Цифровой СВЧ-ваттметр Советский патент 1991 года по МПК G01R21/04 

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано в измерителях мощности СВЧ калориметрического типа.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового СВЧ-ваттметра; на фиг 2 - временные диаграммы, поясняющие работу цифрового СВЧ-ваттметра.

Цифровой СВЧ-ваттметр содержит отрезок 1 волновода с установленной в нем дифференциальной термопарой 2, первый компаратор 3, устройство 4 управления, коммутатор 5, первый элемент И 6, инвертор 7, второй элемент И 8, генератор 9 импульсов с управляемым запуском, ЦАП 10. суммирующий счетчик 11 с переменным коэффициентом счета, вычитающий счетчик 12 с переменным коэффициентом счета, цифровой компаратор 13, индикатор 14, подогреватель 15 термопары, второй компаратор 16, генератор 17 линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), третий элемент И 18, генератор 19 импульсов, суммирующий счетчик 20, первый 21 и второй 22 запоминающие регистры.

В отрезке 1 волновода установлена дифференциальная термопара 2, которая подключена к входу первого компаратора 3,

О 00

N3 VI

О

ю

выход которого соединен с первым входом устройства 4 управления,-с управляющим входом коммутатора 5, с вторым входом первого элемента И 6, а также через инвертор 7 с вторым входом второго элемента И 8. Первый выход устройства 4 управления подключен к управляющему входу генератора 9 импульсов с управляемым запуском, второй - к управляющему входу суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета, четвертый - к разрешающему входу вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета. Выход генератора 9 импульсов с управляемым запуском соединен с первым входом первого элемента И 6 и с первым входом второго элемента И 8. Выход первого элемента И 6 подключен к информационному входу суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета, выход которого соединен с первым входом цифрового компаратора 13 и первым входом коммутатора 5. Выход второго элемента И 8 подключен к информационному входу вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета, выход которого соединен с вторым входом цифрового компаратора 13 и вторым входом коммутатора 5. Выход цифрового компаратора 13 подключен к второму входу устройства 4 управления и к управляющему входу индикатора 14. Выход коммутатора 5 соединен с информационным входом ЦАП 10 и информационным входом индикатора 14, Выход ЦАП 10 подключен к подогревателю 15 термопары, выход термопары 2 подключен к первому входу второго компаратора 16, второй вход которого соединен с информационным выходом ГЛИН 17. Выход второго компаратора 16 подключен к первому входу третьего элемента И 18, второй вход которого соединен с выходом генератора 19 импульсов. Выход третьего элемента И 18 подключен к информационному входу суммирующего счетчика 20, гуэямой выход которого соединен с информационным входом первого запоминающего регистра 21, а инверсный -с информационным входом второго запоминающего регистра 22, выход первого запоминающего регистра 21, подключен к управляющему входу суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета, выход второго запоминающего регистра 22 соединен с управляющим входом вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета. Управляющий вход ГЛИН 17 соединен с управляющими входами суммирующего счетчика 20, первого 21 и второго 22 запоминающих регистров.

Цифровой СВЧ-ваттметр работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии мощности СВЧ в отрезке 1 волновода на вход первого компаратора 3 термоЭДС рав на нулю, генератор 9 импульсов с управляемым запуском выключен, все разряды суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета равны нулю, код на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета соответству0 ет нагреву подогревателя 15 термопары, способному компенсировать максимальную мощность СВЧ, поступающую на ваттметр, коммутатор 5 подключает выходы суммирующего счетчика 11 с переменным коэффи5 циентом счета к ЦАП 10, напряжение на выходе ЦАП 10 равно нулю, показания индикатора 14 равны нулю, на первом входе второго компаратора 16 термоЭДС равна нулю. Поскольку напряжение на выходе

0 ГЛИН 17 изменяется от-Умакс до+имакс, где 11макс - термоЭДС на первом входе второго компаратора 16, соответствующая максимальной разнице температур спаев термопары 2, то в исходном состоянии второй

5 компаратор 16 вырабатывает импульсы со скважностью 2, при этом суммирующий счетчик 20 заполняется за каждый период работы ГЛИН 17 до половины своего максимального рабочего значения, коэффициен0 ты счета суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета и вычитающего счетчика 12с переменным коэффициентом счета минимальны.

