Устройство для измерения задержки четырехполюсников Советский патент 1991 года по МПК G01R27/28 

о VJ VJ

о VI

о

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может быть использовано при измерении фазового времени задержки четырехполюсников с ограниченной полосой пропускания и заданным пол- ным сдвигом фаз между его входным и выходным напряжениями, например, ультразвуковых линий задержки для цветного телевидения и видеомагнитофонов.

Цель изобретения- повышение точно- сти измерений путем принудительного задания частоты измерительного сигнала, при которой обеспечивается заданный полный сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями четырехполюсника, что дости- гается за счет использования измеряемого четырехполюсника в качестве элемента обратной связи одновременно двух функцио- нально организованных генераторов гармонических колебаний. При этом за счет выбора двух определенным образом расположенных генерируемых частот обеспечивается однозначное задание рабочей частоты, на которой проводятся измерения.

На фиг.1 представлена структурная схе- ма устройства; на фиг,2 - структурная схема селектора сигнала синхронизации; на фиг.З - структурная схема блока управления; на фиг.4- временные диаграммы работы блока управления; на фиг,5 - расположение воз- можных частот колебаний, генерируемых & устройстве.

Устройство для измерения задержки четырехполюсника содержит исполнительный блок 1, фазовый дискриминатор 2, первый вход которого соединен со входом измеряемого четырехполюсника 3, фильтр 4 нижних частот, входом подключенный к выходу фазового дискриминатора 2, а выходом - ко входу исполнительного блока 1, ключ 5. Кроме того, в состав устройства входят измеритель 6 временных интервалов, счетчик 7 полупериодов, выходом соединенный с первым входом измерителя 6 временных интервалов, первый перестраиваемый избирательный усилитель 8, второй перестраиваемый избирательный усилитель 9, первый делитель 10 частоты, второй делитель 11 частоты, сумматор 12, первый вход которого подключен к соединенным вместе входом счетчика 7 полупериодов, первого делителя 10 частоты и выходу первого перестраиваемого избирательного усилителя 8, второй вход соединен со входом второго делителя 11 частоты и выходом второго перестраиваемого избирательного усилителя 9, коммутатор 13, первый вход которого соединен с выходом измеряемого четырехполюсника 3 и первым входом первого перестраиваемого избирательного усилителя 8

первый выход - с первым входом второго перестраиваемого избирательного усилителя 9, а второй выход - со вторым входом фазового дискриминатора 2, блок 14 запоминания напряжения, выходом подключенный ко второму входу первого перестраиваемого избирательного усилителя 8, третий вход которого соединен со вторым входом измерителя 6 временных интервалов и выходом ключа 5, первый вход которого подключен к выходу исполнительного блока 1,блок 15 управления, перестраиваемый низкочастотный генератор 16, первый фазовый детектор 17, второй фазовый детектор 18, первые входы которых подключены к выходам, соответственно, первого 10 и второго 11 делителей частоты, соединенные вместе вторые входы - к выходу перестраиваемого низкочастотного генератора 16, входом соединенного с выходом блока 15 управления, селектор 19 сигнала синхронизации, выход которого подключен к первому входу блока 15 управления и к соединенным вместе второму входу коммутатора 13, второму входу ключа 5 и первому входу блока 14 запоминания напряжения. В состав устройства входят также второй фильтр 20 нижних частот, третий фильтр 21 нижних частот, входы которых соединены с выходами, соответственно, первого фазового детектора 17 и второго фазового детектора 18. При этом выход второго фильтра 20 нижних частот соединен со вторым входом блока 14 запоминания напряжения и первым входом селектора 19 сигнала синхронизации, выход третьего фильтра 21 нижних частот соединен со вторым входом селектора 19 сигнала синхронизации и вторым входом второго перестраиваемого избирательного усилителя 9, а второй вход блока 15 управления соединен с выходом измеряемого четырехполюсника 3, селектор 19 сигнала синхронизации содержит два канала, первый из которых образован последовательно соединенными амплитудным детектором 22 и пороговым блоком 23, второй - последовательно соединенными амплитудным детектором 24 и пороговым блоком 25 и блок 26 совпадения, первый вход которой соединен с выходом порогового блока 23, а второй вход - с выходом порогового блока 25. Вход амплитудного детектора 22 является первым входом селектора 19, вход амплитудного детектора 24 - его вторым входом, а выход блока 26 совпадения - выходом селектора 19.

