Устройство для измерения фазового времени задержки четырехполюсников Советский патент 1990 года по МПК G04F10/06 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью фазового времени задержки четырехполюсников и в широком диапазоне частот.

Целью изобретения является повышение точности измерения фазового времени задержки четырехполюсников в широком диапазоне частот.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит высокочастотный генератор 1, входом подключенный к выходу элемента 2 перестройки частоты, выход высокочастотного генератора 1 подключен одновременно к входной клемме для подключения исследуемого четырехполюсника 3 и к входу управляемого аттенюатора 4, выход исследуемого четырехполюсника 3 подключен к первому входу первого преобразователя 5 частоты, а выход управляемого аттенюатора .к первому входу вто- рого преобразователя 6 частоты, вторые входы первого 5 и второго 6 преобразователей частоты подключены к выходам гетеродина 7, управляемый вход которого подключен к выходу элемента 2 перестройки частоты., выход первого преобрадо;ватедя 5 частоты через последовательно соединенные первый, фидътр 3 нижних частот, первый усилитель-ограничитель 9 и второй фильтр 10 нижних частот подключен к первому входу фазового детектора 11, выход второго преобразователя 6 частоты через последовательно соединенный третий фильтр 12 нижних частот, второй усилитель-ограничитель 13 и четвертый фильтр 14 нижних частот подключен через калиброванную линию 15 задержки к первому входу коммутатора 16, второй вход которого подклю- чен непосредственно к выходу четвертого фильтра 14 нижних частот, выход коммутатора 16 подключен к второму входу фазового детектора 11, выход которого через знал о го -цифр рвойА преобразователь 17 соединен с шиной данных микроЭВМ 18, к первому выходу которой подключен цифровой дисплей 19, а к второму выходу - многоканальный цифреаналоговый преобразователь 20, .первый аналоговый выход которого соединен с управляющим входом элемента 2 перестройки частоты, второй выход - с управляющим входом управляемого ат

1520254575444

тенюатора 4 и третий выход - с управляющим входом коммутатора 16.

Устройство работает следующим образом,

На выходе высокочастотного генератора 1 с помощью элемента 2 перестройки частоты формируется испытательный сигнал с начальным значением частоЮ ты i

U,(t) Umicos(G)t + lf, ) , (1)

где Cf( - начальная фаза испытательного сигнала.

Сигнал, описываемый выражением (), поступает одновременно на входную клемму исследуемого четырехполюсника 3 и на вход управляемого аттенюатора 4.

Выходной сигнал исследуемого четырехполюсника 3 описывается выражением

Uu(t) K(G31)Umzcos Q1(t-)+,)(2)

где K(Q,) - коэффициент передачи исследуемого четырехполюсника на частоте 00, ; с, - фазовое время задержки сигнала на частоте СО, , Сигналы, описываемые выражениями (2) и (1), подаются на первые входы первого 5 и второго 6 преобразователей частоты. На вторые входы преобразователей частоты подается сигнал с выхода гетеродина 7

(3)

30

35U(t) Um,cos(tfrt +Lfg,),

где - начальная фаза сигнала гетеродина,

Б результате преобразования сигналов (2) и (3) и (1) и (3) выходные сигналы преобразователей 5 и 6 частоты при условии f что Сй)&Эг, описываются выражениями;

u4(t) - 2K(w,)umtum,,-q)t -Qi4+, cos (CO, + ODr )t ,Ј,+ +Ъ + )

u5(t) 5Umumfcos(«,-ar)t+

Пr1(5)

-Kf, -4 j4-cos()t+tf,.

CnrHant описываемый выражением (4), подается на вход первого фильтра 3 нижних частот, на выходе которого выделяется сигнал с разностной частотой

U6 (t) («. (W,-CJr)t -CO,C, -bCfrCfI+ j,(6)

где К. - коэффициент передачи первого

фильтра 8 нижних частот; фазовый сдвиг, вносимый

этим фильтром .

С целью нормирования амплитуды сигнала (6) и устранения влияния высших гармоник на результат измерения Ј, он поступает на вход первого усилителя-ограничителя 9 и с его выхода подается через второй фильтр 10 нижних частот на первый вход фазового детектора 11. Этот сигнал описывается выражением

U(t) |к(0),)К,(оЛ-(,)гН- 0

-w,,+Cfl-g t+u,+if4+tf5,)

где К - коэффициент передачи второго

U9 S(l + j()«(c,+S( ,(10)

где S - крутизна преобразования разности фаз С{ 00,С, в напряжение:

. Ti

фильтра 10 нижних частот; 25 SCup/S- относительная мультипликатив- - фазовый сдвиг, вносимый пер-ная погрешность преобразования ввиду зависимости чувствительности от частоты;

вым усилителем-ограничителем 9;

Ср5- фазовый сдвиг, вносимый вторым фильтром 10 нижних частот.

