Измеритель добротности колебательных систем Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

vj

00

Изобретение относится к области раиоизмерений и может быть использовано ля измерения добротности объемных резонаторов в СВЧ-диапазоне, а также колеба- ельных систем в радиочастотном иапазоне.

Известно устройство для измерения доротности колебательных контуров, содеращее измерительный контур, входной и ыходной согласующие элементы, широкополосные усилители, блок автоматической регулировки амплитуды, блок регистрации момента возбуждения и ключи.

Недостатком устройства является большая погрешность измерения из-за значительной погрешности определения полосы пропусканий.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является устройство для измерения добротности колебательных контуров, содержащее перестраиваемые генераторы высокой и низкой частоты, выходы которых соединены с блоком отношения частот и выходами частотного модулятора, а управляющие входы через запоминающие устройства и нуль-органы подключены к выходам блоков выделения первой и второй производной, причем выход блока выделения первой производной также соединен с. входом блока выделения второй производной, а вход блока выделения первой производной через амплитудный детектор и измеряемый контур - с выходом частотного модулятора.

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения добротности из-за значительной погрешности определения полосы пропускания, особенно для высокодобротных колебательных систем (объемных и коаксиальных резонаторов в СВЧ-диапазоне, кварцевых резонаторов в радиочастотном диапазоне).

При определении резонансной частоты и полосы пропускания используются блоки выделения первой и второй производной соответственно, включенные последовательно. Каждый из указанных блоков вносит соответствующую погрешность. При определении второй производной погрешность измерения полосы пропускания существенно возрастает, так как в этом случае производная берется от функции, определенной с погрешностью.

Кроме того, погрешность измерения резонансной частоты также значительна за счет собственной неравномерности выходу ного уровня сигнала перестраиваемого генератора высокой частоты и неравномерности амплитудно-частотной

характеристики (АЧХ) амплитудного детектора.

Цель изобретения - повышение точности измерения добротности.

Поставленная цель достигается тем, что

в устройство для измерения добротности колебательных контуров введены второй амплитудный детектор, блок индикации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

0 делитель частоты, фильтр, низкочастотный детектор, электронный коммутатор, цифро- аналоговый преобразователь (ЦАП) и амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с выходом перестраиваемого ге5 нератора высокой частоты и входом второго амплитудного детектора, выход которого соединен с вторым входом электронного коммутатора, выход которого соединен с входом АЦП, вход-выход которого соединен

0 с соответствующими входами перестраиваемого генератора высокой частоты, блока отношения частот, блока индикации, электронного коммутатора и соответствующими входами-выходами блока управления и циф5 роаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом перестраиваемого генератора низкой частоты, выход которого соединен с входом дели-, теля частоты, выход которого соединен е

0 вторым входом амплитудного модулятора, выход которого соединен с входом колебательной системы, выход первого амплитудного детектора через фильтр соединен с входом, низкочастотного детектора, выход

5 которого соединен с первым входом электронного коммутатора, :

Сравнение известного устройства с предлагаемым изобретением показывает, что заявляемое устройство проявляет новые

0 технические свойства, выраженные в повышении точности измерения резонансной частоты и полосы пропускания за счет исключения из измерительного процесса операции взятия второй производной, кор5 рекции неравномерности уровня выходного сигнала перестраиваемого генератора высокой частоты и исключения влияния на точность измерения неравномерности АЧХ амплитудного детектора.

0 На фиг. 1 приведена структурная схема измерителя добротности колебательных систем; на фиг. 2 - блок-схема программы калибровки измерителя; на фиг. 3 - блок-схема программы измерений; на фиг.

5 4 - амплитудногчастотная характеристика колебательной системы и спектр амплитуд- но-модулированиого сигнала; на фиг. 5 - временные диаграммы: а, б - управляющих напряжений на входах перестраиваемых генераторов высокой и низкой частоты; в зависимости коэффициента yi, вычисляемого по алгоритму; г-управляющего напряжения на входе электронного коммутатора 7; д - напряжения запуска АЦП, е - напряжения запуска блока отношения частот.

