Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов

Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских. Социалистических

Республик (и19991 55

1. °

Ф; (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 170381, (21) 3262342/18-21

РЦМ g> з с присоединением заявки ¹Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий Н 03 K 13/20 (23) Приоритет (33) УДК681. 325 (088.8) Опубликовано 23.0283, Бюллетень ¹ 7

Дата опубликования описания 2302B3 .

i> т. . и .И.,,Ларшов, "" " -". В.A. Яцкевич, И.Ф. Добровольский

Е.A. Алтухов и Г.П. Аляш (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Гомельский государственный университет

Г (54) УСТРОЙСТВО. ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ

f 2

Изобретение относится к области Наиболее близким по технической радиоизмерительной техники, а точ- . сущности к изобретению является комнее к устройствам для измерения ам- пенсационный вольтметр, состоящий плитуды переменного напряжения в диа- из регулируемого источника постоян. пазоне.частот, и может быть использо- ного напряжения, диода, двух резисто"

Ф вано в качестве цифрового управля- ров, конденсатора и компаратора (магемого преобразователя в составе ав- нитоэлектрического гальванометра), томатизированного измерительного ком- причем анод диода присоединен к пералекса. 10 вой входной шине, а катод через конИзъестен преобразователь измерения денсатор подключен к второй входной амплитуды, содержащий элемент сравне- шине к одному выводу первого резистония, усилитель постоянного тока, ам- ра, параллельно которому подключен плитудный детектор буферный усили . источник напряжения постоянного тока, тель, и цепь опорного канала r 1Q, . а между катодом диода н шиной источВ устройстве происжщит сравненйе 15 ника напряжения подключен компараамплитуд входных сигналов с компенса- тор (23. ционным напряжением, по величине ico-.. В известном вольтметре после про« торого определяется -измеряемое вход- ведения начальной калибровки произвоное напряжение. В тех случаях, когда дят измерение амплитуды входного сигвходное переменное напряжение содер- нала путем регулирования компенсаци.жит постоянную составляющую, например, онного напряжения до момента срабаты за счет наводки во входных цепях, то вания компаратора (отсутствия тока в ее амплитуда определяется с учетом - гальванометре) и по значению величивеличины этой наводки, Таким образом, иы компенсационного напряжения в моточность измерения в известных уст- 25 мент срабатывания определяют значение ройствах значительно снижается при амплитуды измеряемого сигнала. наличии постоянной составляющей на- (.Иэвестный компенсационный вольтпряжения на входе, при этом ограничи метр работает по схеме последователь. вается применимость подобных уст-. ; ного детектирования (вольтметр с отройств. ЗО крыться входом), При этом на входе

999155 вольтметра отсутствует разделительный конденсатор и ток детектирования протекает через цепь измеряемого напряжения, что ограничивает применимость вольтметров, так как их нельзя испольэовать для измерений напряжения переменного тока в цепях с постоянной составляющей. При измерениях, производимых при наличии постоянной составляющей(например, наводки на входных цепях1, точность определения амплитуды переменного сигнала значительно снижается, так как измеренное значение соответствует максимальному значению суммарного напряжения на входе.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов, содержащее регулируемый источник постоянного напряжения, первый компаратор и первый конденсатор, один вывод которого подключен к катоду первого диода, анод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина подключена к первому выводу первого резистора, введены блок сложения, два регистра,три ре зистора вторые компаратор и диод, конденсатор, первый вывод которого подключен к аноду второго диода, катод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина через второй резистор, по величине равный первому, подключена к второму выводу второго Нзнденсатора и первому выводу второго дросселя, а второй вывод первого резистора присоединен к второму выводу первого конденсатора и первому выводу первого дросселя, а выводы первого и второго конденсаторов подключены соответст веонно к входам первого и второго компараторов,параллельно которым подключены третий и.четвертый резисторы,выход первого компаратора подключен к разрешающему входу первого регистора, выход второго компаратора подключен к ра=-решающему входу второго регистра, информационные входы одинаковых разрядов первого и второго регистров подключены к соответствующим выходным разрядннм шинам регулируеМого источника постоянного напряжения, первая и вторая выходные шины которого подключены к вторым выводам первого и второго дросселей, а тактовые выходы присоединены к стробирующим входам компараторов,.-выходные разрядные шины первого и второго регистров подключены к разрядным входам блока сложения.