Блок 15 управления содержит последовательно соединенные амплитудный детектор 27, пороговый блок 28 и формирователь 29 коротких импульсов, RS-триггер 30, счетчик 31 импульсов, генератор 32 импульсов, блок 33 совпадения и цифро-аналоговый преобразователь 34. Выход формирователя 29 соединен с S-входом триггера 30 и входом установки в начальное состояние счет- чика 31. Выход триггера 30 соединен с первым входом блока 33 совпадения, а выход генератора 32 импульсов соединен с ее вторым входом. Вход счетчика 31 соединен с выходом блока 33 совпадения.

Выходы разрядов счетчика 31 соединены с соответствующими входами цифро- аналогового преобразователя 34, выход которого является выходом блока 15, при этом R-вход триггера 30 является первым входом блока 15, а вход амплитудного детектора 27 - его вторым входом.

Блок 15 управления предназначен для управления частотой перестраиваемого НЧ генератора 16.

Устройство работает следующим образом.

Узкополосные резонансные усилители

8и 9 могут перестраиваться по частоте при изменении управляющих напряжений на управляющих входах. Управляющими входами усилителя 8 являются его второй и третий входы, причем крутизна характеристики управления по второму входу выше, чем по третьему, Управляющим входом уси- лителя 9 является его второй вход, и крутизна характеристики управления по нему такая же, как по второму входу усилителя 8.

Коэффициенты усиления усилителей 8 и

9выбираются заведомо большими, чем за- тухание измеряемого четырехполюсника.

Если усилитель 8 выполнен неинвертирующим, то усилитель 9 - инвертирующим, или наоборот, в зависимости от того, какой полный фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями четырехполюсника 3 нужно задать. Для обеспечения фазового сдвига, равного нечетному числу Д усилитель 8 должен быть инвертирующим, а четному числу П-неинвертирующим.

Селектор 19 сигнала синхронизации представляет собой блок, на выходе которого формируется сигнал логического нуля в случае наличия переменного напряжения на любом из его входов или на обоих входах одновременно и сигнал логической единицы при отсутствии переменного напряжения одновременно на обоих входах,

В исходном состоянии на выходе селектора 19 присутствует сигнал логического ну- ля, подаваемый на вторые (управляющие) входы ключа 5 и коммутатора 13.

При этом ключ 5 разомкнут, т.е. его первый вход отключен от выхода.

Измеряемый четырехполюсник 3 через сумматор 12 включен между входом и выходом усилителя 8, образуя первую систему с запаздывающей обратной связью.

Одновременно сигнал логического нуля с выхода селектора 19 устанавливает коммутатор 13 в положение, когда его первые вход и выход соединены между собой. При этом измеряемый четырехполюсник 3 через сумматор 12 и коммутатор 13 включен также между входом и выходом усилителя 9, образуя вторую систему с запаздывающей обратной связью.

При высоком коэффициенте усиления усилителя 8, в первой системе возникнут гармонические колебания.

Аналогично, при высоком коэффициенте усиления усилителя 9 колебания возникнут во второй системе. Таким образом, первая система с запаздывающей обратной связью, образованная усилителем 8, между первым входом и выходом которого через сумматор 12 включен измеряемый четырехполюсник 3, функционально образует первый генератор гармонических колебаний,

Вторая система с запаздывающей обратной связью, образованной усилителем 9, между первым входом и выходом которого через сумматор 12 и коммутатор 13 включен измеряемый четырехполюсник 3, функционально образует второй генератор гармонических колебаний.