Измеритель содержит соединенные последовательно перестраиваемый генератор 1 высокой частоты, амплитудный модулятор 2, исследуемую колебательную систему 3, первый амплитудный детектор 4, фильтр 5, низкочастотный детектор б электронный коммутатор 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, соединенные последовательно цифроаналоговый преобразователь 9, перестраиваемый генератор 10 низкой частоты и делитель 11 частоты, выходом подключенный к второму (управляющему) входу амплитудного модулятора 2, второй амплитудный детектор 12, входом соединенный с выходом перестраиваемого генератора 1 высокой частоты, а выходом подключенный к второму входу электронного коммутатора 7, блок 13 отношения частот, первым входом соединенный с выходом генератора 1, а вторым входом подключенный к выходу генератора 10, блок 14 индикации, блок 15 управления (функции которого выполняет микроЭВМ 16 с интерфейсом 17), подключенный к управляющим и информационным входам генератора 1, электронного коммутатора 7, АЦП 8, ЦАП 9, блока 13 отношения частот и блока 14 индикации.

Измеритель работает следующим образом.

Режиму измерения предшествует режим калибровки, когда исследуемая колебательная система 3 исключается, а выход модулятора 2 подключается к входу амплитудного детектора 4.

Микро-ЭВМ 16 через интерфейс 17 с помощью своих сигналов осуществляет установку генератора 1 на нижнюю частоту fH рабочего диапазона измерителя, коммутатор 7 в состоянии, когда на вход АЦП 8 поступает сигнал с выхода детектора 6, устанавливает на выходе ЦАП 9 напряжение управления генератором 10, соответствующее частоте сигнала РМин, а также запускает АЦП 9.

Генератор 1 вырабатывает СВЧ-сигнал с частотой fri, который подается на амплитудный модулятор 2 и второй детектор 12. Под действием сигнала ЦАП 9 генератор 10 устанавливается на частоту Рмин. Поделенный по частоте на два, сигнал с выхода делителя 11 поступает на второй управляющий вход модулятора 2. Модулятор 2 осуществляет амплитудную модуляцию ВЧ-сигнала, который, пройдя

колебательную систему 3, детектируется детектором 4. В результате на его выходе появляется сигнал

LM КдЕ2(1 + М cos 2n Fat)2, 5 где Кз - коэффициент преобразования детектора 4;

М - коэффициент амплитудной модуляции ВЧ-сигнала на частоте модуляции F2,1

Е - амплитуда сигнала на выходе гене- 0 ратора 1;

Fa Рмин/2 - частота модулирующего сигнала.

Детектор 12 детектирует поступающий с генератора 1 сигнал, в результате на его 5 выходе появляется напряжение

Ui2 Ki2E2,

где Ki2 - коэффициент преобразования 12. Сигнал U4 поступает на фильтр 5, который выделяет его первую гармонику 0U5 K4KsME2cos27rF2t,(1)

где Кз - модуль коэффициента передачи . фильтра 5.

С выхода фильтра 5 сигнал Us подается

на детектор б, где детектируется. В резуль5 тате на его выходе появляется сигнал Ue,

который через коммутатор 7 поступает на

вход АЦП 8

ие К4К5КбМЕ2,

где Кб - коэффициент преобразования де- 0 тектора 6.

АЦП 8 преобразует сигнал Ue в цифровой эквивалент We. Микро-ЭВМ 16 через интерфейс 17 считывает и запоминает значение кода Ne.

5В соответствии с блок-программой,

приведенной на фиг. 2. микро-ЭВМ 16 устанавливает коммутатор 17 в состояние, когда на вход АЦП 8 с выхода детектора 12 подается сигнал Uia, который преобразуется в 0 АЦП 8 в цифровой эквивалент N12. Микро- ЭВМ 16 считывает код N12, вычисляет и запоминает значение коэффициента акн

п -N12.- К12

кн Ne МКбКбМ

5 На этом калибровка на частоте f заканчивается и по сигналу с микро-ЭВМ 16 генератор 1 перестраивается на следующую частоту. Процедура определения a«i на этой и других частотах остается прежней.

