Электронный фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к фэзоизмери- тельной технике и может быть использовано при создании устройств для измерения разности фаз и для поверки фазоизмеритель- ной аппаратуры.

Известен фазометр, содержащий синтезатор частоты, один выход которого через первый аттенюатор подключен к объединенным входам первого и второго широкополосных усилителей, выход первого широкополосного усилителя через исследуемый четырехполюсник и второй аттенюатор соединен с первым входом первого смесителя, второй вход которого через третий широкополосный усилитель подключен к объединённым вторым выходам синтезатора частоты и входам четвертого широкополосного усилителя, выход которого соединен с одним из входом второго смесителя, другдй вход которого через третий аттенюатор подключен к выходу второго широкополосного усилителя, выходы первого и второго смесителей через одноименные высокоизбирательные фильтры и формирующие устройства подключены к соответствующим входам электронного счетчика, первый и второй выходы которого соединены с одноименными управляющими входами синтезатора частоты.

Однако преобразование гармонических колебаний в импульсы той же частоты формирующими устройствами в обоих каналах известного фазометра ограничивает диапазон частот измеряемых сигналов погрешностью формируемых устройств, так как фазоамплитудная погрешность усилителей- ограничителей, которые осуществляют отмеченные преобразования, примерно линейно возрастает с частотой.

Кроме того, известный фазометр измеряет фазовый сдвиг в пределах 0,5-359,5°, т.е. имеет мертвые зоны.

Известен также электронный фазометр, который содержит первый и второй блоки согласования, последовательно соединенные первый и второй однополосные модуля- торы, блок подавления амплитудной модуляции, третий однополосный модулятор, резонансный усилитель и четвертый однополосный модулятор, выход которого соединен с вторым входом первого однополосного модулятора, а второй вход - с выходом линии задержки, вход которой соединен с одним из выходов перестраиваемого генератора, второй выход которого соединен с вторым входом третьего однопо; лосного модулятора, а вход - с выходом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом резонансного усилителя, а второй - с выходом опорного генератора.

Фазометр содержит также фазовый детектор, первый и второй компараторы,

фильтр нижних частот, генератор низкой частоты и блок управления, причем резонансный усилитель выполнен перестраиваемым, а его управляющий вход соединен с выходом фильтра нижних частот, вход которого

соединен с выходом фазового детектора и одним входом дополнительного фазового детектора, другой вход которого соединен с одним из выходов генератора низкой частоты и управляющим входом второго коммутатора, а выход - с входом блока управления, выход которого соединен с входом перестраиваемого генератора, а выход последнего соединен с одним из входов второго коммутатора, другой вход которого соединен с выходом линии задержки, а выходы - соответственно с входами третьего и четвертого однополосных модуляторов, входы первого и второго однополосных модуляторов соединены с выходами первого коммутатора, входы которого соединены соответственно с выходами блоков согласования, а управляющий вход - с вторым выходом генератора низкой частоты.

В данном фазометре при достаточно

большом коэффициенте усиления резонансного усилителя в кольце, образованном че- тырьмя однополосными модуляторами, блоком подавления амплитудной модуляции и резонансным усилителем, могут возбуждаться автоколебания, поскольку данное кольцо представляет собой замкнутую систему, которая при выполнении условий баланса фаз и амплитуд становится автогенератором, т.е. данное кольцо - генератор или при Зм - рз 0, где рнш измеряемый фазовый сдвиг, а рз ЈЫщ х Тл.э, в последнем OM частота перестраиваемого генератора, перестраиваемая с помощью фазовых детекторов, тл.3 - время

задержки в линии задержки. Изменение частоты сУпг перестраиваемого генератора в данном фазометре служит мерой фазового сдвига Vi3M, а с помощью дополнительного фазового детектора, первого и второго коммутаторов, фильтра нижних частот, генератора низкой частоты и блока управления осуществляется компенсация отличного от нуля аппаратурного фазового сдвига. Однако в данном фазометре аддитивная погрешность, возникающая из-за нестабильности нуля фазовых детекторов, а также неустранимый дрейф нуля фазовых детекторов приводят к снижению точности измерения разности фаз.

Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз за счет исключения аддитивных погрешностей, возникающих из-за нестабильности нуля фазовых детекторов.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема электронного фазометра; на фиг. 2 - принципиальная схема блока индикации нулевого фазового сдвига.

Фазометр содержит блоки 1 и 2 согласования, однополосные смесители 3 и 4. опорный генератор 5, однополосный смеситель 6, синтезатор 7 частоты, преобразователь 8 электрического напряжения в световой поток, ответвительЭ световодный. волоконный световод 10, преобразователь 11 светового потока в электрическое напряжение, волоконный световод 12, преобразователь 13 светового потока в электрическое напряжение, однополосный смеситель 14, блок 15 индикации нулевого фазового сдвига.