Причем, регулируемый источник постоянного напряжения включает счетчик импульсов, выходные разрядные шины которого соответственно подключены к выходным разрядным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, входам первого элемента И и управляющим входам цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к выходным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, счетный вход счетчика импуль,сов подключен к выходу второго элемента И и тактовЫм выходам регулируемого источника постоянного напряжения, первый вход второго элемента

И присоединен к выходу генератора

15 тактовых импульсов, а второй вход подключен к прямому выходу триггера, инверсный выход которого присоединен к установочному входу счетчика импульсов, при этом прямой вход триггера подключен к шине установочного входа триггера, а инверсный вход подключен к выходу первого элемента И.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для изме25 рения амплитуды высокочастотных сигналов.

Устройство содержит конденсатор 1, диод 2, первую входную шину 3, вторую входную шину 4, резистор 5, дроссель

30 6, конденсатор 7, диод 8 резистор 9, дроссель 10, компаратор 11 и 12, резисторы 13 и 14, регистры 15 и 16, информационные входы 17 регистров, регулируемый источник 18 постоянного напряжения, блок 19 сложения, счетчик 20 импульсов, элемент 21 И, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 22, элемент 23 И, генератор 24 тактовых импульсов, триггер 25, шину 26 установочного входа триггера.

Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов работает следующим образом.

При подаче пускового импульса на . шину 26 установочного входа тригге45 ра на выходных шинах регулируемого источника 18 постоянного напряжения появляется напряжение, возрастающее во времени по линейно-ступенчатому закону, причем каждый скачок напряже59 ния соответствует определенному шагу квантования. Одновременно с этим на

Ф выходных разрядных шинах регулируемого источника 18 постоянного напряжения появляется двоичный цифровой код, причем в каждый момент времени величина напряжения на выходных ., клеммах регулируемого источника 18 в четыре раза больше значения, которое определяется цифровым кодом на выходных разрядных шинах, т.е.

4 С„= К "Ьь х,„, ® где . и,;- цифровое значение напряжения, определяемое ко65 дом в момент времени

999155

0 .. - величина напряжения на

ИЬЩ ник 18 постоянного напряжения возвравыходных клеммах в момент щает я в исходное состояние. времени t Указанный режим работы осуществляК вЂ” постоянный коэффициент ется следующим образом. преобразования. Пусковой импульс поступает на шиИзмеряемое входное напряжение U„, ну 26, триггер 25 опрокидывается и

5, приложенное к входным клеммам 3 и 4, своим сигналом с прямого в» хода разскладывается с линейно-ступенчаты- решает прохождение импульсов с выми напряжениямина резисторах 5 и9,pas- хода генератора 24 тактовых импульн и соответственн 1 0 «1 »ов через второй элемент И на счетный

