Устройство для измерения многомерных передаточных функций высокочастотных узкополосных нелинейных систем Советский патент 1989 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем, в частности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты.

Цель изобретения - повышение точности измерения многомерных передаточных функций высокочастотных узкополосных нелинейных систем - достигается за счет безынерционного преобразования смещенного в область

низких частот входного сигнала нелинейной системы при когерентном смещении в область низких частот выходного сигнала той же системы.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - графики, поясняющие его работу.

Устройство содержит N генераторов 1 гармонических колебаний, сумматор 2, выход которого является первым входом устройства и подключен к входу первого смесителя 3. Вход вто

рого смесителя 4 является вторым входом устройства. Опорные входы обоих смесителей подключены к гетеродину 5. К выходу первого смесителя 3 подключены последовательно соединенные безынерционный нелинейный элемент 6 и перестраиваемый полосовый фильтр 7. Кроме этого, устройство содержит последовательно соединенные умножитель 8, интегратор 9, вольт- ,метр 10 и два переключателя 11 и 12. Опорный вход умножителя 8 подключен к синфазному или квадратурному выходу фильтра 7 в зависимости от положения переключателя 11, а сигнальный вход умножителя 8 в зависимости от положения переключателя 12 соединен с вторым входом устройства или с выходом блока. Исследуемая нелинейная система 13 подключается между входами устройства.

Генератор 1 гармонических колебаний и гетеродин 5 - стандартные генераторы высокой частоты,например Г4-107.

Сумматор 2 может быть выполнен на трансформаторах типа длинной линии.

Смесители 3 и 4 могут быть построены, например, на двухзатворяом поле вом транзисторе 2П306А с режимными сопротивлениями, включенными в цепях первого и второго затвора, разделительными емкостями и LC-фильтром, включенным в цепь стока транзистора.

Безынерционный нелинейный элемент 6 может быть выполнен по схеме резис тивного усилителя, работающего с отсечкой коллекторного тока, на транзисторе ГТ313А.

Полосовой перестраиваемый фильтр 6 реализован по схеме с двойным прет образованием частоты, содержащей интегральные усилители - преобразователи высокой частоты 175УВ4, стандартный генератор высокой частоты Г4- 107, LC-фильтр, трехдецибельный направленный ответвитель и балластные сопротивления.

Умножитель 8 и интегратор 9 представляют собой известные схемы, pear лиэуемые как на аналоговых, так и цифровых , микросхемах.

Вольтметр 10 стандартный прибор, например ВК7-9.

Устройство работает следующим образом.

От каждого из N генераторов 1 гармонических колебаний на входы сумматора 2 подается напряжение с амплитудой Uj,, частотой V;, и начальной фазой ( .

I

Сумматором 2 формируется испыта тельный сигнал U,

вх

подаваемый на

О вход нелинейной системы 13 (фиг.2а)

15

U8

и

U;cos(W;t + (Jj ).

Комплексная реакция (t) (фиг.2б) полиномиальной нелинейной системы представлена в виде суммы колебаний комбинационных частот

ieottu)t ,

y(t) г YdJe

Wj

+ (IM,

где

«aN

- суммирование по всем комт-: бинационным ..частотам:

Ґ(IN) (1,-i.H )W4+.,.+

+(V iM)tfH которые задаются набором I

из

I,

2N

неотрицательных целых чисел хи

(1 ,,( ,... Д-N), удовлетворяющих

условию

i,+ .. +i(lj+i.n - n, ,

К - порядок измеряемой нелинейной системы;

фазовое слагаемое, определяемое только начальными фазами колебаний испытательного сигнала и независящее от нелинейной- системы; комплексная амплитуда, определяемая сечениями многомерной передаточной функции

К Y(IN) « 5Ер(п,Гй)х

4(1,1)Y-(TN)

nsn

xHtt(W,

.) У.1 .. „.

;-wj-udH) мультиномиальный коэффициент:

51532887

(„,,) j::i2i. w,. ,wr) w ,

LN

т . т . .. .-i . i .1

Отсюда

i i i i I 11 X-1 W 1-NU(lM) - амплитудный множитель:см..