Рассмотрим работу устройства, когда усилитель 8 - неинвертирующий, а усилитель 9 - инвертирующий. В этом случае в первом генераторе возникают колебания вблизи одной из. частот, определяемой соотношением

ft

(2k-1)n;k 1,2,3....

О)

где г-задержка четырехполюсника.

Во втором генераторе возникают колебания на одной из частот, определяемой соотношением

Шп

2пП

п 1,2,3

(2)

В числителях выражений (1) и (2) стоят полные фазовые сдвиги в цепях запаздывающей обратной связи, при которых выполняются условия баланса фаз в первом и втором генераторах.

Изменяя частоты настройки усилителей 8 и 9, путем изменения напряжений на их вторых (управляющих входах) можно выбрать любые возможные частоты генерации, лежащие в пределах полосы перестройки этих усилителей, а следовательно, и любые полные фазовые сдвиги в цепи запаздывающей обратной связи, соответствующие этим частотам. Для установки заданного полного фазового сдвига коэффициент деления первого делителя 10 частоты выбирается равным (2к-1), а второго делителя 11 частоты равным (2к-1)(к-1).

В этом случае частота колебаний после делителя 10 равна

а

(Ok

2k -1

(3)

а после делителя 11

Qi

(On

2(k-1)

(4)

Выбор значения К определяется необходимым полным фазовым сдвигом между напряжениями на входе и выходе измеряемого четерехполюсника 3, т.е. в цепи запаз- дывающей обратной связи первого генератора. Например, для ультразвуковых линий задержки цветного телевидения должно выполняться соотношение р 283,5 2П. Откуда (2к-1)567 и .

Для автоматической настройки первосо генератора на частоту, соответствующую заданному полному фазовому сдвигу между напряжениями на входе и выходе измеряемого четырехполюсника 3, служат две системы автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Первая из них образована перестраиваемым генератором 16, первым фазовым детектором 17, делителем 10 частоты и вторым фильтром 20 нижних частот, выходное напряжение которого через блок 14 запомина- ния напряжения управляет частотой настройки усилителя 8.

Вторая система ФАПЧ образована перестраиваемым генератором 16, вторым фазовым детектором 18, делителем 11 частоты и третьим фильтром 21 нижних частот.

Настройка первого генератора на рабочую частоту происходит следующим образом. После подключения четырехполюсника 3 в первом и втором генераторах возникают колебания. На выходе измеряемого четырехполюсника 3 появляется высокочастотное напряжение (фиг.4а), которое подается на второй вход блока 15. На выходе амплитудного детектора 27, входящего в состав блока 15 управления, выделяется постоянное напряжение (фиг.4в), вызывающее срабатывание порогового блока 28 (фиг.4г). В момент его срабатывания формирователь

29 выдает короткий импульс (фиг.4д), устанавливающий триггер 30 в единичное состояние (фиг.4е), а счетчик 31 в начальное состояние. При этом сигналом с выхода триггера 30 открывается блок 33 совпадения и импульсы с выхода генератора 32 (фиг.4ж) поступают на вход счетчика 31 (фиг.4и). Ступенчатое пилообразное напряжение с выхода цифро-аналогового преобразователя 34

(фиг.4к), пропорциональное состоянию счетчика 31, осуществляет перестройку частоты генератора 16.

Перестройка осуществляется до наступления захвата одновременно в обоих системах ФАПЧ. Момент наступления захвата фиксирует селектор 19 сигнала синхронизации. При отсутствии захвата в любой из систем ФАПЧ или в обоих системах на одном или обоих входах селектора 19 присутствует

переменное напряжение.

При этом срабатывает пороговый блок 23 и 25 того же канала, на входе которого присутствует переменное напряжение, или оба пороговых устройства, Уровни логического нуля закрывают блок 26 совпадения, и на ее выходе присутствует уровень логического нуля.

