Устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты Советский патент 1990 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится ж измерительной технике и может быть использовано для измерения фазочастотных и амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников, содержащих преобразователь частоты (смеситель), преобразователь частоты, в диапазоне сверхвысоких частот (СВН)«

Цель изобретения - повышение точ- ности измерении фазочасготных характеристик четырехполюсников с преоразователем частоты.

На чертеже представлен блок- схема устройства для измерения ампли тудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты.

Устройство содержит генераторы 1 и 2 качающейся частоты, блок 3 уп- равления, делитель 4 сигнала, аттенюатор 5, переключатель 6, смеситель 7 фазовой автоподстройки частоты, переключатели 8 и 9, усилитель 10,смеситель 11 фазновой автоподстройки, фазовый детектор 12, исследуемый четырехполюсник 13 с преобразователем частоты, опорный смеситель 14, переключатель 15, фазовый детектор 16, перестраиваемый генератор 17 проме- жуточных частот, переключатель 18, делитель 19 сигналов, переключатель 20, смеситель 21 промежуточных частот измерительного канала, смеситель 22 промежуточных частот опорного канала, индикатор 23 и решающее устройство 24.

Первый вход управления генератора 1 качающейся частоты и вход управления генератора 2 качающейся частоты соединены с первым и вторым выходами блока 3 управления, соответственно вход генератора 1 качающейся частоты соединен с входом делителя 4 сигнало и первым входом смесителя 7 фазовой автоподстройки частоты, выход генератора 2 качающейся частоты соединен с первыми (гетеродинными) входами исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты и опорного смесителя 14 и вторым входом смесителя 7 фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 12 и первым входом смесителя 11 фазовой автопод- стройки частоты, второй вход которог соединен с вторым выходом перестраиваемого генератора 17 промежуточных

частот. Выход смесителя 11 фазовой автоподстройки частоты соединен с певым входом фазового детектора 18, втрой вход которого соединен с третьим выходом перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот, вход которого соединен с третьим выходом блока 3 управления, выход фазового детектора 16 соединен с третьим входом управления генератор а 1 качающейся частоты. Выход исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты через смеситель 21 промежуточной частоты измерительного канала поключен к первому входу индикатора 23 второй вход которого подключен к выходу смесителя 22 промежуточной частоты опорного канала, а гетеродинные входы смесителей 2J и 22 промежуточной частоты измерительного и опорного каналов соответственно подключены к второму выходу перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот, первый выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 12, выход которого соединен с вторым входом генератора 1 качающейся частоты. Вход решающего устройства 24 соединен с выходом индикатора 23. Первый выход делителя 4 сигналов через аттенюатор 5 подключен к первому неподвижному контакту переключателя 6, второй неподвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом переключателя 9, подвижный контакт переключателя 6 через усилитель 10 соединен с подвижным контактом переключателя 15, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом переключателя 9, а второй неподвижный контакт - с вторым неподвижным контактом переключателя 8, первый неподвижный контакт которого соединен с вторым выходом делителя 4 сигналов, подвижный контакт которого соединен с вторым (сигнальным) входом исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты. Подвижный контакт переключателя 9 через опорный смеситель 14 подключен к подвижному контакту переключателя 18, первый неподвижный контакт которого соединен с пер- зым неподвижным контактом переключателя 20, подвижный контакт которого соединен с вторым (сигналъным)вхо- дом смесителя 22 промежуточной час51

тоты опорного канала, вторые неподвижные контакты переключателей 58 и 20 соединены с первым и вторым выходами делителя 19 сигналов, вход которого подключен к первому выходу перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот.

Блок 3 управления содержит блок резисторов, блок питания, генератор развертки, переключатель времени перестройки, переключатель режимов работ, сумматор, генератор метки, цифровой индикатор, и представляет собой прибор, выпускаемый серийно в составе генераторов качающейся частоты .

Цифровой индикатор представляет собой вольтметр В2-29.

Устройство работает следующим образом.

Генераторы 1 и 2 качающейся частоты могут работать в режиме переменной промежуточной частоты и в режиме постоянной промежуточной частоты.

В режиме переменной промежуточной частоты напряжением от блока 3 управления устанавливается начальная разность между частотой -J1 генератора 1 качающейся частоты и частотой Ы2 те- нератора 2 качающейся частоты, равная начальной промежуточной частоте полосы анализа исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты. Этим же напряжением устанавливается начальное значение первой переменной промежуточной частоты 0)3 сигналов перестраиваемого генератора I7 промежуточных частот, снимаемых с первого выхода, равное начальной частоте полосы анализа.

