Устройство для измерения фазовых сдвигов

Устройство для измерения фазовых сдвигов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

„„SU„„91 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(5В G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ и вгеющ@е

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ р - -: - ц

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3491540/18-21 (22) 17.09.82 (46) 07.05.84 Бюл. Р 17 (72) С.В.Алексеев, С.Н.Луховской, И.И.Потапов и Д.Д.Юдин (53) 621.317.77(088.8) (56) 1. АвторСкое свидетельство СССР

Р 589236, кл. G 01 R 25/00, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 254651, кл. 0 01 В 25/00, 1970. (.54) (57)1,УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ФАЗОВЫХ СДВИГОВ, содержащее два усилителя-ограничителя, соединенные выходами с триггером, выход которого подсоединен к коммутатору выходов триггера, элемент совпадения, соединенный одним входом с коммутатором выходов триггера, а другим - с генератором-счетных импульсов, электронный счетчик и блок управления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено генератором, пятью высокочастотными (ВЧ) переключателями, согласующей нагрузкой, двумя каналами, включающими каждый развязывающий аттенюатор, ответвитель и преобразователь частоты, триггером, двумя вентилями и узлом автоматического . контроля, причем первый выход гене-.. ратора соединен с входом первого ВЧ переключателя, выходы которого соединены с первыми входами второго и третьего ВЧ переключателей, второй вход второго ВЧ переключателя соединен с согласующей нагрузкой, второй вход третьего ВЧ переключателя соединен с реальной нагрузкой,выходы второго и третьего ВЧ переключателей соединены с входами первого и второго развязывающих аттенюаторов, первые выходы ответвителей соединены с входом четвертого и пятого ВЧ переключателей, первые .выходы четвертого и пятого ВЧ переключателей соединены с входной и выходной клем. мами исследуемого ВЧ тракта, вторые выходы этих переключателей соединены между собой, вход управления каждого из пяти ВЧ переключателей соединен с соответствующим выходом блока управления, вторые входы преобразователей частоты соединены с вторым выходом генератора, а выходы - с входами усилителей-ограничителей, выход элемента совпадений соединен со счетным входом второго триггера и первым входом первого вентиля, выход второго триггера соединен с первым входом второго вентиля, вторые входы каждо- Q го из вентилей соединены с соответствующим выходом блока управления, выходы вентилей объединены и соедине ны со счетным входом электронного счетчика, вход управления реверсированием электронного счетчика соединен с выходом блока управления, а выходы — с входами узла автоматического контроля, вход управления которого соединен с выходом блока управления.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что узел автоматического контроля содержит два постоянных запоминающих блока, два элемента сравнения кодов, формирователь результатов контроля,,причем выходы первого постоянного запоминающего блока соединены с первыми входами первого элемента сравнения кодов, вторые входы которого и первые входы второго элемента сравнения ), Э кодов соединены с выходами электронного счетчика, а его вторые входы -. с выходами второго постоянного запоминающего блока, при этом выходы Элементов сравнения кодов соединены с входами формирователя результатов контроля, вход управления которого соединен с выходом блока управления1091091

Устройство относится к радиоизмерительной технике, в частности к фазометрии, и может быть использовано для прецизионного автоматического измерения фазовых сдвигов, вносимых высокочастотными элементами и трактаМИ а

Известен цифровой фазометр с постоянным временем измерения, который снабжен входным коммутатором и коммутатором выходов триггерного преобразователя фазовый сдвиг — временной интервал (1) .

Однако практическая реализация такого фазометра с выходными коммутаторами возможна при условии, что 15 коммутатор не вносит заметных дополнительных фазовых сдвигов. Поэтому при использовании его для измерения фазовых сдвигов на частотах выше

100 МГц необходимо обеспечивать ра- 0 венство электрических цепей входного коммутатора, т.е. его фазировку. Для оперативной фазировки входного коммутатора в диапазоне рабочих частот необходимо использовать фазометр бо- 5 лее высокого класса точности, чем фазируемый прибор, что на практике лишено смысла. Кроме того, при измерениях фазовых сдвигов на высоких частотах рассогласование входных и выходных цепей коммутатора также приводит к его расфазировке.

Наиболее близким по технической сущности н достигаемому результату к предлагаемому является фазометр, содержащий входной коммутатор, два усилителя-ограничителя, соединенные выходами с триггером, выход которого подсоединен к коммутатору выходов триггера, элемент совпадений, соединенный одним входом с коммутатором 40 входов триггера, а другим — с генератором счетных импульсов, электронный счетчик и блок управления (2) .

