Фазометр с частотным выходом Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, связанной с измерением фазового Cfoatira между двумя электрическими колебаниями, и может быть использовано в процессе разработки фазометрических устройств, предназначенных для различных радиотехнических систем.

Известен фазометр, в котором используется автогенераторное преобразование фаза - частота, соМержа&щй блоки Формирования вхо|1ных сигналов в опорном и информационном каналах и автогенераторный компенсационн1 1й блок преобразования, состоящий из последовательно соедшненных двух однополюсных модуляторов, управляемого Ксшиброванного фазовращателя и усилителя tl .

Указанное устройство обладает низкой точностью измерений из-за погрешностей калибровки управляемого фазовращателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электронный фазометр с частотным выходом, содержащий согласующие блоки в каналаД опорного и информационного входных сигналов, фазовый детектор, опорный генератор, соединенный с

ггервым входом фазового детектора, перестраиваемый по частоте генератор, блок управления которого соединен с выходом фазового детектора, линию задержки, вход которой подключен к выходу перестраиваемого генератора, кольцевое соединение, состоящее из последовательно включен10ных первого однополосного модулятора, подавителя амплитудной модуляции, третьего однополосного модулятора, резонансного усилителя, четвертого однополосного модулятора, причем выходы согласующих блоков соединены

15 соответственно .со в-1;Ь ыми входами первого и второго однсаолосных модуляторов, а вторые входы третьего и четвертого однополосных модулято20 ров ;оединены соответственно с выходом перестраиваемого генератора и с выходом линии задержки. При дос.таточно большом коэффициенте усиления резонансного усилителя в кольцевом соединении возникают автоколебания

25 и происходит преобразование измеряемого фазового сдвига в частоту колебаний перестраиваемого генератора благодаря применению системы фазовой автоподстройки часто30ты 2,

.Известное.устройство обладает низкой точностью измерения в широко частотном диапазоне и имеет узкий диапазон измерения фазовыхсдвигов.

.Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение диапазона измеряемых разностей фаз.

Поставленная цель достигается те что в фазометр, содержавши согласующие блоки в канале опорного и информационного входных сигналов, фазовый детектор, опорный генератор, соединенный с первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом резонансного усилителя, перестраиваемый по частоте генератор с блоком управления частотой, линию задержки,вход которой соединен с выхЪдом перестраиваемого генератора и последовательно соединенные в кольцевое соединени.е первый однополосный модулятор, йторрй однополосный модулятор, подавитель амплитудной модуляции, третий однополосный модулятор, резонансный усилитель, четвертый однополосный модулятор, причем вторые входы третьего и четвертого однополосных модуляторов соединенысоответственно с выходом перестраиваемого генератора и с выходом линии задержки, дополнительно введены четыре однополосных модулятора, гетеродин, две управляемые линии задержки и последовательно соединенны амплитудный детектор, генерат-ор линейно изменяющегося напряжения и электронный ключ, причем выходы согласующих блоков в канале опорного и информационного входных сигналов соединены с первыми входами пятого и шестого однополосннх модуляторов, выходы которых соединены с входами седьмого однополосного модулятора, выход которого через первую управляемую линию задержки соединен с вторым входом второго однополосного модулятора, а два выхода гетеродина соединены со вторыми входами пятого и шестого однополосных модуляторов и одновременно с входами восьмого однополосного модулятора, выход которого через вторую управляемую линию задержки соединен с вторым входом первого однополосного модулятора, кроме того, выход резонансного усилителя подключен ко входу амплитудного детектора выход которого соединен также со входом управления электронного ключ выход которого в свою очередь сое-, динен с входом управления блока управления перестраиваемого генератора, выход фазов-ого детектора соединен со вторым входом электронного ключа.

На чертеже представлена структурная схема фазометра.

Фазометр содержит: согласующие блоки 1 и 2; однополосные модуляторы 3, 4, б, 7, 11, 12, 14 и 16; гетеродин 5; управляемые линии 8 и 9 задержки; блок 10 управления; подавитель 13 амплитудной модуляции резонансный усилртель 15; фазовый .детектор Зг7; амплитудный детектор 1 электронный ключ 19; опорный генератор 20; блок 21 управления частотой подстраиваемого генератора; подстраиваегюлй генератор 22; линию 23 задержки; генератор 24 линейно изменяющегося напряжения, частотомер 25.

Устройство работает следующим образом.