Блок 15 индикации нулевого фазового сдвига содержит смеситель 16, фильтр 17, умножитель 18 частоты нзМ. переключатель 19, фильтры 20 и 21, умножитель 22 частоты на N-1, фильтр 23, резонансный усилитель 24, фазовращатель 25, нуль-индикатор 26 фазы.

Описываемый фазометр содержит (фиг. 1} блоки 1 и 2 согласования в каналах опорного и информационного сигналов. Выходы блоков 1 и 2 соединены с первыми входами однополосных смесителей 3 и 4, второй вход последнего соединен с объединенным входом опорного генератора 5, первым входом однополосного смесителя 6 и входом синтезатора 7 частоты, выход которого через преобразователь 8 электрического напряжения в световой поток сопряжен с входом ответвителя 9 световодного, один выход которого через волоконный световод 10 сопряжен с входом преобразователя 11 светового потока в электрическое напряжение, выход которого соединен с вторым входом однополосного смесителя 6. «Другой выход ответвителя 9 световодного через волоконный световод 12 сопряжен с входом преобразователя 13 светового потока в электрическое напряжение, выход которого соединен с первым входом однополосного смесителя 14, второй вход которого соединен с выходом однополоснрго смесителя 6. Выход однополосного смесителя 14 соединен с одним из входом блока 15 индикации нулевого фазового сдвига, другой вход которого подключен к выходу однополосного смесителя 4.

Блок 15 индикации нулевого фазового сдвига (фиг. 2) содержит смеситель 16, один

вход которого через фильтр 17 и умножитель 18 частоты и N подключен к первому входу переключателя 19 и через фильтр 20 к одному из входов блока 15 индикации нуле- 5 вого фазового сдвига, другой вход которого через фильтр 21, умножитель 22 частоты на N-1 и фильтр 23 подключен к другому входу смесителя 16, выход которого через резонансный усилитель 24 подключен к второму

0 входу переключателя 19. третий вход которого соединен с объединенными входами умножителя 22 частоты на N-1 и фазовращателя 25, выход которого подключен к четвертому входу переключателя 19, выходы

5 которого соединены с одноименными входами нуль-индикатора 26 фазы.

Электронный фазометр (фиг. 1) работает следующим образом.

Предварительно один из входных сиг0 налов 1П с фазой р или U2 с фазой (рг подводится к обоим входам электронного фазометра, например, подводится сигнал Ut с фазой р.

Через блоки 1 и 2 согласования этот

5 сигнал подается на первые входы однополосных смесителей 3 и 4.

Пусть однополосные смесители 3 и 6 выделяют суммарную частоту сигналов, поступающих на их входы, а однополосные

0 смесители 4 и 14 - разностную.

На второй вход однополосного смесителя 3 поступают синусоидальные колебания от опорного генератора 5 с частотой f0 и фазой р0, тогда на выходе однополосного

5 смесителя 3 появляется сигнал с частотой f + fo и фазой pi + po, который поступает на второй вход однополосного смесителя 4. В результате на выходе однополосного смесителя 4 имеется сигнал с частотой f + f0 - f

0 f0 и фазой + ро - р 1 ро, который подается на один из входов блока 15 индикации нулевого фазового сдвига.

Одновременно сигнал от опорного генератора 5 поступает на вход (вход подключе5 ния внешнего генератора) синтезатора 1 частоты, с выхода которого сигнал с частотой F и фазой рсч подается на преобразователь 8 электрического напряжения в световой поток. Модулированный по интен0 сивности световой поток с выхода преобразователя 8 электрического напряжения в световой поток через ответвитель 9 световодный и волоконный световод 10 соответствующей длины поступает на

5 преобразователь 11 светового потока в электрическое напряжение, на выходе которого появится сигнал с частотой F синтезатора 7 частоты и фазовым сдвигом Сч + , где f%2 2лг F Г2,а Г2 - величина

задержки сигнала, которая линейно зависит от длины волоконного световода 10. Этот сигнал подается на первый вход однополосного смесителя 6, на другой вход которого поступает сигнал от опорного генератора 5 с частотой f0 и фазой ро. Тогда на выходе однополосного смесителя 6 имеется сигнал с частотой F + f0 и фазой 04 + 02 + . который поступает на первый вход однополосного смесителя 14, на второй вход которого поступает сигнал, прошедший через ответвитель 9 световодный, волоконный световод 12, преобразователь 13 светового потока в электрическое напряжение с часто- той F и фазой рсА + 01, где 01 2 л F п , а г - величина задержки сигнала в волоконном световоде 12, которая линейно зависит от длины последнего.