Затем относительно генератора 2 качающейся частоты, настроенного на фиксированную частоту, включается свипирование генератора 1 качающейся частоты в диапазоне, равном полосе анализа на промежуточной частоте исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты. При этом синхронно с генератором 1 качающейся частоты свипирует и перестраиваемый генератора 17 промежуточных частот в заданном диапазоне промежуточных частот. Одновременно с сигналами первой промежуточной частоты в перестраиваемом генераторе 17 промежуточных частот вырабатываются сигналы вспомогательной промежуточной часто538149

5

0

5

0

5

0

5

0

S

ты, снимаемые с его второго выхода, сдвинутые на постоянную величину -Д, относительно сигналов первой промежуточной частоты с точностью до фазы в любой частотной точке. Часть сигналов первой переменной промежуточной частоты шэ с выхода смесителя 7 фазовой автоподстройки частоты подается на один из входов смесителя фазовой автоподстройки частоты, где смешивается с сигналом вспомогательной частоты от перестраиваемого гене- нератора 7 промежуточной частоты.

Образовавшийся в результате этого сигнал второй постоянной промежуточной частоты S1 с выхода этого смесителя подается на один из входов фазового детектора 16, где сравнивается с опорным сигналом частоты 51 , вырабатываемым в перестраиваемом генераторе 17 промежуточной частоты и снимаемым с его третьего выхода, а результат сравнения с выхода фазового детектора 16 подается на один из входов генератора 1 качающейся частоты управления его частотой так, что разность между ней и частотой генератора 2 качающейся частоты с точностью до фазы поддерживается равной текущему значению первой переменной промежуточной частоты и) з

В режиме постоянной промежуточной частоты ш3 с помощью блока 3 управления осуществляется синхронное качание генераторов J и 2 качающейся частоты s диапазоне СВЧ,при этом на один вход первого смесителя 7 фазовой автоподстройки частоты подается часть сигналов с выходов этих генераторов, а образующиеся в результате их смешивания сигналы первой промежуточной частоты с выхода смесителя 7 фазовой автоподстройки частоты поступают на один из входов фазового детектора 12, где сравниваются с сигналами первой промежуточной частоты, используемой в качестве опорной от первого выхода перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот. Результат сравнения подается на один из входов генератора 1 качающейся частоты, управляя его частотой в процессе качания так, что разность частот между ним и генератором 2 качающейся частоты с точностью до фазы равна величине первой промежуточной частоты, на которую настроен перестраиваемый генератор 17 промежуточных частот.

Б положении 1 переключателей б, 8, 9, 15, 18 и 20 - реализуется схема для измерения разности фаз между исследуемым четырехполюсником 13с преобразователем частоты и опорным смесителем 14. Перед измерениями производится выравнивание электрических длин измерительного и опорного каналов и каналов сигналов гетеродина после их разветвления, производится маркировка каналов устройства так, чтобы при измерении разности фаз фаза в измери- тельном канале была уменьшаемой, а в опорном - вычитаемой в этой разности.

В схеме для измерения разности фаз сигнал от генератора 1 качающейся частоты разделяется деиителем 4 сигналов на два канала - измерительный и опорный.

Сигнал в измерительном канале может быть представлен в виде

и; (Gj,t +tf;, с

где и - величина сигнала в измерительном каналец UJn, - амплитудное значение сигна-

ла, (/ - начальная фаза сигнала в

измерительном канапе на сигнальном входе исследуемото четырехполюсника с преобра- зователем частоты. Сигнал в опорном канале может быть представлен в виде

uJ-TCsi t ф

(2)

где TJ т - величина сигнала в опорном

канале1, U - амплитудное значение сигна, ла А

Ч1 - начальная фаза сигнала в

опорном канале на входе опорного смесителя. Сигнал измерительного канала через переключатель 8 подается на сигналь- ный вход исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты, а сигнал опорного канала череч аттенюатор 5, переключатель 6, усилитель 10, переключатель 15 и переключатель 9 подается на сигнальный вход опорного смесителя 14, где преобразуется с помощью сигнала от генератора 2 ка- чающейгя частоты в сигналы первой

JQ 15

381498

(переменной) промежуточной частоты W}. При этом ослабление аттенюатора 5 компенсирует усиление усилителя 10. Преобразование частоты может быть как

вверх,

ражению

так и вниз, и отвечает выW3 ui, + Ы2,

(3)

