Фазометр с частотным выходом

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (щ993 1 47 (6!) Дополнительное к авт. свид-ву (51) М. Ка.з (22) Заявлено 2LD5,81 (21) 3293088/18-21 с присоединением заявки Hо (23) Приоритет

G 01 R 25/00

Государственный комитет

СССР яо данам язобретеииЯ и открытиЯ

Опубликовано 30D L83. Áþëëåòåíü 1чо 4 (53) УДК 621. 317..7V<0В8.81

Дата опубликования описания 30.01.83 * 3

К.Д.Абрамов, В.Я.Баржин, A.A.Çåëåíñêaé и Е.С .КолЕсинк (72) Авторы изобретения

М - - *

Харьковский ордена Ленина авиационный кистин им. Н.Е.Жуковского (71) Заявитель (54) ФАЗОМЕТР С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

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

Известен фаэометр, в котором используется автогенераторное преобразование фаза - частота, содержащий блоки формирования входных сигналов в опорном и информационном каналах и автогенераторный компенсационный блок преобразования, состоящий as последовательно соединенных двух однополюсных модуляторов, управляемого калиброванного фазовращателя и усилителя (1 ).

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, ссдержащий согласующие блоки в каналах опорного и информационного входных сигналов, фазовый детектор, опорный генератор, соединенный с первым входом фазового детектора, перестранваемый по частоте генератор, блок управления которого соединен с выходом фазового детектора, линию задержки, вход которой подключен к выходу перестраиваемого re нератора, кольцевое соединение, состоящее из последовательно включен10 ных первого однополосного модулятора, подавителя амплитудной модуляции, третьего однополосного модулятора, резонансного усилителя, четвертого однополосного модулятора, причем выходы согласующих блоков соединены соответственно со вторыми входами первого и второго однополосных модуляторов, а вторые входы третьего и четвертого однополосных модулято2О ров соединены соответственно с выходом перестраиваемого генератора и с выходом линии задержки. При достаточно большом коэффициенте усиления резонансного усилителя в кольцевом соединении возникают автоколебания и происходит преобразование измеряемого фазового сдвига в частоту ко.лебаний перестраиваемого генератора благодаря применению системы фазовой автоподстройки частоЗО,„(2 ) 99314»

Известное. устройство обладает низкой точностью измерения в широком частотном диапазоне и имеет узкий диапазон измерения фазовых сдвигов.

Цель изобретения — повышение точности измерений и расширение диапазона измеряемых разностей фаэ.

Поставленная цель достигается тем, что в фаэометр, содержащий согласую- щие 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 выходом перестраиваемого генератора и последовательно соединенные в кольцевое соединение первый однополосный модулятор, вторцй 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, дополнительно введены четыре однополосных модулятора, ге- теродин, две управляемые 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 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 ключа, выход которого в свою очередь соединен с входом управления блока управления перестраиваемого генерато-. ра, выход фазового детектора соединен со вторым входом электронного ключа.

На чертеже представлена структурная схема фазометра.

15

Фаэометр содержит: согласующие блоки 1 и 2; однополосные модуляторы 3, 4, б, 7, ll, 12, 14 и 16; гетеродин 5; управляемые линии 8 и 9 задержки; блок 10 управления; подавитель 13 амплитудной модуляции; резонансный усилитель 15; фазовый детектор ?7; амплитудный детектор 18; электронный ключ 19; опорный генератор 20; блок 21 управления частотой подстраиваемого генератора; подстраиваемый генератор 22» линию 23 задержки; генератор 24 линейно изменяющегося напряжения, частотомер

25. устройство работает следующим образом.

На входы согласующих блоков 1 и 2 подают Опорный и информационный сигналы с текущими фазами u>t+ 4 и + Ч2 соответственно, которые затем поступают на первые входы однополосных модуляторов 3 и 4. на второй вход однополосного модулятора 3

25 с выхода гетеродина 5 поступает колебание с текущей фазойс»»С+ Y „.

