Устройство для измерения разности частот двух СВЧ резонаторов Советский патент 1990 года по МПК G01R27/26 

разно му закону. На выходах детекторов 6, 11 формируются импульсы, совпадающие по форме с резонансными кривыми СВЧ-резонаторов 5, 10. На выходах усилителей-формирователей 8, 13 выделяются импульсы, положение которых соответствует наибольшим по модулю

значениям крутизны резонансных характеристик. В реверсивном счетчике 19 за два периода пилообразного напряжения генератора 2 формируется число, пропорциональное разности резонансных частот СВЧ-резонаторов 5 и 10. 3 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано, например, в системах контроля свойств материалов путем помещения их в СВЧ-резонаторы. Цель изобретения - повышение точности измерения разности резонансны частот двух СВЧ-резонаторов. Устройство содержит генератор импульсов, генератор пилообразного напряжения, СВЧ-генератор, делитель мощности, измерителтный СВЧ-резистор, опорный СВЧ-резонатор, детекторы, дифференциаторы, усилители-формирователи, инвертор,триггер, индикатор. В него введены элемент совпадения, реверсивный счетчик импульсов, многоразрядный элемент совпадения, счетный триггер, первый и второй формирователи импульсов, делитель частоты импульсов, одновибратор, третий дифференциатор и первый, второй и третий переключатели. 2 ил.

Изобретение относится к радиоизг- мерительной технике и может быть использовано, например, в системах контроля свойств материалов путем помещения их в СВЧ-резонаторы.

Цель изобретения - повышение точности измерения разности резонансных частот.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения разности резонансных частот двух СВЧ- резонаторов; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы напряжений для различ- ных элементов схемы.

Устройство для измерения разности резонансных частот двух СВЧ- резонаторов содержит последовательно соединенные генератор 1 импульсов, возбуждающий генератор 2 пилообразного напряжения, СВЧ-генератор 3, к выходу которого через делитель 4 мощности подключены последовательно соединенные измерительный СВЧ-резонатор 5, первые СВЧ-детектор 6, дифференциатор 7, усилитель-формирователь 8 и автоматический переключатель 9, а также последовательно соединенные опорный СВЧ-резонатор 10, вторые СВЧ- детектор 11, дифференциатор 12, усилитель-формирователь 13 и переключатель 14. Первые выходы переключателей 9 и 14 соединены между собой с первым входом триггера 16, а вторые выходы переключателей 9 и 14 соединены между собой и через инвертор 15 с вторым входом триггера 16. К выходу триггера 16 подключены последовательно соединенные элемент 17 совпадения, третий переключатель 18, реверсивный счетчик 19 импульсов, многоразрядный элемент 20 совпадений и цифровой индикатор 21. При этом первый вход элемента 17 соединен с выходом триггера 16, второй вход - с выходом генератора 1, первый и второй выходы третьего переключателя 18 соединены соответственно с суммирующим

и вычитающим входами реверсивного счечика 19. Вход делителя 22 частоты соединен с выходом третьего дифференциатора 24, вход которого соединен с выходом генератора 2. Прямой выход счетного триггера 25 соединен с управляющим входом первого переключател 9, инверсный выход - с управляющими входами второго и третьего переключателей 14 и 18, а вход - с выходом второго формирователя 26 импульсов, вход которого соединен с входом первого формирователя 23. Выход делителя 22 соединен с управляющим входом многоразрядного элемента 20 и через одновибратор 27 с входом обнуления реверсивного счетчика 19.

Усилители-формирователи 8 и 13 содержат последовательно соединенные первый дифференциатор, компаратор и второй дифференциатор. Напряжение на выходе первого диффеоенииатора имеет нулевое значение в моменты максимума и минимума входного сигнала (фиг. За, б). На выходе компаратора формируется прямоугольный импульс, фронт и. спад которого соответствуют экстремальным точкам продифференцированного сигнала (фиг.Зв). Второй дифференциатор формирует короткие импульсы (фиг.Зг).

Устройство работает следующим образом.

Частота СВЧ-колебаний генератора 3 под действием управляющего напряжения генератора 2 изменяется по линейному закону от минимального до максимального значения частоты. В качестве генератора 2 используются последовательно соединенные счетчик импульсов и преобразователь кода в напряжение. Счетчик импульсов подсчитывает импульсы генератора 1.

При попадании частоты колебаний СВЧ-генератора 3 в полосу пропускания резонаторов 5 и 10 на выходах первого и второго СВЧ-детекторов 6 и 11 .

