Способ определения параметров полосового фильтра Советский патент 1991 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для определения полосы пропускания и степени асимметрии полосы прозрачности относительно центральной частоты при производстве телевизионной и приемопередающей техники, анализаторов спектра, анализаторов гармоник, антенных и селективных усилителей, кварцевых резонаторов и т.д.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем использования а полосе прозрачности фазочастотной характеристики, а также расширение функциональных возможностей, заключающееся в измерении относительной асимметрии полосы пропускания фильтра и его добротности. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого

способа; на фиг; 2 - эпюры напряжения, поясняющие способ измерения.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 перестраиваемые генераторы, выходы которых через переключатель 3 подключены к входу контролируемого фильтра 4, к выходу которого подключены цифровые фазометр 5 и вольтметр 6. К выходам первого 1 и второго 2 генераторов подключены также дифференциальный частотомер 7 и смеситель 8, выход которого через фильтр 9 верхних частот и делитель 10 частоты на два подключен к входу цифрового частотомера 11.

На полосовой фильтр разновременно воздействуют разночастотными тестовыми сигналами

Ul(t) VmSlnft r1t(1)

U2(t) VmSln Ј0т2 t(2)

где Uh и - частоты тестовых сигналов с одинаковыми амплитудами Vmi Vm2 Vm и нулевыми фазовыми сдвигами.

Устанавливают частоты тестовых сигналов (1) и (2) такими, чтобы фазовые сдвиги р и р2, вносимые полосовым фильтром, имели соответственно положительное и отрицательное значения в пределах полосы прозрачности 2Q

Выходные сигналы полосового фильтра описываются выражениями;

U3(t) KiVmsln ( t + fa )

(3)

U/l(t) K2VmSin ( Wr2 t - )(4)

где KI и «2 - коэффициенты передачи фильтра на частотах и ( соответственно;

Ч и pi - вносимые фазовые сдвиги на частотах и UH2

Измеряют и запоминают амплитудные значения первого и второго выходных сигналов (3) и (4) фильтра (фиг. 2а), а также значения вносимых фазовых сдвигов р и (р2. В результате получают:

Vi KiVm;(5)

V2 K2Vm;(6)

(7)

-V4 K(-pz).(8)

Сравнивают амплитудные значения (5) и (б) первого и второго выходных сигналов (3) и (4) полосового фильтра с амплитудным значением Vm тестовых сигналов, т.е. определяют неравенства

Vi Vm(9)

V2 Vm(Ю)

При Vi Vm увеличивают частоту первого тестового сигнала, а при V2 Vm умень

5 0

5

0

ц

0

5

0

5

0

5

шают частоту второго тестового сигнала. Изменения осуществляют до значений Vi Vm и V2 Vm.

Сравнивают по модулю значения фазовых сдвигов, вносимых полосовым фильтром в первый и второй тестовые сигналы, так как определяют неравенство V3 I - V I .

Подстраивают частоту 0)г2 у второго тестового сигнала (2) до значения сиз, т.е. (фиг. 2а), при котором выполняется равенство

V3 l-V4l(12)

или

ф I I .(13)

Второй выходной сигнал полосового фильтра в этом случае описывается выражением

Us(t) KsVmsIn (), (14) где рз отрицательный фазовый сдвиг, вносимый полосовым фильтром во второй тестовый сигнал на частоте Шз (фиг. 2 а.б);

Кз - коэффициент передачи полосового фильтра на частоте шз .

Повторно измеряют амплитудное значение второго выходного сигнала (14) полосового фильтра, В результате получают .(15)

Сравнивают амплитудные значения тестовых сигналов (1) и (14), т.е. решают неравенство

V52;Vi.(16)

При Vs т Vi изменяют частоту второго тестового сигнала до значения шл (фиг. 2а), при котором достигается равенство амплитуд. В этом случае второй выходной тестовый сигнал описывается выражением

Ue(t) KiVmsln (ом t -(рк ) , (17) где вносимый фазовый сдвиг на частоте ом;

Ki - коэффициент передачи полосового фильтра на частоте од.

