частоты ере- зов ФНЧ чебышевского типа 7-го поряд- ка f,p, 1,21937; f,p. 1,2172Ш, неравномерность в полосе пропускания фильтров первого смесителя о, . 0,03 дБ, если неравномерность .фють tO тра второго смесителя задать oie. , то нелинейность характери-; стики 2 (F) уменьшится в 10 раз и величина 8 не будет превьппать 2 (позиция. 19). Однако дальнейшее умень- jj шение нелинейности характеристики К) в известном устройстве невоэ- , можно, т.к. параметры фшlьтpoв ФHV которые позволили получить о -2 , получены путем решения минимизацирн- 20 ной задачи на ЭВМ.

Аналогично рассчитывают частоты . срезов фильтров 15, 16 и 17, при этом фильтры 15 и 16 инеют 6-й поряг док, а Фильтр 17 - 5-й о В результаподавление фильтром 15 сигнала с .частотой (J, а г - подавление фильтром 16 сигнала с частотой W. 2(),

Допустим, что величина О, (1,5 МГц), а значения частоты в процессе работы устройства COj 2(0,5-1,0 МГц). Тогда для фильтров 15 и 16 а, 40 дБ, дБ. Из выражения (Ю) следует, что при данjflHx значениях о, и Дг данного устройства

С

ошибка для arccos

10

,(0

Таким образом,. устройство позволяет значительно повысить точность измерения разности фаз.

ф о р м У Л а. и

3 о б р е т е

н и я

те расчета f,,, 1,871 мГц (фидатр

15), 1ср.4 27288 МГц (фильтр 16), f ,137 мГц (фильтр 17).

Неравномерности в полосе пропускания фильтров чебышевского типа «i - 10623 дБ (фильтр 15) , 0,3168 дБ (фильтр 16), oiff - 10- дБ (фильтр 171.

В этом случае (фиг.З) непинейность характеристики (, (F) в 20 раз мевьФазометру соде;ржащий два преобразователя частоты соответственно в 25 о«орио1 и информационном каналах с : гетеродином, выходами подключенньми к входам этих преобразователей, первый и второй однополосные смесители, . первые входы которых соединены с вы «J ходами преобразователей соответст- венно в опорном и информационном каналах и частотомер, отличающийся тем, что, с целью повыше- щи точности измерения разности фаз.

Н Z.U MCttb . -а. --- -- ; . харак1С1.«..«-.. тг - ff/FlВЫХОДЫ первого И второго однополое:.::sr;:™oS:ns;rr S « с нес„;ел.й „о„..««. еоо™..с

его оптимизации. В эт&м случае ощиб- ка не превьш1ает 0,1 .

В то же время на выходе однополос-- -40

ногр смесителя 6 данного устройства имеет место паразитный сигнал тотой «j . Наличие паразитного сигнала, приводящего к иелинейности характеристики преобразования, на ходе смесителя 6 обусловлено неполным подавлением такого сигнала в фильтрах 15 и 16 с частотами W, -О и СО, - 2«2 . При этом паразитный сигнал на выходе смесителя 6 подавлен

XlCbdA. лrfи - . . .

на величину ,+«2 дБ, где d, -go

венно к первому и второму входам третьего однополосного смесителя, вы ход которого соеддаен с входом широкополосного усилителя, а выход этого усилителя подсоединен к второму входу первого однополосного смесителя, а также к входам квадратора, выход : которого соединен с вторым входом «второго однополо.сного смесителя, квад ратор содержит последовательно соеди ненные аналоговый перемножитель сигналов и конденсатор, частотомер подсоединен к выходу широкополосного усилителя.

8

подавление фильтром 15 сигнала с .частотой (J, а г - подавление фильтром 16 сигнала с частотой W. 2(),

Допустим, что величина О, (1,5 МГц), а значения частоты в процессе работы устройства COj 2(0,5-1,0 МГц). Тогда для фильтров 15 и 16 а, 40 дБ, дБ. И выражения (Ю) следует, что при данjflHx значениях о, и Дг данного устройства

С

ошибка для arccos

10

,(0

Таким образом,. устройство позволяет значительно повысить точность измерения разности фаз.

ф о р м У Л а. и

3 о б р е т е

н и я

Фазометру соде;ржащий два преобразователя частоты соответственно в о«орио1 и информационном каналах с гетеродином, выходами подключенньми к входам этих преобразователей, первый и второй однополосные смесители, первые входы которых соединены с вы ходами преобразователей соответст- венно в опорном и информационном каналах и частотомер, отличающийся тем, что, с целью повыше- щи точности измерения разности фаз.

-а. --- -- ; . ВЫХОДЫ первого И второго однополоес нес„;ел.й „о„..««. еоо™..с

венно к первому и второму входам третьего однополосного смесителя, выход которого соеддаен с входом широкополосного усилителя, а выход этого, усилителя подсоединен к второму входу первого однополосного смесителя, а также к входам квадратора, выход которого соединен с вторым входом второго однополо.сного смесителя, квадратор содержит последовательно соединенные аналоговый перемножитель сигналов и конденсатор, частотомер подсоединен к выходу широкополосного усилителя.

Фа.3

Изобретение относится к фазо- измерительной технике„ Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз. Входные сигналы с помощью гетеродина 3 преобразуются на промежуточна частоту с помощью смесителей 1 и 2. Далее полученные сигналы возбуждают автоколебательную систему (АС), состоящую из двух связанных между собой колец, содержащих однополосные смесители 4 и 5, выделяющие сигналы суммарной частоты, однополосный смеситель 6, выделяющий сигнал разностной частоты, который после усиления в широкополосном усилителе 7 подается на второй вход однополосного смесителя 4 и на вход квадратора 9, выходной сигнал которого имеет удвоенную частоту и подается на второй вход однополосного смесителя 5. Частота, установившаяся в АС на выходе усилителя 7 и измеряемая частотомером 8, линейно связана с измеряемым фазовым сдвигом о Степег ь линейности зависит от выбора характеристик фильтров 15, 16 и 17, входящих , в однополосные смесители 4, 5 и 6. Оптимальный выбор характеристик этих фильтров чебышевского типа позволяет достигнуть более высокой линейности преобразования, чем в прототипе. На чертеже также показаны анало говые перемножители 10,12,13, 14 и переходной конденсатор И, Зил. с S (О с: 4iii. о: (У1 00