С приходом в отрезок 1 волновода изме5 ряемой мощности СВЧ на выходе дифференциальной термопары 2 появляется дермоЭДС, воздействующая на входы первого 3 и второго 16 компараторов. На выходе первого компаратора 3 происходит

0 перепад напряжения из нулевого состояния в единичное. По этому перепаду коммутатор 5 отключает выход суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета от ЦАП 10, подключает выход вычитающего

5 счетчика 12с переменным коэффициентом счета к ЦАП 10, а устройство 4 управления выдает на ЦАП 10 управляющий сигнал для преобразования поступающего на ЦАП 10 кода. Так как код на выходе вычитающего

0 счетчика 12 с переменным коэффициентом счета соответствует максимальному рабочему значению, то напряжение на выходе ЦАП 10 будет максимально и подогреватель 15 термопары начнет нагреваться до макси5 мальной температуры. По перепаду на выходе первого компаратора 3 устройства 4 управления вырабатывает сигнал на запуск генератора 9 импульсов с управляемым запуском. Импульсы с выхода генератора 9 импульсов с управляемым запуском поступают на первый вход первого элемента И 6. На второй вход первого элемента И 6 приходит сигнал единичного уровня с выхода первого компаратора 3, поэтому импульсы с первого входа проходят на выход элемен- та И 6 и начинают заполнять суммирующий счетчик с переменным коэффициентом счета. Импульсы с выхода генератора 9 импульсов с управляемым запуском не проходят через второй элемент И 8, так как на второй вход второго элемента И 8 приходит нулевой сигнал, получающийся после инвертирования инвертором 7 сигнала единичного уровня с выхода первого компаратора 3.

Временные диаграммы напряжения Ui, эквивалентного коду на выходе суммирующего счетчика 11 с переменным коэффици- ентом счета. напряжения U2, эквивалентного коду на выходе вычитающего счетчика 12с переменным коэффициен- том счета, и временные диаграммы наводимой мощности СВЧ термоЭДС Уз, приведенной к напряжению на подогревателе 15 термопары, и наводимой подогревателем 15 термопары термоЭДС Ik приведенной к напряжению на подогревателе 15 термопары, показаны на фиг. 2а.

С приходом в отрезок 1 волновода измеряемой мощности СВЧ напряжение на первом входе второго компаратора 16 ста- новится больше нуля, поэтому длительность импульсов на выходе второго компаратора 16 увеличивается по сравнению с исходным состоянием.

Временные диаграммы напряжений на первом входе второго компаратора 16 U+ и на втором входе второго компаратора 16 Li- показаны на фиг. 26. Временная диаграмма напряжения на выходе второго компаратора 16 показана на фиг. 2в.

Поскольку длительность импульсов на выходе второго компаратора 16 увеличилась, то с генератора 19 импульсов через элемент И 18 на суммирующий счетчик 20 в следующем такте работы, т.е. при следую- щем прямом ходе напряжения ГЛИН 17, поступит больше импульсов. Таким образом, суммирующий счетчик 20 заполнится до большего значения, чем в исходном состоянии. Код с прямого выхода суммирую- щего счетчика 20 через первый запоминающий регистр 21, который хранит предыдущий код во время каждого последующего такта работы суммирующего счетчика 20, поступает на управляющий вход суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета. Коэффициент счета суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета увеличивается, поэтому код на его выходе увеличивается мед ленно.

Временная диаграмма напряжения эк вивалентного коэффициенту счета суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета, показана на фиг. 2г.

С увеличением мощности, отдаваемой термопаре 2 подогревателем 15 термопары термоЭДС на первом входе второго компаратора 16 начинает уменьшаться ввиду компенсации нагрева термопары 12 от мощности СВЧ нагревом от подогревателя 15 термопары. Длительность импульсов на выходе второго компаратора 16 начинает уменьшаться, суммирующий счетчик 20 заполняется до меньшего значения, коэффициент счета суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета уменьшается, код на его выходе увеличивается быстрее.

Перед моментом точной компенсации нагрева термопары 2 от мощности СВЧ нагревом от подогревателя 15 термопары термоЭДС на первом входе второго компаратора 16 стремится к нулю, длительность импульсов с выхода второго компаратора 16 приближается к половине периода повторения, суммирующий счетчик 20 заполняется до половины своего максимального рабочего значения, коэффициент счета суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета равен минимальному рабочему значению, суммирующий счетчик 11 с переменным коэффициентом счета заполняется с максимальной скоростью.

Максимальный коэффициент счета счетчиков с переменным коэффициентом счета и частота генератора 9 импульсов с управляемым запуском выбираются таким образом, чтобы наводимая подогревателем 15 термопары термоЭДС LM, приведенная к напряжению на подогревателе 15 термопары (фиг. 2а), была больше напряжения Ui, эквивалентного коду на выходе суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета, но меньше напряжения IJ2, эквивалентного коду на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета, в любой момент времени (кроме последнего такта работы устройства).