Измеряют и запоминают значение фазового сдвига pt на частоте ом:

-Л/е -Кр4(18)

Определяют и запоминают полусумму фазовых сдвигов р и тестовых сигналов (3) и (17) (фиг. 26), т.е. Д Vi 0,5(Vi - V6) - 0,5K (р - р ) К Др1.

(19)

Полученное значение (19) или (20) разности фазовых сдвигов представляет собой смещение фазочастотной характеристики вдоль оси ординат параллельно самой себе, Это обусловлено отклонением реактивных элементов активных и пассивных цепей полосового фильтра от номинальных эначений. В результатефазочастотная характеристика не переходит через нуль на центральной частоте полосового фильтра.

Значение (19) (или (20)) смещения фазо- частотной характеристики используется для высокоточного определения центральной частоты полосового фильтра.

Затем измеряют разность частот тестовых сигналов

AGM Ы4 ,(20)

уменьшают ее в четыре раза и полученный результат

До) 0,25 (ад -0)1 ) (21) запоминают.

Увеличивают и уменьшают, соответственно, частоты СУП и первого и второго тестовых сигналов на запомненное значение (21).

При разновременной подаче смещенных по частоте тестовых сигналов на полосовой фильтр на его выходе получают сигналы

UXt) KWmSln ( 0)5t + ) ; (22)

U8(t) K5Vmsin(aJ6t-p6), (23) где ад UHI + А ОБ ftto - Aft)- частоты первого и второго тестовых сигналов;

К у и Kj - коэффициенты передачи полосового фильтра на частотах соответственно:

рь и ръ вносимые фазбвые сдвиги на частотах ад и (фиг. 2 а, б).

Повторно измеряют и запоминают фазовые сдвиги сигналов (23) и (24) на установленных частотах ftЈ и ftfc тестовых сигналов. В результате получают (фиг. 26): V К (24)

-V8 К рб (25)

Определяют полусумму полученных фазовых сдвигов, т.е.

AV2 0,5(V7 - Ve) - 0.5К (ps - ) К ,

(26)

которую сравнивают с предыдущей полусуммой (19), т.е. решают неравенство (27)

Подстраивают частоту второго тестового сигнала в направлении их равенства, т.е. до AV2 AVi

Допустим, что это обеспечивается при частоте wi второго тестового сигнала. На частоте (in полосовой фильтр вносит в тестовый сигнал фазовый сдвиг (fn . В этом случае выходной сигнал полосового фильтра описывается выражением

Ug(t) K6Vmsin( (т t - pj ) ,(28)

где Кб - коэффициент передачи полосового фильтра на частоте an.

Измеряют значение вносимого фазового сдвига - pi, В результате получают (фиг. 2 б)

0

5

-V9 -К yn .(29)

Вновь определяют полусумму фазовых сдвигов 5

,5(V7-V9)0,5K() KAp3. (30) Необходимая количество аналогичных тактов итерации проводят до момента равенства полусумм фазовых сдвигов первого и второго выходных сигналов полосового фильтра. Допустим, что на частоте atj (фиг. 2 а) обеспечивается равенство полусумм фазовых сдвигов, т.е.

(31)

Фактическое число тактов итерации устанавливают в зависимости от допустимой погрешности сравнения полусумм фазовых

СДВИГОВ.

Измеряют значения частот ом 0)5 и ah2-ot первого и второго тестовых сигналов

Ni (32)

N2 S an ,(33)

где S - крутизна преобразования.

По полусумме значений (32) и (33) частот тестовых сигналов судят о значении центральной частоты полосового фильтра (фиг. 2 а), т.е.

No Safe 0,5(Ni + N2) 0,5S(ft)5 +0)7). (34)

После измерения центральной частоты йАэ полосового фильтра уменьшают и увеличивают частоты и первого и второго тестовых сигналов путем, например, уменьшения значения рассройки Да) частоты генераторов тестовых сигналов. Контролируют фазовые сдвиги, вносимые полосовым фильтром в каждый из тестовых сигналов.