0

5

0

«

0

5

где (j)3 - первая промежуточная частота j сог - частота сигналов второго

генератора качающейся частоты j

Ы,- частота сигналов первого генератора качающейся частоты. Положим, что в предлагаемом устройстве имеет место преобразование

UJ3 ы, - u)2 . (4)

Тогда на выходе исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частотв имеет место сигнал, описываемый выражением

Т1 з- (ы, -)t + , - t/j + 41/J ,(5)

где Uj - сигнал первой промежуточной частоты в измерительном канале;

U амплитудное значение сигнала;ц - начальная фаза сигналов от

генератора 1 качающейся частоты на сигнальном входе исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты;7 начальная фаза сигналов от

2

генератора 2 качающейся частоты на гетеродинном входе исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты;

Д - искомый сдвиг фаз и исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты, вносимый им в фазу сигналов первой промежуточной частоты при преобразовании. Учитывая условие (4); имеем, что

Us U m3sin(wst + +44-1/ 41.(6) После преобразования на выходе опорного смесителя 14 имеет место сигнал, описываемый выражением

j - UjUeinC(u, )t + tf{ + + &Ч3+ atf4- if ,(7)

де U з - сигнал первой промежуточной частоты в опорном

канале: „«

итз - амплитудное значение сигнала ,Ю

If - начальная фаза сигналов

от генератора 1 качающейся частоты на сигнальном входе опорного смесителя;

Cf - начальная фаза сигналов ts от генератора 2 качающейся частоты на гетеродинном входе опорного смесителя 14;

/jLfy сдвиг фаз аттенюатора 5; 20

/Jt/3 сдвиг фаз усилителя 10;

flUV сдвиг фаз опорного смесителя 14, вносимый им в фазу сигналов первой промежуточной частоты в про- 25 цессе преобразования. Учитывая условие (4), имеем,что

j jsin( + if4, + &4t + ЛЧЛ+

(8)

+ йЦ4 1/J) .

Сигналы первой промежуточной частоты с выходов исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты и опорного смесителя 14 посту- пают на сигнальные входы смесителей 21 и 22 промежуточной частоты измерительного и опорного каналов соответственно, где с помощью гетеродинного сигнала, подаваемого из второго вы- хода перестраиваемого генератора 17 промежуточной частоты они преобразуются в сигналы второй постоянной низкой промежуточной частоты Si , которые поступают на входы индикатора 23 отношений, где сравниваются отношения их амплитуд и разность фаз, а результат сравнения подается в решающее устройство 24, в котором фиксируется.

Полагая, что амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики смесителей 21 и 22 промежуточной частоты измерительного и опорного каналов идентичны, а индикатор 23 от- ношений измеряет разность фаз между сигналами измерительного и опорного каналов второй, низкой промежуточной частоты, результат сравнения разност

J538J4910

фаз в индикаторе .может быстъ представлен выражением

s

0

5

0

5 0 45 0

55

А KfOJa, Up ( Ч + Ч,- Ч, + i/5 - 9 Va«/4)t(9)

где А - измеренная разность фаз в

градусах с учетом знакаj К - коэффициент попорционально- сти.

f(Uj,

U ) Функция, реализуемая фазовым

детектором.

Практически все аттенюаторы СВЧ имеют линейную фазочастотную характеристику и, следовательно, их электрическая длина может быть компенсирована электрической длиной СВЧ- тракта. Учитывая это обстоятельство, можно утверждать, что сдвиг фаз и Цг аттенюатора 5 может быть скомпенсирован электрической длиной тракта измерительного канала ч , т.е.

ц. I/ + 4lfr (Ю)

С учетом (10) и полагая, что электрические длины трактов измерительного , опорного канала и каналов гетеродина ( , 1/5 ) попарно равны, получим i/j 2 Индикатор 23 отношений зафиксирует результат измерений сдвигов фаз в виде

А (йЧ, - - ЛЧ ). (Ю

В положении 2 переключателей 6,8, 9, 15,18 и 20 реализуется схема для измерения суммы сдвигов фаз опорного смесителя 14 и исследуемого четырехполюсника 13. с преобразователем частоты.

Сигнал первой переменной промежуточной частоты Ш3 от первого выхода перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот делителем 19 сигналов разделяется на два канала: измерительный и опорный.