На выходе однополосного модулятора

3 выделяется колебание с текущей фазой (а» -в)t + g - » и поступает

21 1

30 на первый вход однополосного модулятора б. С второго выхода гетеродина 5 колебание с текущей фазой (м2+Я ) t+

+Ц22 поступает на второй вход однопо. лосного модулятора 4, на выходе коЗ5 торого выделяется колебание с текущей фазой (»»»2+2-M) t+ 22 Ч . это лебание поступает на второЪ вход однополосного модулятора б, на выходе которого выделяется колебание с текущей фазой Я +(2 — Ч )+((, -Ч )

Одновр ».менно с этим колебания с вы22 21 1 2 ходов етеродина с текущими фазами (2+%) t+ 922 и ш2 + Ч2„поступают на выходы однополосного модулятора 7, на выходе которого при этом выделяется колебание с текущей фазой

21+(Ч22 — Ч2„) . Колебание с выхода однополосного модулятора б проходит через управляемую линию 8 задержки, при этом текущая фаза колебания на

5О входе :однополосного модулятора 12

Равна at+(922- 92„)+ 5 1 - e>)+ Qi>, где», „- время задержки сигнала в линии 8 задержки. Колебания с выхода однополосного модулятора 7. за55 держивается в управляемой линии 9 задержки на время задержки ».32 и поступает на вход однополосного модулятора ll с текущей фазой Я.1+

+(Ч22- 21)+ Я При достаточно боль60 шом коэффициенте усиления усилителя

15 в кольцевом соединении, образованном последовательно включенными однополосным модулятором 11, однополосным модулятором 12, подавителем

65 13 амплитуднОй мОдуляциир ОднОпО993)47

На этапе конструктивной разработки устройства частота настройки резонансного усилителя 15 выбирается

20 равной частоте wa опорного генерато ра 20. При возникновении автоколебаний в замкнутом кольцевом соединении частота колебаний ы на входе усилителя 15.может несколько отличаться от резонансной .частоты w . В этом случае колебание с выхода резонансного усилителя поступает на вход амплитудного детектора 18, на выходе которого формируется постоян30. ное напряжение, под воздействием .которого электронный ключ 19 устанавливается в режим пропускания управляющего напряжения с выхода фазового

:детектора 17 на управляющий -вход блоЯ ка 21 управления. Одновременно на выходе фазового детектора 17 формируетя ся управляющее напряжение вследствие несовпадения частот колебаний на выходах резонансного усилителя 15 и ,И1 опорного генератора 20. Под воздей- ствием этого управляющего напряжения блок 21 управления перестраивает частоту генератора 22 таким образом, чтобы она стала равной мо .

На начальном этапе автоколебания в замкнутом кольцевом соединении, состоящем из блоков 11-16Ä могут не ,возбуждаться из-за того, что условие фаз будет выполняться на частоте, не попадающей в пределы полосы 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 про. пускания сигнала с выхода генератора 24 линейно изменяющегося напряжения, который начнет вырабатывать

),4 линейно изменяющееся напряжение, под воздействием которого блок 21 управ. ления будет изменять частоту колебаний подстраиваемого генератора 22 от минимального значения мз2 „„ в

65 сторону увеличения. При этом будет лосным модулятором 14, резонансным усилителем 15 и однополосным модулятором 16, возникают автоколебания,. так как при выполнении условий баланса фаз и амплитуд данное кольце-. вое соединение превращается в автоколебательную систему. Сигнал с выхода однополосного модулятора 16 поступает на вход однополосного модулятора 11 с текущей. фазой ы t+4 где оз — частота колебаний на выходе однополосного модулятора 16; Ч вЂ” на- . чальная фаза. На выходе однополосного модулятора 11 выделяется колебание с суммарной (или разностной) частотой и) = (И„+Я (илии =и „-Я) и поступает на вход однополосного модулятора 12, на выходе которого выделяется колебание с разностной (или суммарной) частотой м - = м (или и),+Я.-ь „) . Таким образом, на выходе однополосного модулятора 12 выделяется колебание той же частоты, что и на выходе однополосного модулятора 16. В процессе такого преобра эования частотыи в однополосных моду ляторах 11 н 12 .измеряемый фазовый сдвигйЧ =Ч - Ч и разность фазовых сдвигов в линиях 8 и 9 задержки

Я(2 — L y<) переносятся на колебание, выделяемое на выходе однополосного модулятора 12. Сигнал, проходящий с выхода однополосного модулятора 16 на выход однополосного модулятора

12,.претерпевает паразитный фазовый (we+53 э„„(nnH @о -И э, » где ьзп, —.время запаздывания сигнала в выходных цепях однополосного модулятора 11. Следовательно, текуща фаза колебаний на выходе однополос-: ного модулятора 12 равнам +дЧ+ б ) 301 (Ъ2 "33» н

ЧН вЂ” начальная фаза автоколебаний;