. U К Р + f;r)

ijfT ) - тт «+ --1 тт :« -Nс KCWlfrU e

uUfl/ - и,, .. .Utf

Искомыми величинами являются сече- где W;r W,- - Wr ния многомерной передаточной функ-q q. u + q +-/

ции Нп(...) порядка п, которые одно- О |Г г CfA

значно определяются комплексной ампли- Испытательный сигнал Uft ,смещентудои У(1И). Следовательно, для того, в область низкюЈ

чтобы найти многомерную передаточнуюподается на вход элемента 6, ин1рфункцию Нп (...), необходимо изме-ционностью которого можно пренебречь,

рить комплексную амплитуду Y (1И) 5так KaR погрешность фазовых измерений

данной комбинационной частоты W(l(j)мала

на выходе нелинейной системы.

Напряжение гетеродина 5Ur Ј W--TsO.

U -cos(V ) подается на опорные „1Г h

входы смесителей 3 и 4. Напряжение На выходе блока g появляется спектр

на выходе однотипных смесителей име-опорных колебаний комбинационных часет вид (фиг.2,в,г):тот (фиг.2д)

U -KZIuLe - r i-V,25 и - у /т )е(г( см,-..,иБНЭ /BH3UN;e

тт v- . у/т - , N

исм(. лсм &(Г) N где YSH. (I ; - действительная константа;

где UCAA, UCM4 выходное напряжение (ij- i.)W,r+...+ смесителей 3 и 4 соответственно;+(м fi|- i-i)(W,-Wr)+

Ч (IN) (w(iM)-wr)t +(тц)- + 35 +...(iN-i.N)(wf)- wr) + ),wr);- ) -i.j)wr.

e

Поскольку для узкополосных нели- t кс« - модуль коэффициента переда- 40 нейньпс СИСТем интерес представляет

чи смесителеи комбинационные частоты в полосе пер(s (и. ( вого порядка, т.е.

W ) - фаза коэффициента передачи - ч

смесителей.М

Частота гетеродина 5 фиксируется .. (ij - i.j ) ls прл проведении измерений. Фаза ко-

эффициента передачи смесителей 3, то Wr(lN) Ґ(1)-Уг. (Wf Jfff) в общем случае сложным

образом зависит от частоты гетероди- Аналогично преобразуем выражение на и сигнала, что усложняет процесс JQ Для иг(1): фазовых измерений многомерной передаточной функции. Однако в случае r(lN)(i, -i ) (,- ) + узкополосных сигналов, когда

2 JffcJjL. ,+--+(1H-i-N)-( )(IM)+ VCWe.

Ц (Ґj ,Wf) при W- const может быть Отсюда выражение для комплексного ко- представлена рядом Тейлора по W(- с лебания на выходе безынерционного неудержанием первых двух членов: линейного элемента примет вид

иБНЭ

w(iNV

бнэ VJ-M

11532887

(I, )еЙ«ад-а1 + Юн

9

-s:-v (т ,

-15/6H(lN)e 5

Сравнивая последнее выражение с вы ражением для комплексного колебания на выходе смесителя 3-ПЈМз , можно сделать вывод о том, что фазы коле- баний ПсМф и U6H3 для каждой из комбинационных частот различаются на величину фазы комплексной амплитуды Y(l) , которая, в свою очередь, опеделяется только комплексными вели- чинами соответствующих многомерных

передаточных функций.

Наличие произвольных фазовых сдвигов между колебаниями генераторов 1 гармонических колебаний не окаэы-20 вает влияния на результаты измерения, поскольку опорное колебание данной комбинационной частоты формируется из входного сигнала нелинейной системы.

Выходное колебание от элемента 6 подается на вход фильтра 7, настроенного на данную комбинационную частоту W(IN).

На синфазном выходе фильтра коми- 30 лексная амплитуда сигнала данной комбинационной частоты W(lu) равна (фиг.2 е)

25

LNU - Y (Т ),е ТБнэ н е

а на квадратурном выходе

U У (I Л-е иПП9до 16НЭ IXN; e5

™е Y;H3(lN)Km9(w(lN))-Y6M(lN);

(Ґ(„,)) модуль коэффициента передали фильтра на частоте W(IM); (WfIN)) - фаза коэффиь-иента

передачи фильтра на частоте W)l).

