Устройство сдвига фазы на 90 @ Советский патент 1993 года по МПК G01R25/04 

Фиг.1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике.

Целью изобретения было расширение функциональных возможностей за счет обеспечения постоянной амплитуды выходного сигнала.

Цель достигается тем, что в устройство введены второй фазовый детектор, второй интегратор и управляемый усилитель, а также второй и третий сумматоры, первые входы которых соединены с входом устройства, вторые входы - с выходом устройства, а их выходы - с входами второго фазового детектора, выход которого через второй интегратор соединен с управляющим входом управляемого усилителя, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с выходом устройства.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 - векторные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для сдвига фазы на 90е содержит фазосдвигающий элемент 1, управляемый по модулю и знаку коэффициента передачи делитель 2 напряжения, первый сумматор 3, второй сумматор 4, третий сумматор 5, первый фазовый детектор 6, второй фазовый детектор 7, первый интегратор 8, второй интегратор 9 и управляемый усилитель 10. Вход устройства соединен с входами фазосдвигающего элемента 1, управляемого делителя 2 напряжения, первыми входами второго и третьего сумматоров 4 и 5 и первого фазового детектора 6. Выходы фазосдвигающего элемента 1 и управляемого делителя 2 напряжения соединены с входами первого сумматора 3, выход которого соединен с входами первого фазового детектора 6 и управляемого усилителя 10. Выход последнего соединен с выходом устройства и вторыми входами второго и третьего сумматоров 4 и 5,, выходы которых соединены с входами второго фазового детектора 7, выход которого через второй интегратор 9 соединен с управляющим входом управляемого усилителя 10.

Первый сумматор 3 и второй сумматор

4 по обоим своим входам имеют коэффициенты передачи, равным +1. Третий сумматор

5 по первому своему входу имеет коэффициент передачи, равный -1, а по своему второму входу - равный +1.

Устройство работает следующим образом.

Работа элементов по созданию фазового сдвига между входным и выходным сигналами точно на 90° иллюстрируется фиг.2. На фиг.2 символами UBX, Ui, 1)2 и из обозначены сигналы соответственно на входе устройства, на выходе устройства, на выходе фазосдвигающего элемента 1, на выходе управляемого делителя 2 напряжения и на выходе первого сумматора 3.

Пусть на входе устройства действует сигнал вида

10

DBX A COS М о t,

(1)

где А - амплитуда сигнала на входе устройства;

(О о круговая частота, и пусть фазосдвигающий элемент 1 имеет расстройку Л (вследствие изменения частоты входного сигнала либо вследствие изменения номиналов фазосдвигающей цепи). В этом случае сигнал на выходе фазосдвигающего элемента 1 имеет вид

Ui Acos( Wot+ 90°- )

(2)

В соответствии с логикой работы первого сумматора 3, первого фазового детектора 6 и первого интегратора 8, на выходе управляемого делителя 2 напряжения действует сигнал вида

1)2 sin (- )UBx -sin Д(/э A cos (i)0

(3)

Тогда сигнал на выходе первого сумматора 3 сдвинут точно на 90° относительно входного сигнала UBX.

Действительно, полагая, что

+ U2

(4)

и подставляя выражения (2) и (3) в (4), получим

Уз A cos A(p sin «о t.

Анализ выражения (5) показывает, что хотя сигнал на выходе первого сумматора 3 сдвинут относительно входного сигнала, описываемого выражением (1), точно на 90°, амплитуда выходного сигнала связана с расстройкой Ду зависимостью cos Д(/ и уменьшается до недопустимо малых величин при больших Дуэ , что делает в этих случаях устройство практически неработоспособным.

Рассмотрим теперь работу введенных блоков 4, 5, 7, 9 10, образующих цепь автоподстройки амплитуды выходного сигнала UBBIX- При этом сигнал 1)з с выхода первого сумматора 3 поступает на выход устройства

не непосредственно, а через управляемый усилитель 10.

Пусть в начальный момент времени на выходе второго интегратора 9 присутствует нулевое напряжение, т.е. на управляющем входе усилителя 10 присутствует нулевой уровень. В этом случае коэффициент усиления управляемого усилителя 10 равен 1 и, следовательно, на выходе устройства повторяется сигнал Us с входа усилителя 10:

U

Уз

(6)

Подставляя выражение (5) в равенство (6), получаем

UBbix A.COS Sin 0)0 Т.

Данная ситуация показана на векторной диаграмме на фиг.З. При этом на выходах второго и третьего сумматоров 4 и 5 появляются сигналы Щ и Us, определяемые правилами

U4 UBx + UBbix ;

U5 -UBx + UBbix

и показанные в виде векторов на фиг.З.