Учитывая, что разность GJi -Qf- Q должна быть постоянной в процессе измерения, выражение (7) можно предста-. зить в виде

&,30

35

4(W1) абсолютная аддитивная погрешность преобразования, обусловленная неидентичиостью фд- зочастотных характеристик преобразовательных каналов, и при выполнении условий Cf 3, 4 иСр5 (-Ps Равна нулю. Напряжение, описываемое выражением (10), поступает на вход аналого- цифрового преобразователя 17, в котором кодируется и запоминается в памяти михроЭБМ 8.

1,

u7(t) - |K(a),)K,K2uwlu i

cosCQt-W/L, +4,-4 t+4Vf V4 5).

Аналогично можно показать, что после преобразования сигналов (3) и (3) во втором преобразователе б частоты на его выходе выделяется сигнал промежуточной частоты который после прохождения через третий фильтр 12 нижних частот, второй усилитель-ограничитель 13 и четвертый фильтр 14 нижних частот описывается выражением

u8(t) к. х cos (Qt+tf, +cp 4+c),

(9)

где К - коэффициент передачи третьего фильтра 12 нижних частот;

К - коэффициент передачи четвертого фильтра 14 нижних члс- тов;

.

( фазовые сдвиги, вносимые

третьим фильтром 1.1 нижних частот, вторым усилителем- ограничителем 13 и четвертым фильтром 14 нижних частот соответственно.

Сигнал, описываемый выражением (9), подается через коммутатор 16 на второй вход фазового детектора 11. При 5 выполнении условий Cf /}, Cf и tpj tj1 выходное напряжение фазового детектора 11 изменяется пропорционально СО, Ј, и описывается выражением

U9 S(l + j()«(c,+S( ,(10)

где S - крутизна преобразования разности фаз С{ 00,С, в напряжение:

. Ti

S

&,

30

35

40

45

50

55

4(W1) абсолютная аддитивная погрешность преобразования, обусловленная неидентичиостью фд- зочастотных характеристик преобразовательных каналов, и при выполнении условий Cf 3, 4 иСр5 (-Ps Равна нулю. Напряжение, описываемое выражением (10), поступает на вход аналого- цифрового преобразователя 17, в котором кодируется и запоминается в памяти михроЭБМ 8.

Затем по команде с мнкроЭВМ 18 на первом выходе цифроаналогового преобразователя 20 формируется единичное приращение напряжения, которое воздействует на элемент 2 перестройки частоты и изменяет частоту высокочастотного генератора 1 и гетеродина 7 на величину шага ДО) 52, который выбирается из условия

,

где S, - порог чувствительности фазового детектора 11.

При этом выходное напряжение фазового детектора 1) возрастает до значения

и,с s(i + foXw,+n#, +, (Л)

7155

где Vj и $4 - погрешности преобразования второй разности фаз (W, -1-9) Ј, .

Напряжение, описываемое выражением (И), преобразуется в код аналого- цифровым преобразователем 17 и запоминается в памяти микроЭВН 18.

С приходом очередной команды напряжением с третьего выхода цифроана- логового преобразователя 20 коммутатор 16 переключается, напряжение, описываемое выражением (9), поступает на второй вход фазового детектора 11 через калиброванную линию 15 задержки

Величина калиброванной задержки ос также выбирается из условия работы фазового детектора 11 в пределах линейного участка характеристики

В этом случае выходное напряжение фазового детектора 11 уменьшается до значения

U,, 8(1 + у,)(а,+П) (Ј,-Ј„),, 02)

где о - погрешности, третьего

преобразования разности фаз Cf, (Ю,+П) (Ј,-Ј„).

Напряжение, описываемое выражением (12), кодируется и запоминается в памяти микроЭВМ ГЗ.

После этого командой от микроЭВМ 18 выходное напряжение по первому выходу цифроаналогового преобразовате- ля 20 приводится к исходному значению при котором восстанавливается первоначальное значение частоты высокочастотного генератора 1 и гетеродина 7. Полученное на выходе фазового детек- тора 11 напряжение

ии s(i+y4)co, (Ј, 13

где Y ,j и а ц. погрешности четвертого

преобразования разности

,-U,(VЈe), кодируется и запоминается в памяти

микроЭВМ 18.

Из зафиксированных значений напряжений (JO) и (11) определяют их раз- ность при условии, что у, ):У и $, . о.

и, - so+jpat-,.(14)

Из зафиксированных значений напряжений (12) и (13) определяют вторую разность

(15)

и„ -u -sd+psKf,-)

8

Далее находят отношение разностныу напряжений

-V% ft и

.:

Ъ

с:

(16)

Из полученного соотношения (16) находят значения

г. «о - ..

Перед каждым следующим циклом измерений исключают калиброванную задержку Ј0 и, изменяя частоту испытательного и опорного сигналов, получают значения фазового времени задержРки на частот ах 6); C);f| + 21 О

,(il IT

Л

У -Uiл

С, (Ц) u T™um unr+u r co 18

где СО; - текущее значение частоты

сравниваемых по фазе сигналов.