Однако известный фазометр не обеспечивает достоверные измерения фазо- 45 ,вых сдвигов на частотах выше 100 МГц,, так как входной ВЧ коммутатор. и линии связи вносят существенную погрешность. При этом у известного фазометра отсутствует оперативный контроль 50 работоспособности и точности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем обеспечения автоматической компенсации расфазировки опорного и измерительного каналов фазометра на высоких частотах и автоматического автономного контроля точности измерений и работоспособности.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения фазовых сдвигов, содержащее два усилителяограничителя, соединенные выходами с триггером выход которого подсоеди- g5 йен к коммутатору выходов триггера, элемент совпадений, соединенный одним входом с коммутатором выходов триггера,а другим — с генератором счетных ймпульсов, электронный счетчик и блок управления, снабжено генератором, пятью высокочастотными (ВЧ) переключателями, согласующей нагрузкой, двумя каналами, включающими каждый развязывающий аттенюатор, ответвитель и преобразователь частоты1 триггером, двумя вентилями и узлом автоматического контроля, причем первый выход генератора соединен с входом первого ВЧ переключателя, выходы которого соединены с первыми входами второго и третьего ВЧ переключателей, второй вход второго ВЧ переключателя соединен с согласующей нагрузкой, второй вход третьего ВЧ переключателя соединен с реальной нагрузкой, выходы второго и третьего

ВЧ переключателей соединены с входами первого и второго развязывающих аттенюаторов, первые выходы ответвителей соединены с входом четвертого и пятого ВЧ переключателей, первые выходы четвертого и пятого ВЧ переключателей соединены с входной и выходной клеммами исследуемого ВЧ тракта, вторые выходы этих переключателей соединены между собой, вход управления каждого из пяти ВЧ переключателей соединен с соответствующим выходом блока управления, вторые входы преобразователей частоты соединены с вторым выходом генератора, а выходы — с входами усилителей-ограничителей, выход элемента совпадений соединен со счетным входом второго триггера и первым входом первого вентиля, выход второго триггера соединен с первым входом второго вентиля, вторые входы каждого из вентилей соединены с соответствующим выходом блока управления, выходы вентилей объединены и соединены со счетным входом электронного счетчика, вход управления реверсированием - электронного счетчика соединен с выходом блока управления, а выходы— с входами узла автоматического контроля, вход управления которого соединен с выходом блока управления.

Кроме того, узел автоматического контроля содержит два постоянных запоминающих блока, два элемента сравнения кодов, формирователь результатов контроля, причем выходы первого постоянного запоминающего блока соединены с первыми входами первого элемента сравнения кодов, вторые входы которого и первые входы второго элемента сравнения кодов соединены с выходами электронного счетчика, его вторые входы — с выходами второго постоянного запоминающего блока, при

1091091 этом выходы элементов сравнения кодов соединены с входами формировате1 ля результатов контроля, вход управления которого соединен с выходом блока управления.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Первый выход генератора 1 соединен с входом ВЧ переключателя 2, выходы которого соединены с входами

ВЧ переключателей 3 и 4. Второй вход

ВЧ переключателя 3 соединен с согласующей нагрузкой 5, а второй вход

ВЧ переключателя 4 — с реальной нагрузкой 6. Выходы ВЧ переключателей

3 и 4 соединены с развязывающими ат- 15 тенюаторами 7 и 8, выходы которых соединены с ответвителями 9 и 10.

Первые выходы ответвителей 9 и 10 соединены с входами ВЧ переключателей 11 и 12. Одни выходы ВЧ переклю- 7р чателей 12 и 11 соединены между собой, а другие выходы †. с входом и выходом исследуемого ВЧ тракта 13.

Входы управления ВЧ переключателей

2, 3, 4, 11 и 12 соединены с соответ- у5 ствующими выходами блока 14 управления. Вторые выходы ответвителей 9 и 10 соединены с преобразователями

15 и 16 частоты. Вторые входы этих преобразователей соединены с вторым выходом генератора 1. Выходы преобразователей 15 и 16 частоты соединены с входами усилителей-ограничителей 17 и 18, выходы которых подключены к триггеру 19..Выходы последнего соединены с коммутатором 20 выходов триггера, выход которого соединен с входом элемента 21 совпадений. К другому входу элемента 21 совпадений подключен генератор 22 счетных импульсов . Вход этого генерато- 4р ра соединен с выходом блока 14. Выход элемента 21 совпадений соединен с входом вентиля 23 и счетным входом триггера 24, выход которого соединен с входом вентиля 25. Другие входы 45 вентилей 23 и 25 соединены с выходами блока 14. Выходы вентилей 23 и 25 объединены и соединены со счетным входом электронного счетчика 26 °

Вход управления счетчика 26 соединен 5р . с выходом блока 14. Выходы счетчика

26 соединены с входами узла 27 автоматического контроля работоспособности. Вход управления этого узла соединен с выходом блока 14.