появляются кол околообразные импульсы, повторяющие форму резонансных кривых СВЧ-резонаторов 5 и 10 (фиг. 2а и б). Колоколообразные импульсы дифференцируются с помощью дифферен- циаторов 7 и 12 и поступают на входы усилителей-формирователей 8 и 13 (фиг.2в, г). С выходов усилителей-формирователей 8 и 3 положительные и отрицательные импульсы, привязанные к экстремальным значениям продифференцированных кривых напряжения (фиг. 2д, е), поступают на входы переключателей 9 и 14, положение которых определяется состоянием счетного триггера 25. В положении переключателей, указанном на фиг.1, на второй вход триггера 16 поступают инвертированные импульсы с выхода усилителя-формирователя 8, а на первый - непосредственно с выхода усилителя-формирователя 13. Так как триггер 16 переключается импульсами только одной полярности, например положительной, то его переключение произойдет от импульса положительной полярности, соответствующего частоте f u максимального значения продифференцированного напряжения измерительного СВЧ-резо- натора 5. Возврат триггера 16 в исходное состояние наступит от импульса отрицательной полярности, соответствующего частоте минимального значе- ния продифференцированного напряжения опорного СВЧ-резонатора 10. В результате этого на выходе триггера 16 сформируется временной интервал, пропорциональный разности частот ДЈ, f 0 - fu (фиг.2ж).

При возврате пилообразного напряжения генератора 2 к начальному зна- чению формирователем 26 из выходного напряжения дифференциатора 24 формируется короткий импульс, изменяющий состояние триггера 25. В результате изменения положения переключателей 9 и 14 на противоположное в следующий период развертки частоты СВЧ- генератора 3 триггер 16 запустится положительным импульсом с выходом усилителя-формирователя 13 и возвратится в исходное состояние отрицательным импульсом с выхода усилителя-формирователя 8. Так как положительный импульс усилителя-формирова- | теля 13 привязан к максимальному значению продифференцированного напря

0

5

0

5

0

5

0

5

0

жения опорного резонатора 10, а отрицательный импульс усилителя-формирователя 8 - к минимальному значению продифференцированного напряжения измерительного резонатора 5, то на выходе триггера 16 формируется временной интервал, пропорциональный разности частот Afг Јц - f (фиг.2з).

Выходное напряжение триггера 16 открывает элемент 17 на соответствующий интервал времени и через него проходят короткие импульсы генератора 1. При формировании временного интервала, пропорционального &f(, переключатель 18 подает импульсы на суммирующий вход реверсивного счетчика 19, а при формировании временного интервала, пропорционального ДЈ2- на вычитающий вход. В результате этого за два периода развертки частоты СВЧ-генератора 3 в реверсивном счетчике 19 накапливается количество импульсов, пропорциональное разности частотных интервалов u f, и &fg (if Af, -Uf2).

С помощью делителя 22 формируются импульсы разрешения, воздействующие на многоразрядный элемент 20. С приходом очередного импульса через два или кратное двум количество периодов развертывающего частоту СВЧ- колебаний напряжения код реверсивного счетчика 19 поступает через многоразрядный элемент 20 на регистры цифрового индикатора 21, благодаря чему регистрируется результат измерения расстройки СВЧ-резонаторов 5 и 10. При этом реверсивный счетчик 19 обнуляется импульсом, задержанным одновибратором 27 на время запоминания кода.

Установим зависимость кода, индицируемого выходным индикатором 21

устройства, от разности резонансных

i

частот измерительного и опорного

СВЧ-резонаторов 5 и 10.

Мощность СВЧ-колебаний, проходящих через резонатор, выражается соотношением

Р Е.

1

1 +

&&Е - ЈГ

fp

(1)

где Р - мощность, проходящая через резонатор при резонансной частоте fp;

Q - добротность резонатора; f - частота возбуждающих колебаний.

После дифференцирования напряжения огибающей получаем знакопеременное напряжение с двумя экстремумами, соответствующими точкам максимальной кривизны резонансной кривой на уровне 3/4 11ц и 3/4 U0 (фиг.2а, б). Най- дем вторую производную от функции (1 и приравняем ее к нулю. Полученные значения частот соответствуют максимуму и минимуму этих кривых. Для знакопеременной кривой напряжения иэме- рительного СВЧ-резонатора 5 (фиг.2в)

f f f 1 - -- --wrO 0 2Q(

(2)

f f (1 Ч- ---™-Л

ruu 2диЗГ

(3)

где Јц - резонансная частота измерительного резонатора; Qu - добротность измерительного

резонатора 5.