2 М" 2 "К" еэуль !О вход счетчика 20 рвжульсов и стробитирующие напряженияц „иц приклады- рующие входы компараторов 11 и 12. ваются соответственно между като- На выходе счетчика 20 появляется дом второго диода 2 и выводом конден- цифРовой код, котоРый возРастает по сатора 7, и между анодом первого дио- мере поступления тактовых импульсов. да 2 и выводом конденсатора 1, кото- 15 Цифровой код с выхода счетчика 20 рые образуют два амплитудных детек- поступает на выходные разрядные шитора. Полярность диодов 2 и 8 выбра- ны, подключенные к информационным на таким образом, что напряжение на входам регистров 15 и 16, и на уппервом конденсаторе 1 U равно поло- равляющие входы цифро-аналогового жительной амплитуде результирующего 20 преобразователя 22, на выходе которонапряжения Up, а напряжение на кон- го появляется соответствующее наденсаторе 7 0 равно отрицательной пряжение, величина. которого связана амплитуде результирующего напряже- соотношением (1) с цифровым кодом ния Up. В процессе увеличения напря- íà его входах. При заполнении счетже». ия на входе регулирующего линейно-25 чика 20 на выходе первого элемента ступенчатого источника 18 напряже- 21 И появляется сигнал, который возния продетектированные напряжения вращает триггер 26 в исходное сос"» . Ut. и цс — на конденсаторах 1 и 7 тояние, при этом прекращается постууменьшаются. К моменту t величина ц,,пление тактовых импульсов на счетК оказывается равной нулю . () ный вход счетчика 20 и стро») » - ()- уд„ () бирующие входы компараторов 11 и 12, а сигнал с инверсного выхода триггеПри этом выключается компаратор 12 ра 25 производит сброс счетчика 20 и в регистре 16 фиксируется цифровой в нулевое состояние. код Нк

Нк °

35 Измерение входного напряжения происходит следующим образом.

К моменту t âåëè÷èíà 0; оказы+ Н а входные шины 3 и 4 поступает вается равной нулю ц = 0 =(ц+ +ц ) измеряем е напРяжение, имеющее в оби1 о щем случае постоянную составляющую

2 0 или UNи 2(0»и+цо) .

При этом выключается компаратор 11 и ()х=() М а () () т ()о, в регистре 15 фиксируется мод К где 0„ — напряжение на входных шишинах 3 и 4; йи щ - кцйи. цм - амплитуда измеряемого напря45

Результирующий код на выходе блока U> — постоянная составляющая на19 сложения N = N + Н соответству-

ИЬМ пряжения. ет значению ™ Входные цепи, образованные из первого диода 2 и первого конденсаторэ 1, „ (() +() ) (— „„ . - второго диода 8 и второго конденсато„ 1 ф ра 7, представляют собой два.амплиИз последнего выражения видно, что вы- тудных детектора с откРытым вхоДом. бор величины напряжения на выходе ре- ПоэтоМУ входное напряжение UX чеРез гулируемого источника в 4 раза больше первый диод 2 поступает в цепь заряэначения, определяемого кодом на его да первого конденсатора 1,который за,входах, обеспечивает получение резуль55 ряжается до максимального значения, тата измеРениЯ N>>>,неПосРедственно пРиблизительно Равного (ц,и +О ). равного усредненйойамплитуде входного Причем наодном вйводепервого конденсаГ сигнала.сучетом лишь коэффициента пре- тора 1,подключенномк анодудиода 2, при образования (т.е.без дополнительного сутствует положительный потенциал. масштабного множителя). 69 Аналогичным образом через диод 8 проНапряжение на выходных клеммах и исходит заряд второго конденсатора 7, величина цифрового кода увеличивают- причем на одном выводе конденсатора ся до максимальных значений, после 7, подключенном к аноду диода 8, чего скачкообраэно уменьшаются до ну- присутствует отрицательный потенциал, левых значений, и регулируемый источ-65 приблизительно равный (0„„-0>).

999155 овр 13,44 ар (y) 20 где Р„р и R - прямое и обратное сопротивления диодов, ОБР

2и8,0м, Р— величина сопротивле1,и ния резисторов 13 и 14, Ом.

Из неравенства (3) также следует, что включение резисторов 5 и 9, имеющих небольшое сопротивление(соизме- 30 римое с прямым сопротивлением R> диодов 2 и 8), не влияет на процес амплитудного выпрямпения.