На входы согласующих блоков 1 и подают опорный и информационный сигнешы с текущими фазами Ч и u) соответственно, которые затем поступают на первые входы однополосных модуляторов 3 и 4, На второй вход однополосного модулятора 3 с выхода гетеродина 5 поступает колебание с текущей фазой boJt+Чп. На выходе однополосного модулятора 3 выделяется колебание с текущей фазой (u)n-U))t + .и поступает на первый вход однополосного модулятора 6. С второго выхода гетеродина колебание с текущей фазой (uj2+2}t+ поступает на второй вход одноплосного модулятора 4, на выходе которого выделяется колебание с текущей фазой (i«J2+ft-u))t+422 % ° лебание поступает на второй вход однополосного модулятора 6, на выходе которого выделяется колебание с текущей фазой Яt+ ( Чг) + С Одновр 5 менно с этим колебания с выходов вт ер о дин а с текущими фазами (u),j+S)t+ и U)2t+ .(Поступают на выходы однополосного модулятора 7, на выходе которого при этом выделяется колебание с текущей фазой Slt+ (Ч22 - ) . Колебание с выхода одйополосного модулятора б проходит через управляемую линию 8 задержки, при этом текущая фаза колебания на входе .однополосного модулятора 12

равна S2t+(422- 21) - где Тз/, - время задержки сигнала в линии 8 задержки. Колебания с выхода однополосного модулятора 7. задерживается в управляемой линии 9 задержки йа время задержки Тз2 и поступает на вход однополосного модулятора 11 с текущей фазой Иt+

достаточно болшом коэффициенте усиления усилителя 15 в кольцевом соединении, образованном последовательно включенными однополосным модулятором 11, однополосным модулятором 12, подавителе 13 амплитудной модуляции, однополосным модулятором 14, резонансным усилителем 15 и однополосным модуля тором 16 , возникают автоколебания, так как при выполнении условий баланса фаз и амплитуд данное кольцевое соединение превращается в автоколебательную систему. Сигнал с выхода однополосного модулятора 16 по ступает на вход.однополосного модулятора 11 с текущей .фазой u)gt+tf, где Ыд - частота колебаний на выход однополосного модулятора 16; Ч - на чальная фаза. На выходе однополосного модулятора 11 выделяется колебание с суммарной (или разностной) частотой u)jj (а)дЧ-й () и поступает на вход однополосного модулятора 12, на выходе которого выделяете} колебание с разностной (или cyMviapHoft) частотойш -Д: ш {или t)j,+ ,,) . Таким образом, на выходе однополосного модулятора 12 выделяется колебание той же частоты что и на выходе однополосного модулятора 16. В процессе такого преобр зования частоты и в однополосных мод ляторах 11 и 12 измеряемый фазовый сдвигдЧ Ч2 и разность фазовых сдвигов в линиях 8 и 9 задержки Й( 51 переносятся на колебание выделяемое на выходе однополосного модулятора 12. Сигнал, проходяадй с выхода однополосного модулятора 16 на выход однополосного модулятора 12, претерпевает паразитный фазовый сдвиг (Шц+й) зп (или (,-Й) Ь где t-if i -время запаздывания сигнала в выходных цепях одйополосного модулятора 11. Следовательно, текущ фаза колебаний на выходе однополосного модулятора 12 равна + ()P3n + Q() + if, где Мл - начальная фаза автоколебаний. Колебания в цепях между входом однопол осного модулятора 13 и выходом однополосного модула-гора 12, а такж в цепях между выходом однополосного модулятора 16 и входом однополосног модулятора 11 претерпевают фазовый сдвиг, равный ШуТГ , где зэ мя запаздывания сигнала в перечисленных выше цепях. В процессе прохождения блоков 14-16 сигнал претер певает фазовый сдвиг, состоящий из сдвига в резонансном-усилителе (u),) T,jc, где -частота настройки усилителя, t-jc - время запаздывания сигнала в усилителе, и из сдвига, вносимого из-за возвратного преобразования частоты в однополосных модуляторах 14 и 16 со, стороны вторых входов этих модуляторов и равного (itnK где «12 частота колебаний генератора 20, 1Гд-, - время запаздывания сигнала в линии задержки 23. Общий фазовый сдвиг, полученный сигналом в процессе однократного прохождения кольцевого соединения, состоятего из блоков 11-16 составляет аЧ. (0,452)Г, ft(t,-1,|.и,,.(,)t3. и.,(1). -A f4%-«;sn/«( ,,(« в том случае, если | 2Fn., где , 1, 2, ..., то выполняется условие фаз и в кольцевсш соединении существуют автоколебаиия при достаточно большом зна1чении коэффициента усиления усилителя 15. На этапе конструктивной разработки устройства частота настройки резонансного усилителя 15 выбирается равной частоте WQ опорного генератора 20. При возникновении автоколебаний в замкнутом кольцевом соединении частота колебаний uj на входов усилителя 15 может несколько отличаться от резонансной частоты uj. В этом случае колебание с выхода резонансного усилителя поступает на вход амплитудного детектора 18, на выходе которого формируется постоянное напряжеиие, под воздействием которого электронный ключ 19 устанавливается в режим пропускания управляющего напряжения с выхода фазового детектора 17 иа управляющий вход блока 21 Управления.Одновременно на выходе фазового детектора 17 формируется управляющее напряжение вследствие несовпадения частот колебаний на выходах резонансного усилителя .15 и опорного генератора 20. Под воздействием этого управляющего напряжения блок 21 управления перестраива- ет частоту генератора 22 таким об- . разом, чтобы она стала равной . На начальном этапе автоколебания в замкнутом кольцевом соединении, состоящем из блоков 11-16, могут не возбуждаться из-за того, что условие фаз будет выполняться на частоте, не попадающей в пределы полостл пропускания резонансного усилителя 15. Тогда с выхода резонансного усилителя 15 не будет поступать колебание на вход амплитудного детектора 17 и на его выходе не будет постоянного управляющего напряжения. Электронный ключ 19 установится в режим пропускания сигнала с выхода генератора 24 линейно изменяющегося напряжения, который начнет вырабатывать линейно изменяющееся напряжение, под воздействием которого блок 21 управления будет изменять частоту колебаний подстраиваемого генератора 22 от минимгшьного значения Wjrmin сторону увеличения. При этом будет