При смещенной на (выражения (19) и (31)) относительно оси абсцисс фазочастот- ной характеристике полосового фильтра изменения частот ом тестовых сигналов проводят до момента достижения фазовых 5 сдвигов значений fi- 45° + и

- ipa - 45° Ч- соответственно. Допустим что это обеспечивается при ом и ftЈ (фиг. 2). Тогда выходные сигналы полосового фильтра примут вид:

Uio(t) - K Vmsin (uJe t + 45° + ) ; (35)

5

0

5

0

5

0

0

Un(t) K8VmSln(ЈOgt-45° +Ду91), (36) где К и KB - коэффициенты передачи полосового фильтра на частотах GM УВ и

Шг2 Ю9 .

При симметричной АЧХ К Кв. если ,а .

При несмещенной фазочастотной характеристике, т.е. при 0, изменение частот тестовых сигналов (1) и (2) проводят до момента достижения соответственно положительного и отрицательного 45-градус- ных фазовых сдвигов между входным и выходным тестовыми сигналами. При 0 тестовые сигналы на выходе полосового фильтра описываются выражениями:

Uio (t) KyVmSln {ojet + 45°); (37)

U n (t) KeVmSln (oJ9t-45°), (38) где

pn I I 45° arctg (2 ± Q3) ,

(39) где 2 А- полоса прозрачности;

ftfe- центральная частота;

Q3 - эквивалентная добротность полосового фильтра.

Как и в предыдущем случае (при Дул Ј 0) условие (39) обеспечивается на частотах сов б«о -Аи йй 0о +А . Измеряют значения частот ая - 0% и юг2 Уэ первого и второго тестовых сигналов, соответствующие указанным значениям фазово- го сдвига. В результате измерений получают Ns - S WM S зд (40) N4 SftJg (41) где S - крутизна преобразования частоты.

Ширину полосы прозрачности 2А и ее относительную асимметрию 5f определяют по выражениям

2 NA 2 SA N4-N3 S(o) -SCftV-ftV1),(42)

5f xMoO%

(No-N3)-(N4-No)

N4 - N3

.,00% -.

5(()-5(й г2 -ть) .

5(о г2 -й гГ)

100 %

-()-(-«). 100%. (43)

0)9 -ftJB

rfleN5°N0-N3 (ол.); Ne N4 5( -ok).

При S 1 выражение (42) принимает вид:

1 1 (09 -О. (44)

По полученным результатам измерения ширины полосы прозрачности (42) или (44) и центральной частоты о (34) может быть

определена эквивалентная добротность полосового фильтра из выражения (39). Так как tg45° 1,TO

(45)

откуда

Q

(Оо 0,5((И5 +а) ,.,кч 2А «иэ-зд (46)

Работа устройства для реализации предлагаемого способа заключается в следующем.

Трехполюсный переключатель 3 устанавливают в положение, указанное на фиг. 1, В результате на вход контролируемого фильтра 4 поступает первый тестовый сигнал (1), частота ft/Ti которого устанавливается

равной Ш1 в пределах полосы прозрачности фильтра (фиг. 2). Одновременно этот сигнал поступает и на первый вход цифрового фазометра 5. На второй вход цифрового фазометра 5 поступает выходной сигнал (2) контролируемого фильтра 4. Этот сигнал поступает также на вход цифрового вольтметра 6 (фиг. 2).

С помощью цифрового фазометра 5 измеряют значение фазового сдвига pi, вносимого полосовым фильтром 4 в первый тестовый сигнал (1) на частоте Шт - аи. Результат измерения запоминают. С помощью цифрового фазометра 6 измеряют амплитудное значение (3) первого выходного сигнала полосового фильтра 4.

Затем трехполюсный переключатель 3 устанавливают в положение, противоположное показанному на фиг. 2. Устанавливают частоту второго генератора 2 равной Ыг2 uJ2 (фиг. 2). В результате на вход полосового фильтра 4 и первый вход цифрового фазометра 5 поступает второй тестовый сигнал (2). На выходе полосового фильтра 4 появляется второй выходной сигнал (4).

С помощью цифрового фазометра 5 измеряют значение фазового сдвига, вносимого полосовым фильтром 5 во второй тестовый сигнал. Результат измерения (8) запоминают, а затем сравнивают по модулю со значением (7) фазового сдвига первого тестового сигнала.