0 После определения ОкВ на верхней частоте рабочего диапазона калибровка заканчивается и на экране блока индикации 14 появляется текст Калибровка закончена.

В режиме измерения вместо регулярно5 го волновода в тракт ВЧ измерителя включается исследуемая колебательная система 4. Оператор запускает измеритель нажатием кнопки. В соответствии с блок-программой измерения (фиг. 3) микро-ЭВМ 16 через интерфейс 17 устанавливает генератор 1 на нижнюю частоту fH. коммутатор 7 в состоянии, когда на вход АЦП 8 поступает сигнал с детектора б, устанавливает на выходе ЦАП 9 напряжение управления генератором 10, соответствующее частоте Рмин осуществляет сброс в нулевое состояние регистров блока 13 отношения частот и блока 14 индикации, а также осуществляет запуск АЦП 8.

Процедура получения сигналов , Us, Ue, U12 и вычисление коэффициентов Оин на нижней и других частотах рабочего диапазона генератора 1 в режиме измерения аналогична описанной для режима калибровки Ne К4К5КбМКз(тн)

Н Ш-к«

В соответствии с блок-программой измерения{фиг. 3) микро-ЭВМ 16 извлекает из

памяти значение коэффициента Окн, соответствук5щее частоте тн, вычисляет коэффи циент УН по алгоритму

УН Окн «ин ), (2)

где K3(f(0 - модуль коэффициента передачи колебательной системы 3 на частоту fH, и запоминает его значение.

Далее микро-ЭВМ 16 перестраивает генератор 1 на частоту fH + Af, определяет сигналы U4, Us, U6. Ui2, yi, где A f - шаг перестройки генератора 1, и проверяет выполнение условия

0. (3)

Процедура перестройки частоты генератора 1, вычисление yi и проверка выполнения условия (3) проводятся микро-ЭВМ 16 до тех пор, пока оно не будет выполнено. В этом случае генератор оказывается настроенным на резонансную частоту fpea колебательной системы 3, и значение yi максимально. Микро-ЭВМ 16 вычисляет коэффициент

Ж5 s УМЗКС/2 Кз макс/2 и запоминает значение его.

В дальнейшем генератор 1 остается настроенным на частоту fpea до конца измерительного цикла, а микро-ЭВМ 16 перестраивает генератор 10 на частоту Рмии + AF, где AF - шаг перестройки генератора 10. При этом уровень сигнала на выходе фильтра 5 уменьшается прямо пропорционально изменению коэффициента модуляции M(Fi) на выходе колебательной системы 3 (фиг. 4, поясняющая взаимосвязь уровня сигнала на выходе колебательной системы 3 и частоты FI модулирующего сигнала).

Сигналы на выходе детектора 4, фильтра 5, детекторов 6,12, а также коэффициенты а«|иу| определяются в прежнем

порядке и описываются следующими выражениями

U4 КЗ макс (1 +.M(F|) COS 2 TlFitf

Us Кз макс М (F() lOiKsE2 cos In Fit: Ue K4 макс М (Fi) K4K5K6E2;

Ui2 - Ki2Ez; .- Ne . Кзнакс K4 Ks Кб .fc ч

«и -Щ--К12M(F ).

yi «к1 Он KM(F|),

где Кз макс - значение модуля коэффициента передачи резонатора на резонансной частоте fpea.

К Кз макс/М - постоянный коэффици- ент;

После каждого шага перестройки микро-ЭВМ 16 определяет yt и проверяет выполнение условия

У S уо.5.(4)

При его выполнении с помощью сигнала, вырабатываемого микро-ЭВМ 16, запускается блок 13 отношения частот. На первый его вход поступает сигнал с выхода генератора 1 с частотой -fpea. на другой - с выхода генератора 10 с частотой FO.S. Измеригель 13 измеряет отношение частот Q fpe3/Fo,5, где FO.S - частота сигнала на выходе генератора 10 в момент выполнения условия (4).