Непосредственно процесс измерения начинается подачей пускового импуль- 35 са на шину 26, после чего линейноступенчатое напря>азине с выходных шин регулируемого источника 18 переменного напряжения через обмотки дросселей б и 10 оказывается прило- 40 женным к двум последовательно включенным и равным по величине резисторам 5 и 9, между которыми напряжение делится по ровну. Эти напряжения на резисторах 5 и 9 с учетом их знака складываются с напряжением U> на входных клеммах 3 и 4 таким обра-. зом, что к аноду первого диода 2 и другому выводу конденсатора 1 оказывается приложенным. результирующее на« пряжение с амплитудой и положительной полярности U, равной

+ ()р (Ощ+ ()о )

2 (41 где U+ - положительная амплитуда результирующего напряжения„В;

U . - напряжение на выходных шинах регулируемого источника 18 в момент времени t„ ÌÎ

U — амплитуда измеряемого на; !

М пряжения положительной полярности, В.

К аноду второго диода 8 и другому выводу конденсатора 7 в этот же мо- .65

Выводы компараторов 11 и 12 подключены к конденсаторам 1 и 7 таким образом, что напряжения на этих конденсаторах указанной полярности вызывают их срабатывание, однако разрешающий сигнал на выходах -компарато- 5 ров 11 и 12 не появляется, так как на их стробирующие входы не подаются тактовые импульсы. Поскольку входное сопротивление компараторов

11 и 12 велико, (соизмеримо с обратным сопротивлением дйодов 2 и 8), то для обеспечения нормальной работы рассмотренных амплитудных детекторов параллельно входам компараторов 11 и 12 подключаются резисторы 13 и 14, 15 значения. которых выбраны из известI ных соотношений для амплитудных детекторов мент времени t приложено результирую щее напряжение с амплитудой отрицательной полярности Uð, равной

"Р= (-Uvn!.Uo)+2", (5) где U - амплитуда измеряемого напряжения отрицательной полярности В, По мере поступления тактовых импульсов на вход счетчика 20, значение выходного напряжения U и цифрового кода на выходах регулируемого источника 18 возрастает, соответственно возрастает и падение напряжения †- на резисторах 5 и 9 что, в

UH свою очередь, вызывает уменьшение амплитуды положительной полярности напряжения U+ и уменьшение амплитуды

P отрицательйой полярности UP . Соответственно уменьшается и вйпрямленное напряжение на конденсаторах 1 и 7 равное этим амплитудам.

Так как компараторы 11 и 12 находятся во включенном состоянии, то поступление тактовых импульсов на их стробирующие входы вызывает появление ° на их выходах разрешающих сигналов, которые поступают. на разрешающие входы регистров 15 и 16 и обеспечивают занесение в регистры 15 и 16 текущих эначсний цифрового кода с выходных разрядных шин регулируемого источника 18.

В момент времени t когда напряжение на конденсаторе 7 становится равным нулю, величина напряжения UN„ на выходе регулируемого источника 18 равна

U„ 2(U U,) (6).

При этом выключается компаратор

12, с его выхода прекращается поступление разрешающих сигналов, в регистре 16 фиксируется занесенный цифровой код Мк, который поступает в момент . времени t<

О" к

i (7) NÄ - - К(О -U ), (8) где йк — цифровое значение напряжения, определяемое кодом в момент ск!

U - напряжение на выходе источйк ника 18 в момент

В момент времени с„, когда напряжение на конденсаторе 1 становится равным нулю, величина. напряжения U „ на выходе регулируемого источника 18 равна: ! !! (9) а цифровой код N â этот же момент времени с учетом выражений (1) (4) и (9) равен йь 2 к (ое+00) (10)

999155 где NN - цифровое, значение напряжения, определяемое в момент времени t

Значение цифрового кода й„ фикси руется s регистре 15,так как - этого момента выключаетая компаратор 11 °

После того, как выходное напряжение источника 18 достигает максимального значения, срабатывает триггер 25, который блокирует поступление тактовых импульсов на стробирующие входы компараторов и устанавливает источник 18 в исходное состояние.