Сигнал измерительного канала через переключатель 18 подается на выход промежуточной частоты опорного смесителя 14. При этом опорный смеситель 14 и исследуемый четырехполюсник 13 с преобразователем частоты переключателями 6, 8, 9 и 15 включаются последовательно так, что вход сигнала СВЧ исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты через усилитель 10 соединяется г

1115

входом сигнала СВЧ опорного смесителя) 14. В этом случае на, входе сигнала СВЧ опорного смесителя 14 в результате обратного преобразования и его избирательных свойств появляется сигнал суммарной частоты (ы3 + шг ) w, , который после усиления усилителем 10 поступает на вход исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты. На входе исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты имеет место сигнал, описываемый выражением

u m и;, sin (юэ + w2)t +1/;+

+ + if , , (12)

где dtf начальная фаза сигнала от

перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот в измерительном канале; Л сдвиг фаз усилителя 10; Atf,- сдвиг фаз, вносимый опорным

смесителем 14 при преобра- зовании в фазу сигнала промежуточной частоты CjOj Lf - начальная фаза сигнала от

второго генератора качающейся частоты на гетеродинном входе исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты.

Коэффициент усиления усилителя 10 устанавливается таким образом, чтобы компенсировать потери преобразования опорного смесителя 14. Следовательно, амплитуда сигнала на входе исследуемого четырехполюсника 13 с преобразователем частоты практически не меня- ется по сравнению со схемой его включения для измерения разности сдвигов фаз.

После преобразования в исследуемом четырехполюснике 13 с преобразо- вателем частоты на его выходе появляется сигнал

U Tilsit (ш3+ wa -Ы2Н +

I/ ,

- if + а м + л ц „+ и U sin(u)3t + Ul + - Ч + aif,+

та

+ дчэ+ дм,)

(13)

где

- начальные фазы сигналов is противоположных гете49

12

родинных Каналах опорного смесителя J4 и исследуемого четырехполюсника 13с преобразователем частоты} АЦ- сдвиг фаз опорного смесителя 14.

Присоединение гетеродина к опорному смесителю 14 и исследуемому четырехполюснику 13 с преобразователем частоты остается неизменным по сравнению со схемой для измерения разности фаз и поэтому

U UmjSinCwjt + з + &Ч, + йЧ3 +

+d%)

(14)

5

0

0

5

0

Затем этот сигнал первой переменной промежуточной частоты подается на сигнальный вход смесителя 21 промежуточной частоты измерительного канала, где с помощью гетеродинного сигнала от второго выхода перестраиваемого генератора I7 промежуточной частоты так же, как и в опорном канале, с помощью смесителя 22 опорного канала промежуточной частоты преобразуется в сигналы второй постоянной промежуточной частоты, которые поступают на измерительный и опорный входы индикатора 23 отношений.

Учитывая, что индикатор 23 отношений определяет разность фаз между сигналами на его первом и втором входах, результат может быть представлен в виде

В К,- f(u 3 , UJ )

+ 4iX,4 4if4 - Ч , (15)

где К, - коэффициент пропорциональности;

f(u 3,

Up - функция фазового детектора ,

индикатора,

Ц1 - начальная фаза сигнала от перестраиваемого генератора 17 промежуточных частот в опорном канапе. При равной электрической длине трактов измерительного и опорного каналов

« ;

(16)

Индикатор 23 отношений зафиксирует измерение суммы сдвигов фаз в виде

В и if3+ fll(4l (17)

13J5381

которая поступает в решающее устройство 24. После поступления в него суммы сдвигов фаз В оно производит решение системы уравнений

Л W, - и 1/э - & if.

&Lf, + ДУ3+ &Ц4

1

08)

и определение истинного значения сдвигов фаз, вносимого исследуемым четырех- 1 полюсником 13 с преобразователем частоты в процессе преобразования в фазу сигнала промежуточной частоты в виде

/,

A t В

(19)

с учетом знаков суммы и разности фаз.

Как видно из выражения (19), при подстановке в него значений А и В, сдвиг фаз усилителя 1 О Л if3 при измерении суммы и разности фаз взаимно компенсируется и на результат измерений не влияет.

Компенсация сдвига фаз и ц усилителя 10 происходит только в том случае , если при измерении разности сдвигов фаз-он включен в опорный канал перед опорным смесителем 1 4 .

Свипирование генератора 1 качающейся частоты синхронно с генератором 17 осуществляется пилообразным напряжением от блока 3 управления, амплитуда которого задается с помощью органов управления на его передней панели. Постоянный сдвиг Я. выбирается следующим образом: это вторая промежуточная частота устройства, на которой работает индикатор 23, значение ее во избежание помех не должно быть кратным частоте 50 Гц сети. Величина Я должна быть такой, чтобы обеспечить требуемую полосу пропускания индикатора 23, обеспечить его требуемое быстродействие и не лежать -в диапазоне первой переменной промежуточной частоты.