На выходе однополосного смесителя 14 паявяяетсяГсигнал с частотой F + f0 - F f0 и фазой + 02 + ро + рсч 01 02 + v50 -01, который поступает на другой вход блока 15 индикации нулевого фазового сдвига.

Блок t5 индикации нулевого фазового сдвига регистрирует разность фаз, равную нулю между двумя синусоидальными электрическими сигналами, если фазы этих сигналов связаны соотношениями ij) или ty 2 К П tyi, где tyivtifa - фазы сигналов, поступающих на входы последнего, а К 1.2п.

В соответствии с изложенным можно написать, что 02 - 01 2 л F 12 - -2 п F П 2 п F ( Т2 - ti ), т.е. при априорно заданном значении F Fi блок 15 индикации нулевого фазового сдвига регистрирует нулевой фазовый сдвиг, который был подан на входы электронного фазометра.

Пусть на входы электронного фазометра подводятся синусоидальные сигналы Ui и U2 с частотой f и разностью фаз 0 - 0. Тогда на выходе однополосного смесителя 4 будем иметь сигнал с частотой f0 и фазой 0-0 + р0 $z, а на выходе однополосного смесителя 14 - сигнал с частотой f0 и фазой 02-01 + fo $1 ПРИ этом 15 индикации нулевого фазового сдвига будет показывать не нулевой фазовый сдвиг между сигналами, которые присутствуют на выходе однополосных смесителей 4 и 14. Изменяя частоту синтезатора 7 частоты, добиваемся нулевого показания блока 15 индикации нулевого сдвига, т.е. при некотором значении частоты F F2 синтезатора частоты 7 имеем равенство

0-0 +#Ь 02-01 + 0 ИЛИ 0-0 02-01,

т.е. частоте F F2 синтезатора 7 частоты соответствует измеряемый сдвиг фазы . Таким образом, значение измеряемого фазового сдвига может быть определено по изменению частоты F синтезатора 7 частоты.

Блок 15 индикации нулевого фазового сдвига работает следующим образом (фиг. 2).

Вначале переключатель 19 устанавливается в положение, при котором выходы фильтров 20 и 21 подключаются непосредственно к соответствующим входам нульиндикатора 2& сдвига фазы, чувствительность которого порядка ±0,02°. Следовательно, изменением частоты F синтезатора 7 частоты электронного фазометра устанавливается фазовый сдвиг с точностью

±0,02°.

Затем, переключатель 19 устанавливается в другое положение, и сигнал с частотой f0 и фазой $ поступает через фильтр 20 на вход умножителя Т8 частоты на N и, пройдя через фильтр 17, служащий для выделения соответствующей гармоники, поступает на один из входов смесителя 16, на другой вход которого поступает другой сигнал после прохождения фильтра 21, умножителя

22 частоты на N-1 и фильтра 23. Результирующий сигнал с выхода смесителя 16 подается на первый вход нуль-индикатора 26 сдвига фазы через избирательный усилитель 24. т.е. подается сигнал с частотой W fo

- (N-1)-fo fo и фазой N ife - (N-1) ty +Лрь 1/5 + (N-1)(z-1/;i) + A, где ijn - фаза сигнала, поступающего на другой вход блока 15 индикации нулевого фазового сдвига, д- фаза сигнала, приобретаемая при прохождении через элементы 16-18, 22-24. На второй вход нуль-индикатора 26 сдвига фазы поступает сигнал с частотой f0 и фазой ;1 + , где ip - фаза сигнала, приобретаемая при прохождении

неградуированного фазовращателя 25, который устанавливается равным д. Тогда на втором входе нуль-индикатора 26 сдвига фазы имеем разность фаз сигналов $ + (N - 1) (tyz - Vi) + VA - (Vl+ Vp) N fife - i).,

так как tpA ipa.

Из последнего выражения видно, что на вход нуль-индикатора 26 сдвига фазы в этом положении переключателя 19 поступают сигналы со сдвигом фазы, умноженным в N

раз, т.е. чувствительность нуль-индикатора 26 сдвига фазы повышается в N раз. Например, при N 10 чувствительность нуль-индикатора 26 сдвига фазы повышается на порядок.

