Измеритель группового времени запаздывания Советский патент 1990 года по МПК G04F10/06 

Фиг.1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения группового

времени запаздывания радиоустройств. Цель изобретения - повышение точ- ности измерений.

На фигв приведена структурная схема измерителя; на фиг«2 - фазовая характеристика фазометра, иллюстри- рующая работу измерителя.

Измеритель группового времени запаздывания (ГВЗ) содержит дискретно перестраиваемый генератор 1, двухфазный генератор 2, последовательно соединенные модулятор 3, объект 4 исследования, коммутатор 5, аттенюатор 6, усилитель 7, детектор 8, аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 9, а также формирователь 10 импульсов, генератор И импульсов, фазометр 12, регистр 13 управления дискретно перестраиваемым генератором, регистр 14 управления двухфазным генератором 2, регистр 15 управления коммутатором 5 и регистр 16 управления аттенюатором 6„ При этом выходы регистров 13-16 управления подключены к уп равляющим входам соответствующих им блоков, а их информационные входы и входы чтения соединены с общей системной магистралью 17, к которой подключены также информационными выходами и входами чтения регистр 18 данных АЦП 9, регистр 19 данных фазометра 12, блок 20 отображения, регистр 2 панели управления и микропроцессорный блок 22, входы запроса прерывания которого соединены соответственно с управляющим выходом регистра 21 панели управления, выходом конца измерения фазометра 12, который соединен также с входом записи регцст- ра 19 данных фазометра и выходом конца преобразования АЦП 9, соединенным также с входом записи регистра 18 управления АЦП 9. Выход детектора 8 соединен с первым сигнальным входом фазометра 12, информационный выход которого соединен с информационным входом регистра 19 данных фазометра, вход квантования соединен с выходом генератора 11 ипульсов, вход пуска - с общей системной магистралью 17, а второй сигнальный вход - с вторым выходом двухфазного генератора 2, который также через формирователь 10 импульсов соединен

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

с входом запуска АЦП 9, информационный выход которого соединен с информационным входом регистра 18 АЦП, вы ход дискретно перестраиваемого генератора 1 и первый выход двухфазного генератора 2 соединены с входами модулятора 3, выход которого соединен с вторым входом коммутатора 5.

Принцип работы измерителя ГВЗ (фиг.1) основывается на измерении вносимого исследуемым объектом фазового сдвига огибающей АМ-сигнала и определении ГВЗ в соответствии с выражением

ч сь/51

где G частота модуляции.

Испытательный АМ-сигнал с выхода модулятора 3, управляемого сигнальным дискретно перестраиваемым генератором 1 и модулирующим двухфазным генератором 2 (подключенным к модулятору 3 первым фазонерегулируемым выходом), проходит через последовательно соединенные исследуемый объект 4, коммутатор 5, аттенюатор 6, усилитель 7 и детектор 8, на выходе которого выделяется огибающая АМ-сиг- нала, поступающая на первый сигнальный вход цифрового фазометра 12 с времяимпульсным преобразованием.На второй сигнальный вход фазометра 12 поступает опорный сигнал той же частоты с второго (фазорегулируемо- го) выхода двухфазного генератора 2.

При нулевом фазовом сдвиге опорного сигнала двухфазного генератора 2 измеренное фазометром 12 значение фазового сдвига и}м пропорционально групповому времени запаздывания исследуемого объекта 4 на частоте f, задаваемой дискретно перестраиваемым генератором 1. Это значение по сигналу конца измерения фазометра 2, подаваемому на входы записи регистра 19 данных фазометра и запроса прерывания микропроцессорного блока 22, записывается в указанный регистр и с некоторой задержкой считывается через общую системную магистраль 17 в микропроцессорный блок 22. По значению сро изми известному значению час тоты модуляции Q. в микропроцессорном блоке 22 вычисляется измеренное значение ГВЗ t-i ИЗЛА. на частоте f, которое записывается в память микропро- цессорного блока 22 и выводится на блок 20 отображения. Изменяя частоту

сигнала с определенным шагом, можно снять частотную характеристику ГВЗ исследуемого объекта 4 в заданном диапазоне частот.