Микро-ЭВМ 16 считывает с информационного выхода блока 13 отношения частот значение добротности Q и передает его в блок 14 индикации.

Если сигнал остановки измерителя от кнопки, нажатой оператором, не поступил в

микро-ЭВМ 16, то она возвращается к началу измерительного цикла, т.е. процесс измерения повторяется.

Таким образом, как следует из описания принципа работы измерителя, после введения в него новых элементов и связей он приобретает новое свойство, выраженное в повышении точности измерения добротности. Достижение повышения точности обеспечивается за счет исключения операции

взятия второй производной из измерительного процесса, а также за счет исключения погрешностей, обусловленных неравномерностью в диапазоне 4aeTOf амплитудно-частотной характеристики амплитудного

детектора 4 и неравномерностью в диапазоне чаетот выходного уровня перестраиваемого генератора высокой частоты.

Формула изобретения

Измеритель добротности колебательных систем, содержащий блок отношения частот, блок управления, колебательную систему, первый амплитудный детектор, перестраиваемые генератор высокой частоты и генератор низкой чистоты, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока отношения частот, выход колебательной системы соединен с входом первого амплитудного детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй амплитудный детектор, блок индикации, аналого-цифровой преобразователь, делитель частоты, фильтр, низкочастотный детектор, электронный коммутатор, цифроаналоговый преобразователь и амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с выходом перестраиваемого генератора высокой частоты и входом второго амплитудного детектора, выход которого соединен с вторым входом

электронного коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, вход-выход которого соединен с соответствующими входами

перестраиваемого генератора высокой частоты блока отношения частот, блока индикации, электронного коммутатора и соответствующими входами-выходами блока управления и цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом перестраиваемого генератора низ кой частоты, выход которого соединен с вторым входом амплитудного модулятора, выход которого соединен с входом колебательнойсистемы, выход первого амплитудного детектора через фильтр соединен с входом низкочастотного детектора, выход которого соединен с. первым входом электронного коммутатора.

Изобретение относится к радиоизмерениям и может быть использовано для измерения добротности объемных резонаторов в СВЧ-диаетазоне, а также колебательных систем в радиочастотном диапазоне. Целью изобретения является повышение точности измерения добротности колебательных систем. Измеритель добротности колебательных систем содержит перестраиваемый генератор 1 высокой частоты, колебательную систему 3, первый амплитудный детектор 4, перестраиваемый генератор 10 низкой частоты, блок 13 отношения частот, блок 15 управления. Введение в измеритель амплитудного модулятора 2, фильтра 5, низкочастотного детектора 6, электронного коммутатора 7, аналого-цифрового преобразователя 8. цифроаналогового преобразователя 9, делителя 11 частоты, второго амплитудного детектора 12. блока 14 индикации позволяет обеспечить повышение точности за счет исключения операции взятия второй производной из измерительного процесса, а также за счет исключения погрешностей, обусловленных неравномерностью в диапазоне амплитудно-частотной характеристики амплитудного детектора 4 и неравномерностью в диапазоне частот выходного уровня перестраиваемого генератора 1 высокой частоты. 5 ил. т С

/7ерестроика генератора I на нияснию частоту

Упра6ление блоками измерителя

х - I

Определение //€

1

1

Установка коммутатора off Второе состояние 7

Определение М2, вычисление и запоминание коэффициента &щ

л

Нет

Индикация окончания калидроёки

Г Начало)

х -

Определение //€

1

мм ос

Да

(. Конёц Риг. 2

(ЪЧАЖГ).

СКОНЕЦ )

ЯРиг. 3

{jKO M/f№yx ( { If j

1 Г

I I

JUT-TLTLnj

lUwW

nj-Lh| J-Lnj

ii

частотная характеристика

несущая и

боковые составляющие модулированного сигнала

-i