В момент времени ti (фиг. 2а) термоЭДС, воздействующая на вход первого компаратора 3, становится меньше нуля, и на выходе первого компаратора 3 происходит перепад напряжения из единичного состояния в нулевое. По этому перепаду коммутатор 5 отключает выход вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета от ЦАП 10, подключает выход суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета

к ЦЛП 10, устройство 4 управления выдает на ЦАП 10 управляющий сигнал для преобразования поступающего на ЦАП 10 кода. Напряжение на выходе ЦАП 10 будет соответствовать коду, до которого заполнился суммирующий счетчик 11с переменным коэффициентом счета в предыдущем такте работы устройства, температура подогревателя 15 термопары начнет уменьшаться. Импульсы с выхода генератора 9 импульсов с управляемым запуском поступают на первый вход второго элемента И 8. На второй вход второго элемента И 8 приходит сигнал единичного уровня, получающийся после инвертирования инвертором7 нулевого сигнала с выхода компаратора 3, поэтому импульсы с первого входа проходят на выход второго элемента И 8 и начинают уменьшать код на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета. Импульсы с выхода генератора 9 импульсов с управляемым запуском не проходят через первый элемент И 6, так как на второй вход первого элемента И 6 приходит нулевой сигнал с выхода компаратора 3.

В момент времени ц (фиг. 2а) термо- ЭДС, воздействуя на первый вход второго компаратора 16 становится меньше нуля, длительность импульсов с выхода второго компаратора 16 становится меньше половины периода повторения, суммирующий счетчик 20 заполняется до значения, меньшего половины максимального рабочего значения. При этом код на инверсном выходе суммирующего счетчика 20 становится равным минимальному рабочему значению коэффициента счета вычитающего счетчика 12с переменным коэффициентом счета. За счет инерционности устройства термоЭДС, воздействующая на первый вход второго компаратора 16, будет некоторое время уменьшаться, хотя напряжение на подогревателе 15 термопары соответствует мощности, отдаваемой подогревателем 15 термопары, которая меньше измеряемой мощности СВЧ, поэтому код на инверсном выходе суммирующего счетчика 20 будет сначала увеличиваться, что приведет к увеличению коэффициента счета вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета, а после того как термоЭДС начнет увеличиваться, код на инверсном выходе суммирующего счетчика 20 будет уменьшаться, следовательно, начнет уменьшаться коэффициент счета вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета. Таким образом, во время превышения мощности СВЧ мощностью от подогревателя 15 термопары ввиду инерционности устройства уменьшение кода на выходе вычитающего счетчика 12с переменным коэф фициентом счета замедляется, что позволяет учесть это превышение мощности в результирующем коде. Причем, чем больше

превышение мощности СВЧ-мощностью от подогревателя 15 термопары, тем медленнее меняется код на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета..

0 Перед моментом компенсации нагрева термопары 2 от мощности СВЧ нагревом от подогревателя 15 термопары термоЭДС на первом входе второго компаратора 16 стремится к нулю, длительность импульсов с вы5 хода второго компаратора 16 приближается к половине периода повторения, суммирующий счетчик 20 заполняется до половины своего максимального рабочего значения, коэффициент счета вычитающего счетчика

0 12с переменным коэффициентом счета равен минимальному рабочему значению, код на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета уменьшается с максимальной скоростью.

5 В момент времени tz (фиг. 2а) термоЭДС, воздействующая на вход первого компаратора 3, становится больше нуля и на выходе первого компаратора 3 происходит перепад напряжения из нулевого состояния

0 в единичное. По этому перепаду коммутатор 5 отключает выход суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета от ЦАП 10, подключает выход вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом

5 счета к ЦАП 10, устройство 4 управления выдает на ЦАП 10 управляющий сигнал для преобразования поступающего на ЦАП 10 кода. Далее процессы в цифровом СВЧ-ват- тметре повторяются.