Погрешность измерения ГВЗ методом Найквиста существенно зависит от значения частоты модуляции, возрастая при ее уменьшении. Сверху частота модуляции ограничивается допустимой методической погрешностью и для ис следуемых объектов со сложными много- экстремальными характеристиками ГВЗ, например, высокочастотных полосовых фильтров на ПАВ с интервалом между экстремумами до 50 кГц не может быть выбрана свыше 20-30 кГц, В этом случае допустимой погрешности измерения ГВЗ порядка десятых долей наносекун- ды соответствует требуемая точность измерения фазового сдвига огибающей- около 0,005-0,007°. Для получения столь высокой точности измерения необходимо минимизировать все состав™ ляющие погрешности измерения.

Малая случайная погрешность в устройстве обеспечивается цифровым фазометром 12 с времяимпульсным преобразованием и с усреднением за время измерения порядка I с при частоте квантования, задаваемой генератором 11 импульсов, свыше 10-20 МГц.

Для получения эффективного усреднения необходимо предусмотреть отсутствие кратности частот квантования и модуляции, что наиболее просто достигается при задании их от отдельных независимых источников, В течение достаточно большого времени изме рения фазометра 12 частота сигнала на входе исследуемого объекта 4 должна быть постоянна с целью исключения эффекта сглаживания измеренной час- тотной характеристики ГВЗ. Это дости- гается использованием в качестве сигнального генератора дискретно перестраиваемого генератора 1 вместо традиционно используемых генераторов качающейся частоты. При этом легко автоматизируется процесс измерения и обеспечивается точное соответствие между частотой сигнала и измеренным значением ГВЗ.

Использование модулирующего двухфазного генератора 2 с дискретной перестройкой частоты позволяет выбрать частоту модуляции, наиболее соответствующую исследуемому объек

10

556976

ту, что обеспечивает снятие частотных характеристик ГВЗ при различных значениях частоты модуляции с уменьшенной методической погрешностью.

Инструментальная систематическая погрешность измерителя складывается из частотной составляющей, определяемой линейными узлами (усилителем 7 и соединительными элементами), а также модулятором 3, работающим при неизменных уровнях несущего и модулирующего сигналов; амплитудной (динамической) составляющей, зависящей от амплит. 5,ы и частоты сигнала и определяемой нелинейными узлами (детектором 8 и формирующими усилителями фазометра 12); основной погрешности, зависящей от измеряемого значения ГВЗ (фазового сдвига огибающей) и значений амплитуды и частоты сигнала, эта составляющая определяется цепями паразитной межканальной связи в высокочастотной и низкочастотной части измерителя. В высокочастотной части эта связь преимущественно осуществляется через коммутатор 5, коммутирующий исследуемый объект в режимах измерения и калибровки. Кроме того, все указанные составляющие погрешности зависят от времени за счет временной нестабильности параметров элементов измерителя (временная погрешность).

Существенное уменьшение частотной ,- и временной погрешностей достигается путем калибровки измерителя; с точки зрения временной погрешности калибровку желательно проводить непосредственно перед измерением ГВЗ в каждой точке частотной характеристики с по-

15

20

25

30

40

мощью программно управляемого мутатора 5.

ком-

Амплитудная (динамическая) погрешность измерения связана с изменением амплитуды сигнала на выходе исследуемого объекта 4 за счет неравномерности его АЧХ; она не компенсируется при калибровке, так как уровни сигнала в режимах измерения и калибровки различны. В известном измерителе достигается уменьшение амплитудной погрешности фазометра 12, однако сохраняется погрешность, вносимая детекторами и смесителями. В предлагаемом измерителе амплитудная погрешность уменьшается путем введения на выходе исследуемого объекта 4 аттенюатоpa 6 и усилителя 7, С помощью атте- ншатора 6 и усилителя 7 устанавли- вается оптимальный уровень сигнала на входах детектора 8 и фазометра 12, соответствующий минимальной кру- тизне фазоамплитудной характеристики измерителя.

При большой неравномерности АЧХ исследуемого объекта 4 этот уровень с помощью аттенюатора 6 можно поддерживать неизменным с точностью до дискретности аттенюатора В результате минимизируется перемещенная составляющая амплитудной погрешности Необходимый коэффициент передачи аттенюатора 6 на каждой частоте сигнала в режимах измерения и калибровки определяется путем цифрового измерения амплитуды огибающей на выходе детектора 8 с помощью АЦП 9. Запуск АЦП 9 осуществляется в моменты максимума огибающей сформированным с помощью формирователя 10 импульсов сигналом с фазорегулируемого выхода двухфазного генератора 2 путем установки фазового сдвига этого сигнала относительно огибающей, равным 90°. Полученный код амплитуды огибающей сигналом конца преобразования АЦП 9 записывается в регистр 18 данных АЦП и по запросу прерывания АЦП 9 считывается затем через общую системную магистраль 17 в микропроцессорный блок 22, Для повышения точности в микропроцессорном блоке 22 возможно накопление измеренных значений амплитуды сигнала. Считывание кода амплитуды может производиться не в каждом периоде измеряемой огибающей сигнала.