Кроме того, узел 27 автоматического -контроля работоспособности содержит постоянные запоминающие блоки 28 и 29, элементы 30 и 31 сравнения кодов и формирователь 32 ре 60 зультатов контроля. Выходы постоянного запоминающего блока 28 соединены с входами элемента 30 сравнения кодов. Другие входы-этого элемента соединены с выходами счетчика 26. Первые входы элемента 31 сравнения кодов также соединены с выходами счетчика 26, а его вторые входы — с выходами постоянного запоминающего блока 29. Выходы элементов 30 и 31 сравнения кодов соединены с входами формирователя 32, вход управления которого соединен с блоком 17. Этот блок снабжен формирователем 33 временной базы, элементом 34 управления ВЧ переключателями и коммутатором выходов триггера, формирователем 35 импульса

"Конец измерения", формирователем

36 стробов "Контроль", "Измерение", "Компенсация", формирователем 37 импульсов опроса вентилей, элемент 38 управления реверсивным счетчиком, формирователем 39 импульса опроса результатов контроля. Причем выход генератора 22 соединен с формирователем 33, выход которого соединен с элементом 34 и формирователем 35.

Выход этого формирователя соединен с элементом 34 управления и формирователем 36. Выход последнего соединен с формирователем 37 элементом

38 управления и формирователем 39.

1

Устройство работает следующим образом.

Сигнал, имеющий частоту 1р, подается с помощью ВЧ переключателя 2 на

ВЧ переключатель 3 или 4. При этом выходы ВЧ переключателей 11 и 12 соединены между собой с помощью кабельной вставки определенной элект-. рической длины. Проходя через кабельную вставку в прямом или обратном направлении, сигнал генератора 1 приобретает фазовый сдвиг q или

360 — . Фазовый сдвиг щ отсчитывается от выходов ответвителей 9 и 10.

Ответвитель 9, преобразователь 15 частоты и усилитель-ограничитель 17 образуют опорный канал (канала) устройства, а ответвитель 10, преобразователь 16 частоты, усилитель-ограничитель 18 †измерительн канал(канал

Ц .Фазовый сдвиг g или 360О- с помо- щью преобразователей 15 и 16 переносится на низкую частоту 1„„ . Для этого c; второго выхода генератора 1 на преобразователи 15 и 16 подается сигнал, имеющий частоту1 =1 -1я„, который используется в качестве сигнала гетеродина . Частота этого сигнала отличается от частоты сигнала, проходящего через кабельную вставку или исследуемый ВЧ тракт, на фиксированную величину тч. Усилители-ограничители 17 и 18 усиливают сигнал, имеющий частоту i><, и формируют из него прямоугольнйе импульсы с корот,кими передними фронтами. Передние

:фронты этих импульсов привязаны по времени к моментам перехода гармони.ческих колебаний, имеющих частоту1, 1091091 цчЦ - 4

Ц 7

50 где (- фазовый сдвиг между вы" ходами ответвителей 9 и 10,. которые соединены с преобразователями 15 55 и 16 частоты; ЦЩЯ ф„ ф, фц,-фазовый сдвигi iвносимый каналом g устройства;

ЩЩЧ, фщ Щ „ Щ„; фазовый сдвиг, вносимый каналом Ъ устройства; 60 я,Ящ — фазовый сдвиг, вносимый ,ответвителями 9 и 10;

Я,, „ — фазовый сдвиг, вносимый линиями связи каналов а и Ъ устройства;

65 через нуль. Триггер 19 формирует прИмоугольный импульс, длительность которого прямо пропорциональна фазовому сдвигу или 360 - . Длительность этого импульса с помощью эле.мента 21 совпадений и генератора 22 преобразуется в число-импульсный код . значение которого N прямо пропорционально измеряемому фаэовому сдвигу.

Ренератор 22 стробируется сигналом, формируемым блоком 14.. Длительность пачки импульсов на выходе генератора 22, равна времени одного измерения фазового сдвига.,По мере формирования число-импульсный код Й накапливается в счетчике 26, а затеМ Фиксируется в нем.