0 Последний такт работы цифрового СВЧ- ваттметра начинается после достижения одним из счетчиков (безразлично каким) с переменным коэффициентом счета кода, равного измеряемой мощности СВЧ. При

5 этом происходит последний перепад напряжения на выходе компаратора 3 и код на выходе счетчика, значение которого еще не достигло измеряемой мощности СВЧ,приближается к коду уже установившегося счет0 чика с переменным коэффициентом счета. В момент равенства кодов на выходах суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета и вычитающего счетчика 12с переменным коэффициентом счета сра5 батывает цифровой компаратор, 13. Сигнал с выхода цифрового компаратора 13 поступает на управляющий вход индикатора 14 и разрешает индикацию кода измеренной мощности, поступающего на информационные входы индикатора 14 через коммутатор

5 en счетчика, подключавшегося к ЦАП 10 в последний раз. Сигнал с выхода цифрового компаратора 13 поступает на устройство 4 управления, которое после запоминания индикатором 14 значения измеренной мощности выключает генератор 9 импульсов с управляемым запуском, обнуляет суммирующий счетчик 11 с переменным коэффициентом счета, заполняет исходным кодом вычитающий счетчик 12 с переменным коэффициентом счета, устанавливает коммутатор 6 в положение, подключающее суммирующий счетчик 11с переменным коэффициентом счета к ЦАП 10, устройство 4 управления выдает на ЦАП 10 управляющий сигнал для преобразования поступающего на ЦАП 10 кода.

Частота FI генератора 9 импульсов с управляемым запуском выбирается из условия

Fi

LMHH 100 % tycr М

где L-мин - минимальное значение коэффициента счета счетчиков с переменным коэффициентом счета;

tycr - максимальное время установления переходных процессов в ваттметре;

М - точность измерения в процентах.

Частота Fa ГЛИН 17 выбирается равной частоте генератора 9 импульсов с управляемым запуском Fa FL Частота Рз генератора 19 выбирается равной

F3 Вмакс FI,

где Вмакс - количество импульсов, необходимых для заполнения суммирующего счетчика 20 полностью.

Так как при работе вычитающего счетчика 12с переменным коэффициентом счета на суммирующий счетчик 20 поступает от нуля до 0,5 Вмакс импульсов за один период частоты ГЛИН 17, а при работе суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета на суммирующий счетчик 20 поступает от 0,5 Вмакс до Вмакс импульсов, то старший разряд двоичного кода на выходе суммирующего счетчика 20 можно не использовать, что приведет к увеличению отношения максимального значения коэффициента счета l-макс счетчиков с переменным коэффициентом счета к минимальному LMHH, а следовательно, позволяет уменьшить минимальное время ДТ между двумя изменениями кода на выхода работающего счетчика с переменным коэффициентом

0

счета, что приведет к увеличению г петро действия СВЧ-ваттметра

Изменение кода на единицу и л выходе суммирующего счетчика 11 с переменным коэффициентом счета или на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета приводит к уменьшению участка мощности, в котором находится измеряемая мощность, на величину

ЛР

макс

М

100 %

где Рмакс максимальная мощность, измеряемая ваттметром.

Таким образом, для уменьшения этого участка от Рмакс до нуля, т.е. для измерения мощности СВЧ, необходимо

м Рмакс

N--A F100%1W

измерений на выходах счетчиков.

Минимальное время между двумя изменениями кода на выходе счетчика определяется выражением

30

м

100%

Нахождение измеряемой мощности СВЧ в любой точке от нуля до Рмакс равновероятно, поэтому целесообразно принять для расчетов измеряемую мощность равной

D макс г измо-

Момент времени ti (фиг. 2а), во время которого в первый раз происходит точная компенсация мощности СВЧ мощностью от подогревателя 15 термопары, может с равной вероятностью находиться в любой точке интервала от нуля до tyc., поэтому целесообразно считать

Ґ

В интервале времени от нуля до ti коэффициент счета суммирующего счетчика 11с переменным коэффициентом счета изменяется от максимального значения до минимального Цшн. Среднее значение коэффициента счета

, l-макс LMHH Lcpj

Таким образом, за время от нуля до ti код на выходе суммирующего счетчика 11 с

переменным коэффициентом счета изменится на

100 % LM.

AT

Up

LMHH

М -(L,

макс

-мин

ед

Поскольку при приведенном способе измерения мощности СВЧ характеристики переходных процессов в системе имеют вид затухающих колебаний, то целесообразно предположить, что с каждым новым полупериодом колебаний среднее значение коэффициента счета работающего счетчика с переменным коэффициентом счета будет меньше предыдущего значения в 2 раза (пока Up. не станет равным LMHH.), а время работы счетчика в такте в 2 раза меньше времени работы предыдущего счетчика (кроме последнего такта работы устройства).

