Двухканальный фазометр Советский патент 1993 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к технике фазовых измерений и может быть использовано в устройствах радиолокации, радионавигации и радиоуправления.

Цель изобретения - повышение точности измерения малых фазовых сдвигов.

Цель достигается тем, что в двухканаль- ный фазометр введены последовательно соединенные блок памяти, блок вычитания, измеритель отношений, переключатель и блок индикации, а также фазовращатель на 45°, вход которого является вторым входом фазометра, а выход соединен с входом управляемого фазовращателя, кроме того, первый выход низкочастотного коммутатора соединен с входом блока памяти, а второй выход - с вторым входом блока вычитания и вторым входом измерителя отношений, а выход арктангенсного преобразователя соединен с вторым входом переключателя.

При сравнении известного фазометра с предлагаемым видим, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, выраженные в повышении точности измерения малых фазовых сдвигов. Это позволяет повысить эффективность использо- вания измерительной аппаратуры и сократить стоимость измерения за счет объединения в одном устройстве двух измерителей. Указанное свойство изобретения является новым, так как с помощью прототипа из-за отсутствия в нем новых элементов и связей нельзя измерять с высокой точностью малые фазовые сдвиги. В связи с этим отличительные признаки изобретения являются существенными.

На чертеже приведена структурная схема двухканального фазометра.

Двухканальный фазометр содержит СВЧ-тракт, состоящий из блока 1 сумма- разность, фазовращателя 2, дифференциального квадратичного детектора 3, состоящего из детекторов 4, 5 и блока 6 вычитания, низкочастотный коммутатор 7, арктангенсный преобразователь 8, блок 9 управления, блок 10 памяти, второй блок 11

(Л

С

00

о о

со

00

вычитания, измеритель 12 отношения, переключатель 13 и блок 14 индикации.

О до 360°

Двухканальный фазометр работает следующим образом.

Режиму измерения фазовых сдвигов от предшествует режим калибровки.

В режиме калибровки переключатель 13 устанавливается во второе положение. Фа- зовращатель 15 от СВЧ-тракта отключен. Путем регулировки фазовращателя 2 оператор добивается нулевого сигнала на выходе детектора 3.

Ui Ео Еи Кд S|n (f ,

где ЕО и Е и амплитуды опорного и исследуемого сигналов СВЧ на входах детектора 3;

Кд - коэффициент преобразования детектора 3;

р - дифференциональный фазовый сдвиг, обусловленный неравенством электрических длин каналов фазометра.

В режиме измерения фазовых сдвигов от 0 до 360° двухканальный фазометр работает следующим образом.

Переключатель 13 устанавливается во второе положение.

Цикл измерения состоит из двух тактов. В первом такте блок 9 устанавливает фазовращатель 2 в состояние нулевого фазового сдвига, а коммутатор 7 в положение, при котором сигнал детектора 3 поступает на первый вход преобразователя 8. При этом

Ui Ео Еи Кд sin ,

где рх, - искомый фазовый сдвиг.

Сигнал Ui запоминается в преобразователе 8 до конца цикла измерения.

В начале второго такта на управляющий вход фазовращателя 2 с блока 9 поступает сигнал, устанавливающий фазовращатель 2 в состояние, когда фазовый сдвиг, вносимый им, равен 90°. Одновременно с этим на управляющий вход коммутатора 7 с блока 9 поступает импульс, перебрасывающий коммутатор 7 в положение, при котором выход дифференциального квадратичного детектора 3 оказывается подключенным к второму входу преобразователя 8, на который поступает сигнал

U2 Ео Еи Кд COS $ х,

После этого с блока 9 на управляющий вход преобразователя 8 поступает сигнал,

по которому преобразователем 8 реализуется алгоритм

1)з Кз arc tg(U 1/1)2)

С учетом выражений для Ui, U2 напряжение на выходе преобразователя 8 можно выразить следующим образом:

из К3 (рх,.

где Кз- коэффициент преобразователя 8.

Напряжение Us поступает в блок 14 индикации, одна из шкал которого проградуи- рована в значениях , от 0 до 360°.

Режиму измерения малых фазовых сдвигов предшествует режим калибровки.

В режиме калибровки переключатель 13 устанавливается в первое положение. Фазовращатель 15 в СВЧ-тракт включен. В конце второго такта сигналы на выходах коммутатора 7 имеют вид

U 1 ЕоЕи Кд sin (45° + ); U 2 Е0Еи Кд cos (45° + -Д0),

где Ау) - отклонение фазового сдвига от 45° в фазовращателе 15.