Соответственно для кривой напряжения опорного СВЧ-резонатора 10 (фиг. 2г)

fo - (4) fo - 2qV)s (5)

где ftf и Q - соответственно резонанс ная частота и добротность СВЧ-резонатора 10 С учетом времени развертки частоты

возбуждающих СВЧ-колебаний временные

интервалы, формируемые триггером 16,

соответственно равны

At, , mt(fi - fy); (6)

At4 miuЈ1 mt(fl| - fj), (7) -

где mi - временной масштаб, с/Гц.

Поскольку период развертки Т генератора 2 формируется делением частоты следования импульсов генератора 1, временный масштаб

Т К

Ewa«c fмин ) (8)

m

/ИаКС МЧН(faaiff /

где К -, - коэффициент деления счетчи- ка генератора 2;

F - частота следования импульсов генератора 1;

макс и

fмин соответственно максимальная и минимальная частоты перестройки СВЧ-генератора Реверсивный счетчик 19 в режиме Сложение с учетом (6) и (8) накапливает число импульсов

п, Ffit, Fm(fo - fu )

f f ° W0

V1 -

а в режиме Вычитание

па FAt2 - f )

(f (i + -J-,-,)

f ioiM-€ i«H L 2р„л|3

fo(I (9)

(10

30

Число импульсов э накапливаемых в реверсивном счетчике за два периода развертки, равно

п, - п2

-2Kj; ..

tn-±..;.

Аяаис f/wvtvi

О U

(П)

Из полученного результата (И) следует, что цифровой код5 формируемый реверсивным счетчиком 19, пропорционален разности резонансных частот измерительного СВЧ-резонатора 5 и опорного СВЧ-резонатора 10 и не зависит от нестабильности частоты импульсного генератора 3 , добротностей измерительного и опорного СВЧ-резонато- ров 5 и 105 а также уровня выходного напряжения триггера 16, Из фиг.2 следует, что даже при совпадении резонансных частот измерительного и опорного резонаторов (f u f0) триггер 16 запускается импульсами, разнесенными во времени, а в частотном масштабе э.то соответствует полосе пропускания резонатора, Это обеспечивает стат билъную работу триггера при совпадении частот (стабильный нуль) и высокоточное измерение малых разностей резонансных частот сравниваемых резонаторов.

формула изобретения

Устройство для измерения разности резонансных частот двух СВЧ- резонаторов, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, генератор пилообразного напряжения и СВЧ-генератор, выход которого соединен с входом делителя мощности, к первому выходу которого под ключены последовательно соединенные измерительный СВЧ-резонатор, первые СВЧ-детектор, дифференциатор и усилитель-формирователь, а к второму выходу - последовательно соеди- ненные опорный СВЧ-резонатор, вторые СВЧ-детектор, дифференциатор, усилитель-формирователь, а также содержащее инвертор, триггер и цифровой индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены элемент совпадения, реверсивный счетчик импульсов, многоразрядный элемент совпадения, счетный триггер, первый и второй формирователи импульсов, делитель частоты импульсов, одновибратор третий дифференциатор и первый, второй и третий переключатели, причем входы первого и второго переключате- лей соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей- формирователей, первые выходы первого и второго переключателей соединеU,

ны с первым входом триггера, вторые выходы переключателей соединены через инвертор с вторым входом триггера, выход которого соединен с первым входом элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход соединен с входом третьего переключателя, первый выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика импульсов, второй выход - с вычитающим входом реверсивного счетчика импульсов, кодовые выходы которого через многоразрядный элемент совпадения соединены с входами цифрового индикатора, при этом выход генератора пилообразного напряжения через третий дифференциатор соединен с входами первого и второго формирователей импульсов, выход второго формирователя импульсов соединен с входом счетного триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом первого переключателя, инверсный выход - с управляющими входами второго и третьего переключателей, а выход первого формирователя импульсов соединен с входом делителя частоты импульсов, выход которого соединен с управляющим входом многоразрядного элемента совпадения и через одновибратор - с входом обнуления реверсивного счетчик а импуль сов.

&

Составитель А.Смирнов Редактор С. Пекарь Техред М.Дидык

Заказ 2009

Тираж 559

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Корректор С. Шекмар

Подписное