Далее по измеренному значению амплитуды микропроцессорным блоком 22 определяется необходимый код управления аттенюатора 6, который записывается в регистр 16 кода управления аттенюатором и осуществляет его требуемое переключение

Для обеспечения эффективной компенсации амплитудной погрешности при большой неравномерности АЧХ исследуемого объекта 4 собственная погрешность аттенюатора 6 должна быть намного меньше амплитудной погрешности детектора 8 и фазометра 120 Аттенюатор можно выполнить на p-i-n- .диодах или пассивных элементах (ре- зисторах) Такие аттенюаторы отли

5

0

5

0

5

0

5

0

5

чаются высокой долговременной стабильностью параметров, что позволяет корректировать вносимые ими погрешности с помощью поправок, хранимых в постоянном запоминающем устройстве микропроцессорного блока 22,

Уменьшению основной погрешности в предлагаемом измерителе по сравнению с известным способствует одно- канальная структура высокочастотной части измерителя, исключающая цепи паразитной межканальной связи по высокой частоте (кроме неизбежной связи через коммутатор 5). Такая структура не обеспечивает возможности одновременного снятия разностной частотной характеристики ГВЗ рабочего и эталонного четырехполюсников, однако практически в этом нет необходимости, так как частотная характеристика ГВЗ эталона может быть заранее записана в запоминающее устройство микропроцессорного блока 22,

Основная погрешность уменьшается также за счет отсутствия двухканаль- ного смесителя, работающего на частоте модуляции и создающего дополнительные цепи межканальной связи. Этот смеситель путем двукратного измерения фазового сдвига при преобразовании частоты снизу и сверху ( f r f c и fr fc) компенсирует частотную и амплитудную погрешности фазометра, а основная погрешность при этом может даже возрасти, так как она сложным образом зависит от фазового сдвига. Так, для триггерного фазометра фазовая характеристика с учетом межканапьной паразитной связи может иметь вид, представленный на фиг„ 2, При значениях ср х - ± if xi oc новная погрешность также меняет свой знак и результирующее значение погрешности равно

Alp, (utft + bV7)/2. Эта погрешность не компенсируется и при калибровке,так как фазовые сдвиги в режимах измерения и калибровки различны.

Уменьшение основной погрешности в измерителе достигается за счет двухфазного генератора 2 С его помощью вводится дополнительный фазовьй , сдвиг, который устанавливает рабочую точку в области фазовой характеристики фазо метра 12, где имеет место наименьшее изменение его основ

ной погрешности при изменении фазового сдвига огибающей, которое при малых значениях частоты модуляции, как правило, невелико. При этом ми- нимизируется переменная составляющая основной погрешности, что важно с точки зрения точности измерения не- равномерности частотной характерис- тики ГВЗ, которая не зависит от постоянных составляющих погрешностей. Так, для фазовой характеристики (фиг.2) условию минимальной крутизны соответствует область в близи 90 . В области 180 абсолютное значение основной погрешности минимально, однако крутизна фазовой характеристики здесь максимальна.

В общем случае фазовая характерис- тика фазометра носит более сложный характер. Для определения рабочей точки с помощью двухфазного генерато™ ра 2 можно снять эту характеристику для данного конкретного измерителя. При этом погрешности фазометра 12 и двухфазного генератора 2 могут быть разделеныв Этот процесс легко автоматизируется с помощью микропроцессорного блока 22.

Задание или изменение исходных параметров или режимов работы измерителя осуществляется через регистр 21 панели управления, формирующий сигнал запроса прерывания микропроцессорного блока 22, При этом модифицируется содержимое регистра 13 управления дискретно перестраиваемым генератором 1, регистра 14 управления двухфазным генератором 2, регистра 15 управления коммутатором 5 и регистра 16 управления аттенюатором 6, Начало из мерительного цикла задается сигналом запуска фазометра 12 от микропроцес сорного блока 22 по сигналу пуска с регистра 21 панели управления. При автоматическом снятии частотной характеристики ГВЗ измеритель управляется программно. Передача кодов уп равления и данных производится через ,общую системную магистраль 17,

Микропроцессорный блок 22 может быть выполнен по типовой структуре на основе микропроцессорных комплек тов БИС серий К580, К1810, К1804 и др. В качестве этого блока могут быть, использованы также одноплатные микро- ЭВМ (например, типа МС-1201) или уни

0

версальные микроконтроллеры (К1-20) и микроЭВМ (типа Электроника 60).