При отсутствии переменного напряжения одновременно на обоих входах селектора 19 на выходах пороговых блоков 23 и 25 устанавливается уровень логической единицы. При этом на выходе блока 26 совпадения, а следовательно, и на выходе селектора 19 установится уровень логической единицы. Этот уровень подается на первый вход блока 15 управления (фиг.4б), вызывая установку триггера 30 в нулевое состояние и прекращения счета импульсов генератора 32 счетчиком 31. При этом на выходе блока

управление фиксируется постоянное напряжение, обеспечивающее настройку генератора 16 на частоту Q , при которой одновременно выполняются равенства.

а а

Qi Of а, следовательно,и

QC Q,

из которого, в свою очередь, вытекает (5)

Шаг перестройки генератора 16 выбирается меньшим половины ширины захвата систем ФАПЧ,

Расположение возможных частот генерации в первом генераторе показано на фиг.ба, а во втором генераторе - на фиг,56.

На фиг.Бв и 5г показано расположение возможных частот генерации в первом и втором генераторах соответственно, для случая, когда величина измеряемой задержки в три раза больше, чем для случая, изображенного на фиг,5а,б. При этом

возможные частоты tti , ah, генерации во втором случае совпадают с возможными частотами генерации Ok , (Up и в первом случае. Аналогичная картина наблюдается для

всех значений задержки т , удовлетворяющих соотношению.

Т1 3(2m -1)r, m 1,2,3. . .

Следовательно, не обеспечивается возможность различения фазовых сдвигов, определяемых соотношением.

р 3(2т- 1)П, гл 1.2. 3. . .

при различных значениях т.

Для устранения этой неоднозначности начальная частота генератора 16 выбирается из условия.

Q

2П

мин

(6)

где Тмин - минимальная возможная задержка измеряемого четырехполюсника, и его перестройка осуществляется от этого значения в сторону низких частот.

Выполнение равенства (6) обеспечивается выбором начального состояния счетчика 31, входящего в состав блока 15 управления.

Таким образом, по сигналу логической единицы с выхода селектора 19 блок 15 прекращает перестройку частоты генератора 16. Этот же сигнал переключает коммутатор 13 в положение, когда второй вход фазового дискриминатора 2 соединен с выходом измеряемого четерехполюсника 3. При этом цепь второго генератора разрывается и колебания в нем прекращаются. Этот же сигнал обеспечивает запоминание выходного напряжения фильтра 20 в блоке 14. При сигнале логического нуля на управляющем входе блока 14 происходит трансляция сигнала с его входа на выход. При появлении сигнала логической единицы на первом входе блока 14 он осуществляет запоминание мгновенного значения входного сигнала и

0

5

0

подачу этого напряжения на второй вход усилителя 8, обеспечивая фиксацию его настройки на нужной частоте.

Сигналом логической единицы с селектора 19 замыкается также ключ 5, обеспечивая подключение выхода исполнительного блока 1 к третьему входу усилителя 8 и второму входу измерителя 6. На этом заканчивается первый этап работы устройства, результатом которого является настройка первого генератора на частоту, при которой обеспечивается заданное коэффициентом деления делителя 10 частоты число полных полупериодов, равное (2к-1), колебаний измерительной частоты в результирующем сдвиге фаз между входным и выходным напряжениями четырехполюсника. При этом, из-за наличия паразитного фа- зового сдвига в тракте первого генератора и конечной ширины зоны генерации, частота колебаний в нем определяется выражением

и

(2k -1)П + Ду т

(7)

Для точного выполнения соотношения (1) необходимо обеспечить Дуэ 0. Для этого служит фазовый дискриманатор 2, второй

вход которого через коммутатор 13 подключен к выходу измеряемого четырехполюсника 3. Фазовый дискриминатор 2 совместно включенным параллельно ему измеряемым четырехполюсником 3 функционально образуют частотный дискриминатор, а вся система компенсации остаточного фазового сдвигз представляет собой систему частотной автоподстройки частоты. Выходное напряжение фазового дискриминатора 2

через фильтр 4, исполнительный блок 1 и замкнутый ключ 5 осуществляет подстройку по частоте усилителя 8, приводя частоту генерируемых в первом генераторе колебаний к значению, при котором Лу 0.