В силу неравенства амплитуд сигналов UBX и Us (см. фиг.2) векторы U4 и Us неортогональны (см. фиг.З). Сигнал, равный синусу угла неортогональности векторов U4 и Us (т.е. равный sin (90° - U40Us), выделяется вторым фазовым детектором 7 и после интегрирования во втором интеграторе 9 поступает на управляющий вход управляемого усилителя 10, замыкая тем самым обратную связь цепи автоматического регулирования амплитуды сигнала UBbix. Работа цепи фазовый детектор 7 - интегратор 9 - управляемый усилитель 10 не отличается от работы цепи фазовый детектор 6 - интегратор 8 - управляемый делитель 2 в прототипе.

Поскольку векторы U4 и Us становятся ортогональными лишь в случае равенства амплитуд сигналов UBX и UBUX, то сигнал на управляющем входе усилителя 10 постоянно поддерживается таким, что сигнал из усиливается до уровня UBX. При этом сигналы на выходах второго и третьего сумматоров Uf4 и U s становятся ортогональными (см. фиг.З), а автоматическое выполнение равенства UBbix UBx поддерживается вторым фазовым детектором 7 через второй интегратор 9 и управляющий вход управляемого усилителя 10.

Таким образом, происходит автоматическое поддержание неизменной амплитуды выходного сигнала.

Неизменность выходного сигнала (и ее инвариантность к частоте входного сигнала) выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа. Во-первых, заявляемое устройство обеспечивает высокие рабочие характеристики при использовании в нем в качестве фазосдвигающего элемента 1 простых и дешевых устройств.

В качестве примера рассмотрим выполнение фазосдвигающего элемента 1 в виде

тг/О

линии задержки на время t3 :

(Do

где Одэ 2 7Tf0 - центральная частота рабочего диапазона устройства.

Линия задержки является простым устройством и часто на практике выГюлняется в виде отрезка коаксиального кабеля.

Во-вторых, предположим что частота УВХ выходного гармонического сигнала UBx меняется в диапазоне (0 (1 ±2/3). В соответствии с известной формулой в t з это приводит к изменению фазового сдвига, создаваемого фазосдвига- ющим элементом 1, в тех же пределах

30

«-т

(1 ±0,66) или

35

в-т -т

Из последней формулы следует, что изменение частоты входного гармонического сигнала UBX на 2/3 относительно центральной частоты приводит к появлению погрешности Дуэ фазосдвигающего элемента 1 (относительно 90°) величиной ±60°.

В соответствии с формулой (5) в этом случае изменение амплитуды выходного

сигнала от номинального уровня составит (cos 60°) 100% 50%,

что существенно ограничивает область при- менения устройства (в частности, делает невозможным его использование в системах квадратурной обработки сигналов с меняющейся частотой).

Таким образом, вторым преимуществом заявляемого устройства по сравнению с прототипом является возможность его работы в диапазоне частот.

В-третьих, заявляемое устройство способно работать в более широком диапазоне

температур, давления и других дестабилизирующих факторов, вызывающих изменение Ауз фазосдвигающего элемента 1, поскольку увеличение погрешности фазосдвигающего элемента 1 не приводит к изменению амплитуды выходного сигнала.

Формула изобретения Устройство сдвига фазы на 90°, содержащее фазосдвигающий элемент, фазовый детектор, интегратор, вход которого соединен с выходом фазового детектора, один из входов которого соединен с входом фазосдвигающего элемента, являющегося входом устройства, делитель, управляемый по модулю и знаку коэффициента передачи, вход которого также подключен к входу устройства, а выход - к одному из входов сумматора,

к второму входу сумматора подключен выход фазосдвигающего элемента, а выход сумматора подключен к второму входу фазового детектора, отличающееся тем,

что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения постоянной амплитуды выходного сигнала, в него введены второй фазовый детектор, второй интегратор, управляемый усилитель, а также второй и третий сумматоры, первые входы которых подключены к входам устройства, вторые входы - к выходу устройства, а их выходы - к входам второго фазового детектора, выход которого через

второй интегратор соединен с управляющим входом управляемого усилителя, вход которого соединен с входом первого сумматора, а выход - с выходом устройства.

Использование: радиоизмерительная техника, для сдвига фазы на 90°. Сущность изобретения: устройство содержит фазосд- вигающий элемент (1), управляемый делитель 2 напряжения, сумматоры 3, 4, 5 фазовые детекторы 6,7, интеграторы 8, 9. управляемый усилитель 10. 3 ил.