Регулировкой фазовращателя 15 опера- тор добивается нулевого уровня сигнала U 12 на входе индикатора 14:

35

U%2 Ueg(UlzUi) 1)2

При этом U 2 U 1 , что соответствует равенству sin 45° cos 45° и, следовательно, установке фазовращателя 15 на его номинальное значение 45°.

В режиме измерения малых фазовых сдвигов двухканальный фазометр работает следующим образом.

Переключатель 13 устанавливается в первое положение. Цикл измерения состоит из двух тактов. Аналогично описанному выше режиму, последовательно во времени на выходах коммутатора 7 формируются квадратурные составляющие

Ui E0EMKAsin( + 45°); и2 Е0Еи Кд cos ( р х + 45°).

Сигнал Ui поступает на блок 10 памяти, представляющий собой схему выборки-хранения, где запоминается. С выхода блока 10 напряжение Ui подается на первый вход блока 11 вычитания. Вслед за ним сигнал U2 с второго выхода коммутатора 7 поступает

на второй вход блока 11. Напряжение Due выхода блока 11 подается на первый вход измерителя 12 отношений.

Uii Kn(U2-Ui),

где Ki 1 - масштабный коэффициент блока 11 вычитания.

На второй вход измерителя 12 поступает сигнал Ui2. Измеритель 12 отношений реализует алгоритм

Ul2 Uefl К11 -tg( рх + 45°)

где Кед - напряжение единичного уровня.

Получим выражение для - погрешности измерения р х:

рх arctg(1 U12

Kl1 Кед

)-45с

Формула для определяется по общему правилу из следующего.выражения (см. книгу: Пискунов Н.В, Дифференциальное и интегральное вычисление для втузов. М.: Гос. издат. физико-математической литературы, 1962, с. 259):

Дрх

AU12 +

ЭКп

Откуда получим

+ ТЙТАК11+1Т&Аид1 -tg(c+45°) . 1+tg2(px+45°)

(5иед )

где 5иед , 5кц , 5щ2 . относительные погрешности установки напряжений 1)ед, Ui2 и масштабного коэффициента Кц.

Погрешность измерения малых р. темслабее зависит от 5иед . 5кц (5ui2 чем меньше фазовый сдвиг, измеряемый фазометром, т.е. чем ближе к единице tg ( х + +45°) и, следовательно, чем меньше первый сомножитель. При 1° расчетная погрешность измерения составляет ± 0,002° при относительных погрешностях установки напряжения иед Ui2 и масштабного коэффициента Кц - -±10%.

Расчеты показывают, что при максимальном уровне напряжения на выходе детектора, равном 10 В, сигнал, соответствующий 0,001°, составляет 174

мкВ. Поэтому выравнивание электрических длин каналов при первой калибровке можно осуществить с точностью не хуже «0,001°.

Расчетная погрешность установки сорокопятиградусного фазовращателя при второй калибровке может быть также сведена к значению 0,001°, которому соответствует напряжение на входе индикатора 14, равное 70 мкВ.

Таким образом, введение в фазометр новых элементов и связей позволяет повысить точность измерения малых фазовых сдвигов.

Использование предлагаемого измерителя позволяет снизить затраты на измерения за счет расширения функциональных возможностей, так как фазометр работает с высокой точностью как в обычном режиме, так и в режиме измерения малых фазовых

сдвигов.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Двухканальный фазометр, содержащий последовательно соединенные управляемый фазовращатель, блок сумма-разность,

дифференциальный квадратичный детектор, низкочастотный коммутатор и арктан- генсный преобразователь, а также блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого

фазовращателя, второй выход-с управляющим входом низкочастотного коммутатора и третий выход - с управляющим входом арк- тангенсного преобразователя, причем второй вход блока сумма - разность является

первым входом фазометра, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения малых фазовых сдвигов, в него введены последовательно соединенные блок памяти, блок вычитания, измеритель

отношений, переключатель и блок индикации, а также фазовращатель на 45°, вход которого является вторым входом фазометра, а выход соединен с входом управляемого фазовращателя, кроме того, первый

выход низкочастотного коммутатора соединен с входом блока памяти, а второй выход - с вторым входом блока вычитания и вторым входом измерителя отношений, а выход арктангенсного преобразователя соединен

с вторым входом переключателя.

Использование: в технике фазовых измерений, в частности в устройствах радиолокации, радионавигации и радиоуправления. Сущность изобретения: повышение точности измерения малых фазовых сдвигов достигается за счет введения в фазометр блока памяти, блока вычитания, измерителя отношений, переключателя и фазовращате- ля на 45°, вход которого является одним из входов фазометра. Введены элементы и соответствующие связи составляют дополнительный канал измерения малых фазовых сдвигов. 1 ил.