изменяться вносимый сдвиг фаз в кольцевое соединение и условие фаз будет изменяться. В конце концов условие фаз выполнится на некоторой частоте tx, попадающей в пределы полосы пропускания резонансного усилителя 15, и в кольцевом соединении возникнут автоколебания, на входе амплитудного детектора 18 -появится колебание с определенной амплитудой а на его выходе сформируется управляющее постоянное напряжение, ;11од воздействием которого электронный ключ 19 перейдет в режим пропускайия управляющего сигнала с выхода фазового детектора 17. Под воздействием данного управляюще го напряжения блок 21 управления перестроит частоту генератора 22 до сов падения частоты колебаний на выходе резонансного усилителя 15 с частотой опорного генератора 20. На этом пе рестройка частоты генератора 22 прекратится. И по значению частоты, ге нератора 22, измеряемой частотомером 25, можно .судить о величине измеряемого фазового сдвига В процессе конструктивной разработки предлагаемого устройства шкала частотомера 21 может быть проградунрована в значениях фазового угла.

Перед выполнением измерений с помошыо данного фазометра производят корректировку фазовых набегов в коль цевом соединении. Для этого ни входы согласующих блоков 1 и 2 поДгиот два синфазных колебания, В этом случае в результате преобразований с сигналами, которые описана выше, установится частота колебаний пйд страиваемого генератора 22, значение которой может отличаться от ее номинального значения (соответствующего нулевому фазовому сдвигу на входах фазометра) из-за расстройки резонансного усилителя 15 относительно частоты Ыо опорного генератора 20, а также из-за влияния паразитного фазового сдвига в цепи между од нополосными модуляторами 11 и 12, Изменяя с помощью блока 10 управлени величины времени задержек , и tв линиях 8 и-9 задержки перестраиваем частоту подстраиваемого ген ератора 22 до ее номинального эначения, соответствующего нулевому фазовому сдвигу между входными опорным и информационным сигналами. При этом благодаря установке линий 8 и 9 задержки в замкнутое соединение, состоящее из блоков 11-16, вносится фазовый сдвиг Я (1:з2 - з-,) / который компенсирует паразитные фазовые сдвиги. В процессе конструктивной разработки параметры линий 8 и 9 можно выбрать такими, что при номинальном значении частоты колебаний

подстраиваемого генератора 22 и при нулевом фазовом сдвиге на входе фазометра будет выполняться условие

.« (( yc- F3y5 -| 2Лт(2

ИЛИ

.(S-S2; %S 4-vc-;s,tO (2с,;

где m 0, 1, 2, ,, .