Управление частотой генератора 1 осуществляется например, с помощью модуляционной катушки, встроенной в генератор, которая меняет магнитное поле сферы из железоиттриевого граната.

Зная истинный сдвиг фаз исследуемого четырехполюсника с преобразова- телем частоты в частотной точке, мож- ,но определить истинный сдвиг фаз опорного смесителя в этой точке, а по известной разностной фазочастот

81

1

5

0

5

0

35

55

40

45

0

4914

ной характеристике опорного смесителя и исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты определить истинный сдвиг фаз в любой другой частотной точке.

Предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью (5-15°) определять абсолютное значение фазового сдвига, вносимого четырехполюсником.

Формула изобретения

Устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, содержащее последовательно соединенные перестраиваемый генератор промежуточных частот и первый фазовый детектор, последовательно соединенные блок управления, пер- 1 вый генератор качающейся частоты, первый смеситель фазовой автоподстройки частоты, второй смеситель фазовой автоподстройки частоты и второй фазовый детектор, последовательно соединенные второй генератор качающейся частоты и клеммы для подключения исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, смеситель промежуточной частоты измерительного канала и первый индикатор, первый делитель сигналов, опорный смеситель и смеситель промежуточной частоты опорного канала, выход которого подключен к второму входу первого индикатора, выход первого смесителя фазовой автоподстройки частоты через первый фазовый детектор соединен с вторым входом первого генератора качающейся частоты, выход которого подключен к входу первого делителя сигналов, третий вход первого генератора качающейся частоты соединен с выходом второго фазового детектора, вход второго генератора качающейся частоты соединен с вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к входу перестраиваемого генератора промежуточных частот, второй и третий выходы которого соединены соответственно с вторым входом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты и вторым входом второго фазового детектора, выход второго генератора качающейся частоты подключен к второму входу первого смесителя фазовой автоподстройки частоты, второй вход перестраи

151

ваемого генератора промежуточных частот соединен с вторым входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала и с первым входом смесителя промежуточной частоты опорного канала, первый вход опорного смесителя подключен к выходу второго генератора качающейся частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, в него дополнительно введены шесть переключателей, аттенюатор, усилитель, второй делитель сигналов и решающее устройство, вход которого соединен с выходом индикатора, первый выход первого делителя сигналов через аттенюатор подключен к первому неподвижному контакту первого переключателя1, второй неподвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом третьего переключателя , подвижный контакт первого переключателя через усилитель соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, первый непод

0

81

5

0

5

вижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом треть- его переключателя, а второй неподвижный контакт - с вторым неподвиж- ,ым контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт -которого соединен с вторым выходом первого делителя сигналов, подвижный контакт второго переключателя соединен с клеммами для подключения вторым входом исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, подвижный контакт третьего переключателя через опорный смеситель подключен к подвижному контакту пятого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом шестого переключателя, подвижный контакт которого соединен с вторым входом смесителя промежуточной частоты опорного канала, вторые неподвижные контакты пятого и шестого переключателей соединены с первым и вторым выходами второго делителя сигналов, вход которого подключен к первому выходу перестраиваемого генератора промежуточных частот.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты. С помощью блока 3 управления осуществляется синхронное качание генераторов 1 и 2 качающейся частоты в диапазоне СВЧ. Системы фазовой автоподстройки частоты образованы смесителями 7 и 11, фазовыми детекторами 12 и 16 и перестраиваемым генератором 17 промежуточной частоты. С помощью переключателей 6, 8, 9, 15, 18, 20 реализуется схема для измерения разности фаз между исследуемым четырехполюсником 13 и опорным смесителем 14. Перед измерением проводится выравнивание электрических длин измерительного и опорного каналов. Ослабление аттенюатора 5 компенсирует усиление усилителя 10. С помощью гетеродинного сигнала, подаваемого с второго выхода перестраиваемого генератора 17, сигналы первой промежуточной частоты в смесителях 21 и 22 промежуточной частоты измерительного и опорного каналов преобразуются в сигналы второй постоянной низкой промежуточной частоты Ω, которые поступают на вход индикатора 23, результат сравнения поступает в решающее устройство 24. Устройство содержит также делители 4 и 19 сигналов. 2 ил.