Затем подстраивают частоту выходного сигнала генератора 2 до значения оз, при котором обеспечивается равенство (12) модулей фазовых сдвигов. В результате на выходе полосового фильтра 4

появляется второй выходной сигнал, описываемый выражением (14). С помощью цифрового вольтметра 6 измеряют амплитудное значение сигнала (14). Результат измерения (15) запоминают, а затем сравнивают с амплитудным значением (5) первого выходного сигнала контролируемого полосового фильтра 4.

Изменяют полосу выходного сигнала генератора 2 до значения аь ом , при котором выполняется равенство амплитуд, т.е. Vs VL В этом случае выходной сигнал контролируемого фильтра описывается выражением (17). С помощью цифрового фазометра 5 измеряют значение фазового сдвига, вносимое полосовым фильтром на частоте (ОА . Результат измерения (18) запоминают. Определяют и запоминают полусумму (19) фазовых сдвигов первого и второго выходных сигналов (3) и (17), Затем с помощью дифференциального частотомера 7 измеряют разность частот тестовых сигналов (1) и (17), результат (20) уменьшают в четыре раза и запоминают. Увеличивают частоту выходного сигнала генератора 1 на запомненное значение (21), а частоту выходного сигнала генератора 2 уменьшают на это значение (21), В результате получают первый и второй тестовые сигналы с частотами од и сов.

Переводят трехполюсный переключатель 3 в исходное положение, указанное на фиг. 1. В результате на вход полосового фильтра 4 и первый вход фазометра 5 с выхода генератора 1 поступает первый тестовый сигнал, а с выхода полосового фильтра 4 на вход цифрового вольтметра 6 и второй вход цифрового фазометра 5 поступает тестовый сигнал (22). С помощью цифрового фазометра 5 измеряют фазовый сдвиг р5, вносимый полосовым фильтром 4 в первый тестовый сигнал на частоте од. Результат измерения (24) запоминают,

Затем переводят трехполюсный переключатель 3 в положение, противоположное указанному на фиг. 1, и измеряют фазовый сдвиг, вносимый полосовым фильтром 4 во второй тестовый сигнал на частоте Шв. Результат измерения (25) запоминают. Определяют полусумму (26) полученных фазовых сдвигов тестовых сигналов, которую сравнивают с предыдущей полусуммой (19) фазовых сдвигов. При их неравенстве (27) подстраивают частоту выходного сигнала генератора 2 в направлении их равенства, которое обеспечивается на частоте второго тестового сигнала (28), равной an , т.е. ( - ип.

Измеренное с помощью цифрового фазометра 5 значение (29) фазового сигнала, вносимое контролируемым полосовым фильтром 4 во второй тестовый сигнал на

частоте юг, в этом случае равно-ут, при котором обеспечивается равенство (31) полусумм (19) и (30) фазовых сдвигов.

О значении центральной частоты фильтра судят по полусумме (34) частот

од и otj первого и второго тестовых сигналов по показанию цифрового частотомера 11. Последний подключен к выходу смесителя 8 через делитель 10 частоты на два и фильтр 9 верхних частот.

Поскольку на входы смесителя 8 поступают в конечном счете тестовые сигналы с частотами од и ип, то на выходе смесителя 8 появляются сигналы с частотами оди ал + од(47)

и

(Do. (# -ОД(48)

С помощью фильтра 9 верхних частот выделяется сигнал с частотой (47). С помощью делителя 10 частоты этот сигнал делится на два.

Частота выходного сигнала делителя 10 частоты измеряется с помощью цифрового частотомера 11. По полученному результату (34) судят о значении центральной частоты

(34) полосового фильтра 4.

После измерения центральной частоты (34) уменьшают частоту сот, первого тестового сигнала (1) и увеличивают частоту С0т2

второго тестового сигнала (2) путем уменьшения значения расстройки Дшэ частот генератора 1 и 2 тестовых сигналов. С помощью цифрового фазометра 5 контролируют фазовые сдвиги, вносимые полосовым

фильтром 4 в тестовые сигналы (1) и (2), поочередно подаваемые на вход полосового фильтра.