Величина N должна быть меньше 360°/у, где у-чувствительность нуль-индикатора фазового сдвига. В противною случае возникает известная задача определения числа целых фазовых циклов. Кроме того, при умножении частоты также умножается нестабильность частоты в то же число раз, во сколько раз умножается сдвиг фазы, являясь мешающим фоном, что также ограничивает величину N. На практике вели- чина N « 200, тогда чувствительность предлагаемого блока 15 индикации нулевого фазового сдвига составит

±0,02°/200 ±0,0001°.

В предложенном электронном фазомет- ре измеряемый фазовый сдвиг уравновешивается фазовым сдвигом, вносимым волоконно-оптическими задержками (элементы 8-13), поэтому определим минимальный фазовый сдвиг, приходящийся ыа единицу частоты синтезатора 7 частоты.

Согласно изложенному уравновешивающий фазовый сдвиг Ду определяется из соотношения Ду 2л-ДР(Т2-Г1), где т и Г2 - времена задержки, зависящие от длины волоконных световодов 10 и 12, тогда A F Д р/2 я ( Г2 - ri ).

Известно, что длг наиболее распространенного кварцевого волокна задержка радиосигнала, которым модулируется оптическая несущая, приближенно составляет 5 мкс/км, при этом с учетом ослабления поля до уровня 20 дБ величину задержки можно увеличить до 50 мкс.

Выберем, например, тч - т 10 мкс, тогда для получения уравновешивающего фазового сдвига в 1° будем иметь&Р 278 Гц.

Если учесть, что синтезатор частоты 46- 31 имеет шаг 0,01 Гц, то минимальный урав- новешивающий фазовый сдвиг составит величину « 3,6 град.

Из изложенного следует, что в предложенном электронном фазометре величина фазового сдвига может быть определена с точностью до 0,0001 град, что на несколько порядков выше по сравнению с известным фазометром.

Формулаизобретения

1. Электронный фазометр, содержащий первый и второй блоки согласования, первый и второй однополосные смесители, первые входы которых через одноименные блоки согласования подключены к входам электронного фазометра, а выход первого

однополосного смесителя соединен с вторым входом второго однополосного смесителя, третий и четвертый однополосные смесители, опорный генератор и синтезатор частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены преобразователь электрического напряже- ния в световой поток, ответвитель световод- ный, первый и второй волоконные световоды, первый и второй преобразователи светового потока в электрическое напряжение и блок индикации нулевого фазового сдвига, причем второй вход первого однополосного смесителя соединен с объединенными первым входом третьего однополосного смесителя, выходом опорного генератора и входом синтезатора частоты, выход которого через преобразователь электрического напряжения в световой поток сопряжен с входом ответвителя свето- водного, один выход которого через первый волоконный световод сопряжен с входом первого преобразователя светового потока в электрическое напряжение, выход которого соединен с вторым входом третьего однополосного смесителя, выход которого соединен с одним из входов четвертого однополосного смесителя, другой вход которого соединен с выходом второго преобразователя светового потока в электрическое напряжение, вход которого сопряжен через второй волоконный световод с другим выходом ответвителя световодного, а выход четвертого однополосного смесителя соединен с одним из входов блока индикации- нулевого фазового сдвига, другой вход которого соединен с выходом второго однополосного смесителя.

2. Фазометр по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок индикации нулевого фазового сдвига содержит смеситель, один вход которого через первый фильтр и умножитель частоты на N подключен к первому входу переключателя и через второй фильтр к одному из входов блока индикации нулевого фазового сдвига, другой вход которого через третий фильтр, умножитель частоты на N-1 и четвертый фильтр подключен к другому входу смесителя, выход которого через резонансный усилитель подключен к второму входу переключателя, третий вход которого соединен с объединенными входами умножителя частоты на N-1 и фазовращателя, выход которого подключен к четвертому входу переключателя, выходы которого соединены с одноименными входами нуль-индикатора фазы..

UK

13

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано при создании устройств для измерения разности фаз и для поверки фазоизмерительной аппаратуры. Цель изобретения - повышение точности измерений/которая достигается за счет переноса измеряемого фазового сдвига на стабильную частоту с последующей компенсацией на этой стабильной частоте с помощью частотоуправ- ляемого фазовращателя на базе волоконно-оптических задержек. Устройство представляет собой оптико-электоонную схему, в которой перенос фазовых сдвигов реализуется однополосными смесителями 3,4.6 и 14, а воспроизведение фазового сдвига для компенсации измеряемого осуществляется с помощью преобразователя 8 электрического напряжения в световой поток, световод- ного ответвителя 9, волоконных световодов 10 и 12 и преобразователей 11 и 13 светового потока в электрическое напряжение. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. ( сл с

Я у iFp- 23-

Г О

#

25

Риг.2