После корректировки фазовых набе15 гов производят измерения с помощью данного фазометра, В процессе измерений на опорный и информационный входы подают колебания, фазовый сдвиг &Ч между которыми необходимо опре2Q делить. При этом в процессе преобразований с сигналами, описанными выше, установится частота колебаний подстраиваемого генератора, равная

(Э

U)2

При изменении величины измеряемого фазового сдвига будет изменяться частота автоколебаний в замкнутом кольцевом соединении, а следовательно, изменится частота колебаний на выходе резонансного усилителя 15,

Это приведет к появлению управляющего напряжения на выходе фазового детектора 17, под воздействием ко.торого блок 21 управления будет перестраивать частоту колебаний генератора 22 таким образом, чтобы изменение вносимого через линик 23 задержки фазового сдвига скомпенсировало изменение измеряемого фазового сдвига. По изменению частоты колебания подстраиваемого генератора 22,

регистрируемому частотомером 25, судят о величине изменения измеряемого фазового сдвига.

Изменение частоты входных опорного и информационного колебаний не будет сказываться на показаниях частотомера 25, так как при этом частота колебаний на выходах однопЬлосных модуляторов б и 7 будет оставаться

неизменной.

В процессе эксплуатации фазометра, разработанного в соответствии с предлагаемойJсхемой, с помощью управляемых линий 8 и 9 задержки

можно компенсировать отклонения аппаратурных фазовых сдвигов в кольцевом соединении, происходящие из-за нестабильности параметров элементов (из-за старения, изменения температуры и т.д.), и тем самым устранить влияние нестабильности аппаратурных фазовых сдвигов наточность измерени Применение схемы управления, состоящей из амплитудного детектора;1в генератора 24 линейно изменяющегося напряжения и электронного ключа 19, позволяет применить при разработке фазометра более узкополосный резонан сный усилитель 15 и тем самкт снизит уровень шумов, циркулирующих в замкнутс 4 кольцевом соединении, а сл« довательно, повысить стабильность частоты автоколебаний. Повшаение ста бильности частоты автоколебаний приводит, в свою очередь, к повышению стабильности частоты подстраиваемо го генератора 22, а следовательно, повышению точности измерений. Кроме того, .применение указанной cxeMtl управления позволяет расширить динамический диапазон измеряемых раз ностей фаз до пределов 0-2Я. В то время как в устройстве-прототипе, в которсил отсутствует указанная схема управления, диапазон измеряеких разностей фаз ограничивается линейНЕШ участком фазовой характеристики резонансного усилителя и примерно раSвен 0:7. Таким образом, предлагаемый фазометр обладает повЕлленной точностью измерений, более широким частотным диапазоном и более широким динамическим диапазоном измеряемых раз ностей фаз по сравнению с устройством-прототипом. Относительные погрешности измеряемой разности фаз не превыиают 10 . Формула изобретения Фазометр с частотным выходом, содержащий согласующие блоки в канале опорного и информащюнного вход1ШХ сиглалов, фазовый детектор, опорНБ генератор, соединенный с первым входом фазового детектора, .второй вход которого соединен с выходом резонансного усилителя, перестраиваемый по частоте генератор с блоком управления частотой, линию задержки, вход которой соединен с В ыходом перестраиваемого генератора к последовательно соединенные в кольцевое соединение первый однополосный модулятор, второй однополосный модулятор., подавитель амплитудной модуляции, третий однополосный модулятор, резонансный усилитель, четвертый однополосный модулятор, причем вторые входы третьего и четвертого однополосных модуляторов соединены соответственно с выходом перестраиваемого генератора и с выходом линии задержки, отлнч. ающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения диапазона измеряемых разностей фаз, в него дополнительно введены четыре однополосных модулятора, гетеродин, две управляеколе линии задержки и последовательно соединенные амплитудный детектор, генератор линейно изменяющегося напряжения и электронный ключ, причем выходы согласующих блоков в канале опорного и информационного входных сигналов соединены с первыми входами пятого и шестого однополосных модуляторов, выходы которых соединены с входами седьмого однополосного модулятора, выход которого через первую управляемую линию задержки соединён с вторым входом второго однополосного модулятора, а два выхода гетеродина соединены с вторыми входами пятого и шестого однополосных модуляторов и одновременно с входами восьмого однополосного модулятора, выход которого соединен через вторую управляемую линию задержки с вгорым входом первого однополосного модулятора, кроме того, выход резонансно«го усилителя соединен с входом амплитудного детектора, выход которого соединен также с входом управления электронного ключа, выход- которого, в свою очередь, соединен с входом управления блока управления перестраиваемого генератора, выход фазового детектора соединен с вторым входом электронного ключа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке 2654969/18-21, кл. G 01 R 25/04, 1979. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2847983/18-21, кл. G 01 R 25/00, 1979.