Значения цифровых кодов N и й„, зафиксированные соответственно в регистрах 15 и 1б, поступают на разряд-15 ные входы блока 19 сложения, где осуществляется операция сложения двоичных чисел, заданных в виде кодов й,„ и NN. Результирующее двоичное число и на выходных шинах блока 19 сложе-20 ния оказывается равным

% й. и +й (11) или с учетом (8) и (10)

25 и и= к(о4,+о,)+(о-Ц)=ко . Ию

Таким образом, в результате одного цикла измерения на выходе блока 19 сложения появляется значение измеряемой амплитуды 0„, представленной в цифровой форме. Этот цифровой код и поступает на устройство индикации или вычислительное устройство для запоминания и обработки (на чертеже не изображено).

Подключение дросселей б и 10 исключает влияние внутреннего выходного сопротивления регулируемого источника

18 на прохождение высокочастотного ° входного сигнала. 40

Полярность постоянной составляющей напряжения U значения не имеет, так как в процессе сложения кодов (12) она компенсируется (вычитается).

B результате измерения происходит 45 осреднение значений положительной и отрицательной амплитуд 0 и U èç1 меряемого сигнала, что так же повыаает точность измерения.

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с известным заключается в возможности производить измерения амплитуд при наличии постоянной составляющей. При этом сохраняются все достоинства компенсагионно- 55

ro способа измерения и, более того, повышается точность измерения за счет осреднения значений амплитуд разной полярности. Предварительная калибровка выпрямительных диодов и 60 учет их параметров прн обработке результатов во внешнем вычислительном устройстве позволяют также исключить известную операцию калибровки ("установка нуля"). 65,Формула изобретения

1. Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов, содержащее регулируемый источник постоянного напряжения, первый компаратор и первый конденсатор, один вывод которого подключен к катоду первого диода, анод которого присое-: динен к входной шине, а вторая входная шина подключена к первому выводу первого резистора, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повыаения точности и расширения функциональных возможностей устройства, в него введены блок сложения, два регистра, три резистора, вторые компаратор и диод, конденсатор, первый вывод которого подключен к аноду второго диода, катод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина через второй резистор, по величине равный первому, подключена, к второму выводу второго конденсатора и первому выводу второго дросселя, а второй вывод первого резистора присоединен к второму выводу первого конденсатора и первому выводу первого дросселя, а выводы первого и второго конденсаторов подключены соответственно к входам первого и второго компарато-. ров, параллельно которым подключены третий и четвертый резисторы, выход первого компаратора подключен к разрешающему входу первого регистра, выход второго компаратора подключен к разрешающему входу второго регистра информационные входы одинаковых разрядов первого и второго регистров подключены к соответствующим выходным разряднык шинам регулируемого источника постоянного напряжения, первая и вторая выходные шины которого подключены к вторым выводам первого и второго дросселей, тактовые выходы присоединены к стробирующим входам компараторов, а выходные разрядные шины первого и второго регистров подключены к разрядным входам блока сложения.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что регулируемый источник постоянного напряжения включает счетчик импульсов, выходные разряд: ые шины которого соответственно подключены к выходным разрядным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, входам первого элемента И и управляющим входам цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к выходным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу второго элемента И и тактовыми выходам регулируемого источника постоянного напряжения, первый вход вто1

11 рого элемента И присоединен к выходу генератора тактовых импульсов, а второй вход подключен к прямому выходу триггера, инверсный выход которого присоединен к установочному входу счетчика импульсов, при этом прямой вход триггера подключен к шине установочного входа триггера, а инверсный вход соединен с выходом первого элемента И..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мартяшин A.È. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М., "Энергия", 1976, с. 139, рис. 3.7.

2, Федоров A.Ì. Диодные компенсационные вольтметры. М., "Стандарты", 1976, с. 12.