Свойственная такой системе статистическая ошибка устраняется при выполнении исполнительного блока 1 в виде интегратора. После вхождения системы автоподстройки в захват осуществляется запуск по

второму входу измерителя 6 временных интервалов. На его первый вход поступает последовательность импульсов с выхода счетчика 7 полупериодов. Определенный измерителем 6 период следования этих импульсов

T (2k-1)-|,

(8)

где t - период высокочастотных колебаний первого генератора равен искомому времени задержки т.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения задержки четырехполюсников, содержащее исполнительный блок, фазовый дискриминатор, первый вход которого соединен с входом измеряемого четырехпоюсника, фильтр нижних частот, вход которого подключен к выходу фазового дискриминатора, а выход - к входу исполнительного блока, и ключ, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем задания частоты измерительного сигнала, при которой обеспечивается заданный полный сдвиг фаз между входным и выходным на- пряжениями четехполюсника, в него введены последовательно соединенные первый избирательный усилитель, первый делитель частоты, первый фазовый детектор, первый фильтр низких частот и селектор сигнала синхронизации, последовательно соединенные коммутатор, второй избирательный усилитель, второй делитель частоты, второй фазовый детектор и второй фильтр нижних частот, счетчик полупериодов, измеритель временных интервалов, сумматор, блок запоминания напряжения, блок управления и перестраиваемый низкочастотный генератор, выход которого подключен к вторым входам соответственно первого и второго фазовых детекторов, а вход- к выходу блока управления, первый вход которого подключен к выходу селектора сигнала синхронизации и управляющим входам коммутатора, ключа и блока запоминания напряжения, а второй вход - к выходу измеряемого четырехполюсника и входам коммутатора и первого избирательного усилителя, второй вход которого подключен к выходу ключа и первому входу измерителя временных интервалов, а третий вход - к выходу блока запоминания напряжения, второй вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, причем выход первого избирательного усилителя подключен к входу счетчика полупериодов и первому входу сумматора, выход которого подключен к входу фазового дискриминатора, а второй вход - к выходу первого избирательного усилителя, второй вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот и вторым входом селектора сигнала синхронизации, при этом выход счетчика полупериодов подключен к второму входу измерителя временных интервалов.

2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что селектор сигнала синхронизации содержит последовательно соединенные первый амплитудный детектор, первый пороговый блок и блок совпадения, к второму входу которого подключены последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй пороговый блок, причем входами селектора сигнала синхронизации являются входы амплитудных детекторов, а выходом - выход блока совпадения.

/

Изобретение может быть использовано при измерении фазового времени задержки четырехполюсников с ограниченной полосой пропускания и заданным полным сдвигом фаз между его входным и выходным напряжениями, например ультразвуковых линий задержки. Цель изобретения - повышение точности - достигается путем принудительного задания частоты измерительного сигнала, при котором обеспечивается заданный полный сдвиг фаз между входными и выходным напряжениями четырехполюсника. При этом используют измеряемый четы- рехполюснмк 3 в качестве элемента обратной связи одновременно двух функционально организованных генераторов гармонических колебаний. В устройство дополнительно введены коммутатор 13, первый 8 и второй 9 избирательные усилители, первый 10 и второй 11 делители частоты, первый 17 и второй 18 фазовые детекторы, второй 20 и третий 21 фильтры нижних частот, селектор 19 сигнала синхронизации, блок 15 управления, перестраиваемый генератор 16 низкой частоты, сумматор 12, блок 14 запоминания напряжения, счетчик 7 полупериодов и измеритель 6 временных интервалов. 1 з.п.ф-лы, 5 ил. сл с

фиг. 2

, -5

«)

-ft1

шл

41

J

Uoy

a«

S