Далее определяют частотные приращения фазового времени задержки отно сительно значения фазового времени задержки на самой низкой частоте:

|Л Л /УлЧ

tf,)-Ј.(W,); лЈг-Ј,(1Э,)-г,(са,);

., ;(СО;)-С, (О,),

(19)

По значениям частотных приращений (19) можно построить частотную характеристику фазового времени задержки исследуемого четырехполюсника

П ./1 & «;.,) - (JE uTTlfjTIuf Urf

(20)

U to -U .л.

j

5

где П - число дискретных частот, на которых измеряется фазовое время задержки.

I

Программой микроЭВМ 18 предусмотрено изменение частоты испытательного сигнала через равные интервалы, которые формируются из постоянного числа шагов изменения частоты, проведение четырех новых измерений при возвратных изменениях частоты на один шаг относительно установленной частоты и введение калиброванной задержки.

Результаты ряда измерений обрабатываются в процессоре микроЭВМ 8 и соответствующая частотная характеристика фазового времени задержки исгле- дуемого четырехполюсника 3 воспроизводится на цифровом дисплее 19.

Анализ предложенного технического решения по сравнению с прототипом неуправляемого аттенюатора, Лазовый детектор, одним входом ПО.КЧЮЧРНЧЫЧ к входу и выходу калиброванной линии задержки черея коммутатор, BIIXOF фазового детектора через аналог-цифровой преобразователь соединен с линой данных микроЭВН, к выходу Которой подключен цифровой дисплей и многока

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения фазового времени задержки четырехполюсников. Устройство содержит высокочастотный генератор 1, элемент 2 перестройки частоты, исследуемый четырехполюсник 3, управляемый аттенюатор 4, преобразователи 5 и 6 частоты, гетеродин 7, фильтр 8 низкой частоты, усилитель-ограничитель 9, фильтр 11 низкой частоты, фазовый детектор 11, фильтр 12 низкой частоты, усилитель-ограничитель 13, фильтр 14 низкой частоты, калиброванную линию 15 задержки, коммутатор 16, АЦП 17, микроЭВМ 18, дисплей 19 и ЦАП 20. Цель обеспечивается уменьшением мультипликативной погрешности и исключением погрешности от дисперсии задержки за счет введения задержки Τ₀ на постоянной промежуточной частоте. 1 ил.

газывает, что введение дополнительных днальный цифроаналоговый преобразосаузлов позволяет повысить точность из-тель, первый аналоговый выход которомерения фазового времени задержки.го соединен с управляющим входом элеТак относительная погрешность прото-мента перестройки частоты, второй ЕЫтипа составляет ±2%, Введение допол-Х°Д с управляющим входом аттенюатонительных узлов обеспечивает идентич- 15ра и 1Ретий выход - с управляющим

ность фазочастотных характеристик преобразовательных каналов, а поэтому абсолютные аддитивные погрешности преобразования каждой разности фаз О, ,ог ,сц , о q. практически равны нулю. Кроме того, как следует из выражения (20), на результат измерения не влияет мультипликативная () составляющая фазочастотной погрешности в рабочем диапазоне частот, а введение задержки с/0 на постоянной промежуточной частоте исключает погрешность-от дисперсии задержки, присущей прототипу, что позволяет достигнуть относительной погрешности измерения не более ±1%. Следовательно, выигрыш в повышении точности измерения составляет не менее двух ра-з, а выбор фазовых приращений порядка единиц градусов обе-с- печивает также исключение неоднозначности определения фазовых углов.

Формула изобретения Устройство для измерения фазового времени задержки четырехполюсников, содержащее высокочастотный генератор, входом подключенный к выходу элемента перестройки частоты, выход высокочастотного генератора подключен к

входной клемме для подключения иссле- 45 нижних частот подключен одновременно дуемого четырехполюсника и к входук входу калиброванной линии задержки.

5

входом коммутатора, о ч л и ч. а ю- щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения фазогого времени задержки четырехполюсников в широком диапазоне частот, в него дополнительно введены два преобразователя частоты, гетеродин, четыре фильтра нижних частот и два усилителя г

ограничителя, причем первый преобразователь частоты первым входом подключен к выходной клемме дчя подключения исследуемого четырехполюсника, а второй преобразователь частоты первым входом подключен к выходу управ

ляемого аттенюатора, вторые входы преобразователей частоты подключены к выходу гетеродина, управляемый вход которого подключен к выходу элемента перестройки частоты, выход пер- вого преобразователя частоты через последовательно соединенные первый фильтр нижних частот, первый усилитель-ограничитель и второй фильтр лижних частот подключен к другому входу фазового детектора, выход второго преобразователя частоты через последовательно соединенные третий фильтр нижних частот, второй усилитель-ограничитель и четвертый фильтр