Процесс измерения исследуемого фазового сдвига включает в себя два этапа: измерение фазового сдвига, вносимого исследуемым ВЧ трактом с 20 погрешностью расфазировки между измерительным и опорным каналами устройства, и автоматическую коррекцию результата измерения с учетом текущей расфазировки между измеритель- 25 ным и опорным каналом устройства.

При этом имеет место автоматический контроль точности измерений и работОспособности устройства.

Автоматический контроль точности 30 измерений и работоспособности производится за три цикла. В первом цикле сигнал генератора 1 с помощью пе-реключателя 2 подается на переключатель 3, который подключается к входу аттенюатора 7. Переключатели 11 и 12 подключены к кабельной перемычке, а переключатель 4 - к реальной нагрузке б. На вход элемента 21 совпадений с помощью коммутатора 20 подается сигнал с прямого выхода триг40 гера 19. Число-импульсный код на выходе элемента 21 совпадений делится на два с помощью триггера 24. Счетчик 26 работает на сложение импульсов. 45

После первого цикла измерения в счетчике 26 фиксируется код 1, значение которого соответствует фазовому сдвигу.

, Я, — Фазовый сдвиг, вносимый преобразователями 15 и

16 я,Ч1з- Фазовый сдвиг, вносимый усилителями-ограничителями 17 и 18;, Я,,Я, — фазовый сдвиг, вносимый триггером-19 по входам а и Ъ соответственно.

Во втором цикле сигнал генератора 1 с помощью переключателя 2 подается на переключатель 4, который подключается к входу аттенюатора 8, переключатели 11 и 12 подключаются к кабельной перемычке, а переключатель

3 подключен к согласующей нагрузке 5.

На вход элемента 21 совпадений с помощью коммутатора 20 подается сигнал с обратного выхода триггера 19. Число-импульсный код на выходе элемента

21 совпадений делится на два с помощью триггера 24. Счетчик 26 работает на сложение импульсов. При этом Фазовый сдвиг между выходами ответвителей 9 и 10, которые соединены с преобразователями 15 и 16, равен

360 -(.

Во втором цикле на вход счетчика

26 поступает число-импульсный код

И о.< „ значение которого соответствует фазовому сдвигу

36 0- ((36 0 - Ч) Чь Ча3

Ч 2 й- Ч,М/

Так как счетчик 26 в первом и втором циклах суммирует импульсы, то в нем фиксируется код

Я(у й(фФ Ngf)QQ ) который соответствует точному значению фазового сдвига при отсутствии неисправностей в устройстве.

Для установления факта работоспособности и определения текущей точности измерений в третьем цикле код автоматически сравнивается с кодаЧ ми верхнего и нижнего допустимых значений фазового сдвига (p и q а и N»-6 соответственно. Коду М» соответствует номинальное значение фазового сдвига а коду 6 — половина поля допуска на точность измерения фазового сдвига g . Код Й 1 + 6 хранится в блоке

29, а код Мз -а — в блоке 28.

Если текущее значение кода Й - c

6 и, сй, д, то погрешность измерений в допуске. В этом случае элемент 31 сравнения кодов Формирует сигнал

"Меньше", элемент 28 сравнения кодов — сигнал "Больше", а формирователь 32 — сигнал "Исправно". Если

mop N+> N, à или 1< и -g, то погрешность измерения превосходит допусти-. мое значение и формирователь 3? Формирует сигнал Неисправно", Опрос формирователя 32 производится сигналом с выхода блока 14. Сигнал "Ис1091091

q,=(q-q>-М1 1.

65 правно" "Неисправно") запоминается до следующего цикла контроля и индицируется .с помощью соответствующих индикационных ламп формирователя 32.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает автоматический 5 оперативный контроль точности измерений и работоспособности фазометрического устройства без расчленения радиочастотных соединений, т.е. в процессе измерений постоянно имеется 10 информация о том, что текущая погрешность измерения не превосходит задан ной величины + h, и все элементы устройства функционируют нормально. Эта информация воспроизводится перед каж-15 дым измерением фазового сдвига „, вносимого исследуемым ВЧ трактом.