Блок 20 отображения может пред- / ставлять собой как простейший цифровой индикатор, так и алфавитно-цифровой или графический дисплей.

Таким образом, благодаря введению новых элементов и связей обеспечены возможности структурной минимизации инструментальных систематических погрешностей измерения группового времени запаздывания исследуемых объектов со сложными многоэкстремальными характера тиками зависимости группо- вого времени запаздывания от частоты.

Так, погрешность, вносимая только детектором при изменении амплитуды сигнала в 2 раза, составляет десятые доли градуса. Такого же порядка амплитудная погрешность смесителей и основная погрешность измерителя. Вв.е- дение программно управляемого калиброванного аттенюатора 6, усилите- ля 7, АЦП 9 и двухфазного генератора 2 позволяет уменьшить погрешности до сотой доли градуса.

5

0

0

5

0

5

0

5

Кроме того, измерение амплитуды огибающей в измерителе расширяет его функциональные возможности позволяя одновременно с измерением ГВЗ измерять АЧХ исследуемого объекта.

Формула изобретения

Измеритель группового времени запаздывания, содержащий модулятор, соединенный с входной клеммой для подключения исследуемого объекта, детектор, коммутатор, регистр управ™ ления коммутатором, соединенный выходом с управляющим входом коммутатора, фазометр и регистр данных фазометра, который информационным входом и входом записи соединен соответственно с информационным выходом и выходом конца измерения фазометра, а информационным выходом и входом чтения - с общей системной магистралью, к которой подключены информационными и управляющими шинами микропроцессорный блок, блок отображения, регистр управления коммутатором и регистр панели управления, соединенный с первым входом запроса прерывания микропроцессорного блока, от - л и-ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения,-в

него введены аттенюатор, дискретно перестраиваемый генератор и двухфазный генератор, к управляющим входам каждого из которых подключены выходы соответствующих им регистров управления, которые информационными входами и входами записи соединены с общей системной магистралью,а также генера тор импульсов, соединенный с входом квантования фазометра, который первым сигнальным входом подключен к выходу детектора, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и регистр данных АЦП, который информа- ционным выходом и входом чтения соединен с общей системной магистралью, а информационным входом и входом записи - соответственно с информационным выходом и выходом конца преобра- зования АЦП, соединенного также с вторым входом запроса прерывания микро-

процессорного блока, сигнальный вход АЦП соединен с выходом детектора, а вход запуска через формирователь импульсов - с вторым выходом двухфазного генератора, к которому подключен также второй сигнальный вход фазометра, вход пуска фазометра подключен к общей системной магистрали, а выход конца измерения - к третьему входу запроса прерывания микропроцессорного блока, первый выход двухфазного генератора подключен к первому входу модулятора,j второй вход которого соединен с выходом дискретно перестраиваемого генератора, выход аттенюатора через усилитель соединен с входом детектора, а сигнальный вход - с выходом коммутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходной и входной клеммами для подключения исследуемого объекта.

Изобретение может быть использовано в радиотехнике. Целью изобретения является повышение точности измерений. Измеритель ГВЗ содержит дискретно перестраиваемый генератор 1, двухфазный генератор 2, модулятор 3, объект 4 исследования, коммутатор 5, аттенюатор 6, усилитель 7, детектор 8, АЦП 9, формирователь 10 импульсов, генератор 11 импульсов, фазометр 12, регистры 13 - 16 управления соответственно дискретно перестраиваемым генератором 1, двухфазным генератором 2, коммутатором 5 и аттенюатором 6, системную магистраль 17, регистр 18 данных АЦП 9, регистр 19 данных фазометра 12, блок 20 отображения, регистр 21 панели управления и микропроцессорный блок 22. Цель достигается за счет одноканальной структуры, исключающей паразитные связи, а также введения дополнительного фазового сдвига, устанавливающего рабочую точку в области характеристики фазометра. 2 ил.

/

п 180 360

Щи г. 2

7