Перед измерением проводится калибровка устройства для устранения (w(l()). Для этого переключатель 12 переводится в положение 2, а переключатель 11 в положение 5| 1, Устранение производится путем точной настройки передаваемого полосового фильтра на W(IN) в резонанс.

8

Напряжение на выходе интегратора 9 в этом случае равно

U9 К YBV43(lN)YsH3(lN) cos(fan«,x

(W(IN)),

где К - результирующий коэффициент

передачи умножителя и ин- 1 тегратора.

Настройкой фильтра достигается м симум напряжения на выходе интегратора Ua , Этому соответствует

) ° При этом иЭ

WV K, гДе Для измерения синфазной составляющей выходного сигнала Uc,.переключатель 12 ставится в положение Амплитуда напряжения на выходе интегратора 9 имеет вид

U9o КсмКе

К

Для измерения квадратурной состав ляющей UCM. переключатель 12 ставится в положение 2. Амплитуда напряжения на выходе интегратора 9 имеет вид

U93D K&MIlY1

(МК

В каждом из последних двух выражений содержится определенное число L неизвестных сечений многомерной передаточной функции. Для их определения проводится L измерений величин Ug0 и Ug при различных значениях U;. Затем, решая полученные системы уравнений относительно L неизвестных Re- {Hn( ... )| и 1т{нп (...) , определяются искомые МПФ:

Н„(. .. )RefHH(. . . ) (. .. }j .

Аналогичные измерения проводятся по другим комбинационным частотам путем перестройки Фильтра 7. Опорный сигнал с неизменными начальными фазами f (Т...) между составляющими спектра формируется в блоке 6 на промежуточной частоте V;r , которая может быть выбрана существенно меньше средней частоты рабчего диапазона. Тем самым произвольный фазовый сдвиг, определяющий ошибку измерения фазы из-за инерционности нелинейного элемента Ј Wjp % , может быть уменьшен до необходимой величины.

Формула изобретения

Устройство для измерения многомерных jTepeflaTO4Hbix функций высокочастотных ; узкополосных нелинейных систем, содержащее N генераторов гармонических колебаний, подключенных через сумматор к первому входу устройства, последовательно соединенные безынерционный нелинейный элемент и полосовой перестраиваемый фильтр, последовательно соединенные умножив тель, интегратор и вольтметр, а также два переключателя, при этом вход умножителя соединен с выходом первого переключателя, второй вход которого подключен к выходу безынерционного нелинейного элемента, опорный

0

5

вход умножителя соединен с выходом второго переключателя, входы которого подключены соответственно к квадратурному и синфазному выходам полосового перестраиваемого фильтра, о тличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два смесителя и гетеродин, подключенный к опорным входам смесителей, при этом вход первого смесителя подключен к выходу сумматора, а его выход - к входу безынерционного нелинейного элемента, вход второго смесителя является вто- оым входом устройства, а выход второго смесителя подключен к первому входу первого переключателя.

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения многомерных передаточных функций нелинейных систем, в частности многополюсников и цепей высокой и сверхвысокой частоты. Цель изобретения - повышение точности измерения многомерных передаточных функций узкополосных высокочастотных нелинейных систем достигается за счет безынерционного преобразования смещенного в область жидких частот входного сигнала нелинейной системы при когерентном смещении в область низких частот выходного сигнала той же системы. В устройстве преобразование сигналов осуществляется первым 3 и вторым 4 смесителями с общим гетеродином 5. Входной сигнал формируется N генераторами 1 гармонических колебаний и сумматором 2. Сигналы с выходов безынерционного нелинейного элемента 6, перестраиваемого полосового фильтра 7, а второго смесителя 4 через первый 11 и второй 12 переключатели поступают на входы множителя 8, к выходу которого через интегратор 9 подключен вольтметр 10. 2 ил.

1

и

Г

Г f

-Г -Г

Ф Q I t-rt--H-tJ

А (-, 5,

-ИЬ«С

Фиг.1