Измерение фазового сдвига, вносимого исследуемым ВЧ трактом 13 (второй этап), производится за один цикл.2д

Для этого счетчик 26, устанавливается в исходное состояние. Переключатели

2, 3, 11, 12 и 4 с помощью сигналов с выходов блока 14 устанавливаются в положения, котоРые показаны на чер-g5 теже. Сигнал генератора 1 проходит через исследуемый ВЧ тракт и поступает в нагрузку 6. На вход элемента 21 совпадений подается сигнал с прямого входа триггера 19.Сигнал с выхода элемен; о .та 21 совпадений минует триггер 24 и через вентиль 23 подается на счетчик 26, который работает на сложение импульсов. В счетчике 26 фиксируется код Nqg значение которого соответ- 35 ствует,фазовому сдвигу

1 =4 в

Таким образом, устройство измеряет исследуемый фазовый сдвиг щ с погрешностью (jb-q . Эта погрешность представляет собой текущую расфазировку между измерительным и опорным каналами устройства.

На третьем этапе измерений определяется величинами -q и производится 45 автоматическая коррекция результата измерениЯ. Эти операции производятся с помощью счетчика 26 за два цикла.

В первом цикле исследуемый ВЧ тракт

13 отключается .оТ входов фазометра. 50

Сигнал генератора 1 проходит через переключатель 3, кабельную перемычку 11 и 12 и поступает в нагрузку 6 .

На вход элемента 21 совпадений подается сигнал с прямого выхода триг- 55 гера 19. Число-импульсный код М с выхода элемента 21 совпадений с помощью триггера 24 делится на два и через вентиль 25 подается на счет-, чик 26, который работает на вычита- 6p ние импульсов.

Этому коду соответствует фазовый сдвиг

При этом в счетчике 26 Фиксирует-. ся разность кодов МЧ„иН, которой соответствует фазовый сдвиг 4ш= к Чв а 4 Чв аМ °

Во втором цикле исследуемый ВЧ тракт 13 также отключен. Сигнал генератора 1 проходит через переключатель 4, кабельную перемычку между переключателями 11 и 12 и поступает в нагрузку 5. На вход элемента 21 совпадений подается сигнал с обратного выхода триггера 19. Число-импульсный код N> o< с .выхода элемента 21 совпадений делится на два с помощью триггера 24 и через вентиль

25 поступает на счетчик 26, который в этом цикле работает на сложение ! импульсов.

Коду И „оо соответствует фазовый сдвиг

360 — ((360 - q» Чъ Wà,)

= — — — — — — — — — — — =(Ч.Ч ЧУ2 «=

При этом в счетчике 26 фиксируетN „„Nö -, Н

Этому коду соответствует фазовый сдвиг

1 la Чк «= к) т.е.с 1 = х.

Таким образом, автоматически без расчленения радиочастотных соединений компенсируется погрешность измерения, обусловленная текущей расфа" зировкой измерительного и опорного каналов устройства и получают точное абсолютное значение фазового сдвига который вносит ВЧ тракт с ВЧ ком-. мутаторами на его входе и выходе. В предлагаемом устройстве изменения параметров элементов из-эа старения и уходы их, обусловленные изменением условий окружающей среды, не оказывают влияния на точность измерения фазовых сдвигов. Следовательно, обеспечивается повышенная параметрическая надежность предлагаемого устройства и, соответственйо, повышается достоверность измерений.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого устройства заключается в том, что обеспечивается воэможность автоматического измерения абсолютных фазовых сдвигов, вносимых ВЧ трактами с ВЧ коммутаторами на их входе и выходе, без расчленения радиочастотных соединений, а также воэможность оперативного автономного контроля точности измерений и работоспособности устройства, что существенно увеличивает информационную надежность устройства и упрощает, его ремонт и поверку. Существенно увеличена параметрическая надежность измерителя и достоверность измерений при длитель9 1091091 I0

Составитель А.Статростина

Редактор A.Êóðàõ Техред A.Áàáèíeo. Корректор А.Зимокосов

Заказ 3026/42 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал IIIIII "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 ной непрерывной эксплуатации и вариации условий окружающей среды.

Кроме того, обеспечена возможность произвольного пространственного расположения элементов предлагаемого устройства и исследуемых ВЧ трактов на объекте без снижения точности измерений. При этом отсутствует необходимость фазирования опорного и измерительного каналов устройства, отсутствует необходимость ручной 10 или автоматической калибровки устройства перед измерениями абсолютных фазовых сдвигов, резко снижаются требования к разбросу и стабильности фазовых характеристик активных и пассивных элементов устройства.

В предлагаемом устройстве резко снижаются требования к раэбросу и стабильности длительности фронтов импульсов и порогов срабатывания уси,лителей-ограничителей и преобразова телей фазовый сдвиг — временной интервал. Последние два фактора означают, что для реализации устройства не требуются прецизионные элементы.

Следовательно, предлагаемое устройство обладает высокой технологичностью, что весьма важно при серийном производстве аппаратуры.