Таким образом, за время от ц до ta(t2 - ti 0,5ti) среднее значение коэффициента счета составит Lcpi 0,5 , и код на выходе вычитающего счетчика 12 с переменным коэффициентом счета изменится на

N2 t2

t1

ATUp1

-мин

100 % LMHH М О-макс LMHH)

N1 ед

Среднее значение коэффициента счета достигнет минимального значения СМин за п тактов работы, где п определяется из выражения

log 2

Lwanc LMHH )

-мин

I

- 1

Начиная с (п + 1}-го такта работы среднее значение коэффициента счета будет равно минимальному LMHH. Время установления переходных процессов в ваттметре определяется выражением

(N-nNO+tycr- Jj -7

, f LMaKc (n + 1) LMHH

- tycr Ij |

1l-макс L-МИН

Все электронные узлы цифрового СВЧ- ваттметра, кроме термопары 2, индикатора 14 и подогревателя 15 термопары, могут быть выполнены на интегральных микросхемах (ИМС). Первый компаратор 3 и второй компаратор 16 выполнены на базе ИМС K52ICAI, коммутатор 5 - на базе ИМС К155ЛР1 и К155ЛА1, первый 6, второй 8 и

третий 18элементы И и инвертор 8-на ИМС К155ЛАЗ, генератор 9 импульсов с управляемым запуском и генератор 19 импульсов - на базе ИМС К155ЛАЗ и К155ИЕ1, ЦАП 10 - на базе ИМС КР572ПА1А, суммирующий 11

и вычитывающий 12 счетчики с переменным коэффициентом счета - на ИМС К155ИЕ7 и КЦ55ИЕ8. Цифровой компаратор 13 - на базе ИМС К555СП1, индикатор 14 - на базе ИМС 155 серии и газоразрядных индикатоpax ИН 12А, ГЛИН 17 - на базе ИМС К1401УД2 и K52ICAI, суммирующий счетчик 20 - на ИМС К155ИЕ5, К155ЛАЗ, К155ЛЛ1 и К155ЛА1, первый 21 и второй 22 запоминающие регистры - на базе ИМС К155РП1.

Устройство 4 управления состоит из схемы формирования импульсов по фронту и срезу входного сигнала (для управления ЦАП 10), выполненной на ИМС К155ЛАЗ и К155ЛР1, схемы временной задержки (для

управления суммирующим 11 и вычитающим 12 счетчиками с переменным коэффициентом счета), выполненной на базе ИМС К155ЛАЗ, и схемы управления генератором 9 импульсов с управляемым запуском, выполненной на базе ИМС KI55TBI, К155ЛИ1, К155ЛАЗ.

Формула изобретения Цифровой СВЧ-ваттметр по авт.св. № 1437791 .отличающийся тем, что, с .

целью повышения точности, суммирующий и вычитающий счетчики выполнены с переменным коэффициентом счета, введены последовательно соединенные генератор линейно изменяющегося напряжения, второй компаратор, третий элемент И, дополнительный суммирующий счетчик и первый запоминающий регистр, выход которого со- единен с управляющим входом суммирующего счетчика с переменным коэффициентом счета, генератор импульсов, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, второй запоминающий регистр, вход которого соединен с вторым выходом дополнительного

суммирующего счетчика, а выход - с управляющим входом вычитающего счетчика с пе- ременным коэффициентом счета, управляемый выход генератора линейно изменяющегося напряжения подключен к управляющим входам дополнительного суммирующего счетчика, первого и второго запоминающих регистров, второй вход второго компаратора соединен с выходом диф ференциальной термопары.

ff ...J

Изобретение может быть использовано в измерителях мощности СВЧ калориметрического типа. Цель изобретения - повышение точности. Устройство содержит отрезок 1 волновода с установленной в нем дифференциальной термопарой 2, два компаратора 3,16, три элемента И 6-18, коммутатор 5, инвертор 7, генератор 9 -импульсов с управляемым запуском, суммирующий счетчик 11 с переменным коэффициентом счета, вычитающий счетчик 12 с переменным коэффициентом счета, цифровой компаратор 13, индикатор 14. подогреватель 15 термопары, цифроаналоговый преобразователь 10, генератор линейно изменяющегося напряжения 17. генератор 19 импульсов, суммирующий счетчик 20, два запоминающих регистра 21, 22. Введение новых узлов и связей обеспечивает точную компенсацию мощности СВЧ, поступающей на термопару, мощностью от подогревателя термопары в каждом такте работы (кроме последнего), позволяя при этом прерывать переходные процессы в цифровом ваттметре и работать подогревателю термопары при температурах, близких к температуре нагрева термопары от мощности СВЧ, что дает возможность повысить точность. 2 ил. у И

17

0

г

al

тптппппппппппппппппппппппппппппппппппппппппппппппппп

51