Если в процессе измерения центральной частоты полосового фильтра было

установлено, что его фазочастотная характеристика смещена на 0 параллельно оси абсцисс, то изменения частот и corj генераторов 1 и 2 тестовых сигналов проводят до момента достижения фазовых сдвигов, контролируемых фазометром 5, значений 45° +

и - -45° + соответственно. Это условие обеспечивается при установке час- тоты генератора 1 первого тестового сигнала равной 0) WQ и частоты генератора 2 второго тестового сигнала, равной ug. При Др1 0, 45° ,а - -45°.

С помощью дифференциального частотомера 7 измеряют ширину полосы прозрачности полосового фильтра 4 как разность частот и Шд тестовых сигналов. Результат измерения (42) запоминают и используют для вычисления значения относительной ассиметрии 5f полосы прозрачности полосовою фильтра 4 согласно выражения (43). Одновременно по результатам измерений значений центральной частоты (34) и ширины полосы прозрачности (43) вычисляют и эквивалентную добротность СЬ полосового фильтра согласно выражения (46). Формула изобретения 1. Способ определения параметров полосового фильтра, заключающийся в поочередном зондировании полосового фильтра первым и вторым тестовыми сигналами перестраиваемых частот, расположенных за пределами полосы прозрачности полосового фильтра, измерении амплитуд выходных сигналов полосового фильтра, подстройки значений частот тестовых сигналов до обес- равенства коэффициентов передачи указанных сигналов, измерении значений частот тестовых сигналов по установленным критериям, с последующей обработкой результатов промежуточных измерений по определенным выражениям, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, уменьшают и увеличивают частоты первого и второго тестовых сигналов соответственно, контролируют фазовые сдвиги, вносимые полосовым

0

5

0

5

0

5

фильтром в каждый из тестовых сигналов, при несмещенной фазочастотной характеристике, изменение частот тестовых сигналов проводят до момента достижения соответственно положительного и отрицательного 45-градусных фазовых сдвигов входным и выходным тестовыми сигналами, измеряют значения частот первого и второго тестовых сигналов, соответствующие указанным значениям фазового сдвига, а ширину полосы прозрачности 2А, относительную асимметрию 5f, центральную частоту Ok и добротность полосового фильтра Оэкв определяют по выражениям

2 А - ;

,

где AI - (Or} ; Да (Orz - ОАЭ ;

Шо (con + 1 )/2 ;

Оэкв А.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что при смещенной относительно абсцисс фазочастотной характеристике полосового фильтра измерения частот тестовых сигналов проводят до момента достижения фазовых сдвигов значений

р 45° + Лул и рп - 45° + соответственно, где смещение фазочастотной характеристики относительно оси абсцисс.

Изобретение может быть использовано для контроля параметров полосовых фильтров при производстве телевизионной и приемопередающей техники, анализаторов спектра, анализаторов гармоник и т.д. Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается путем использования в полосе прозрачности полосовогофильтра фазочастотной характеристики, Кроме того, расширяются функциональные возможности, заключающиеся в измерении относительной асимметрии полосы пропускания фильтра и его добротности. Вначале измеряют центральную частоту (tk и смещение Ду)1 фазочастотной характеристики полосового фильтра. Затем уменьшают и увеличивают частоты первого и второго тестовых сигналов соответственно. Контролируют фазовые сдвиги, вносимые полосовым фильтром в каждый из тестовых сигналов. При смещенной на относительно оси абсцисс фазочастотной характеристики полосового фильтра изменения частот ом и (Ofi тестовых сигналов проводят до момента достижения фазовых сдвигов значений 45° + и-да - 45° + соответственно. При несмещенной фазочастотной характеристике, т.е. при 0 , изменение частот тестовых сигналов проводят до момента достижения соответственно положительного и отрицательного 45-градусных фазовых сдвигов между входным и выходным тестовыми сигналами. Измеряют значения частот и первого и второго тестовых сигналов, соответствующие указанным значениям фазового сдвига. Ширину полосы прозрачности 2 Q и ее относительную асимметрию df определяют из математических выражений, приведенных в описании изобретения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фиг.

Щ/

Фие.2

Редактор Т.Парфенова

Составитель Н.Михалев Техред М.Моргентал

1620962

%

OJOrUmax

&

-JJЈ-WZ

Корректор М.Шароши