Колебания в цепях между входом однополосного модулятора 13 и выходом однополосного модулятора 12, а также в цепях между выходом однополосного модулятора 16 и входом однополосного модулятора 11 претерпевают фазовый сдвиг, равный и с э гце Тзз время запаздывания сигнала в перечисленных выше цепях. В процессе прохождения блоков 14-16 сигнал претерпевает фазовый сдвиг, состоящий из сдвига в резонансном усилителе (ю,„ -ш)а, где ы ©- частота настройки усилителя, чс - 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 ы2< (или — ы2 „Ь где щ2 — частота колебаний генератора 20, т ь — время запаздывания сигнала в линии задержки 23. Общий фазовый сдвиг, полученный сигналом-в процессе однократного прохождения кольцевого соединения, состоящего из блоков 11-16 составляет (" )" ° "(" - ) " М"Р илй

-hqt(td -Q)6 +ah Г )+щ +H )L

2 "л3

1 .В том случае, если (= 2Рп., где и = О, 1, 2, ..., то выполняется условие фаэ и в кольцевом соединении существуют автоколебания при 5 достаточно большом значении коэффициента усиления усилителя 15 °

993147 изменяться вносимый сдвиг фаз ш с„ в кольцевое соединение и условие фаз будет изменяться. В конце концов условие фаз выполнится на некоторой частоте ш, 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, Вод воздействием которого электронный ключ 19 перейдет в режим пропускаяия управляющего сигнала с выхода фазового детектора 17. Под воздействием данного управляющего напряжения блок 21 управления перестроит частоту генератора 22 до совпадения частоты колебаний на выходе резонансного усилителя 15 с частотой опорного генератора 20. На этом перестройка частоты генератора 22 прекратится. И по значению частоты.ге нератора 22, измеряемой частотомером

25, можно, судить о величине измеряемого фазового сдвига йЧ . В процессе конструктивной разработки предлагаемого устройства шкала частотомера 21 может быть проградуирована в значениях фазового угла.

Перед выполнением измерений с помощью данного фазометра производят корректировку фазовых набегов в кольцевом соединении. Для этого на входы согласующих блоков 1 и 2 подают два синфазных колебания. В этом случае в результате преобразований с сигналами, которые описаны выше, установится частота колебаний подстраиваемого генератора 22, значение которой может отличаться от ее номинального значения (соответствующего нулевому фаэовому сдвигу на входах фазометра) из-за расстройки резонансного усилителя 15 относительно ча-"тоты шр опорного генератора

20, а-также из-за влияния паразитного фазового сдвига в цепи между однополосными модуляторами 11 и 12.

Изменяя с помощью блока 10 управления величины времени задержек и У>> в линиях 8 и 9 задержки перестраиваем частоту подстраиваемого генератора 22 до ее номинального значения, 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(i 2 — „), 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 (а "з +Q(lg2- З4 " " (- )

- = 2>m (2) или (а 5 ) " Я(ь - 4 + щ <, +(щ ц)1 »

З1 2 а 1э с - = 2Ут (2а) где m = О, 1, 2, После корректировки фазовых набеtg гов производят измерения с помощью данного фазометра. В процессе измерений на опорный и информационный входы подают колебания, фазовый сдвиг дМ между которыми необходимо определить. При этом в процессе преобразований с сигналами, описанными выше, установится частота колебаний подстраиваемого генератора, равная

2_#_ю-аУ

"лъ

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 управляю35 щего 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 линию 23 задержги фазового сдвига скомпенсировало изменение измеряемого фазового сдвига. По изменению частоты колебания подстраиваемого генератора 22, 45 регистрируемому частотомером 25, судят о величине изменения измеряемого фазового сдвига, Изменение частоты входных опор50 ного и информационного колебаний не будет оказываться на показаниях частотомера 25, так как при этом частота колебаний на выходах однополосных модуляторов 6 и 7 будет оставаться неизменной.

В процессе эксплуатации фазометра, разработанного в соответствии с предлагаемой„схемой, 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

99 3147

10 формула изобретения

Фазометр с частотным выходом, содержащий 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 вы-ходом перестраиваемого генератора и последовательно соединенные в коль50 влияние нестабильности аппаратурных фазовых сдвигов на точность измерений.

-Применение схемы управления, состоящей нз амплитудного детектора.18, генератора 24 .линейно изменяющегося напряжения и электронного ключа 19, позволяет применить- при разработке фаэометра более узкополосный резонансный усилитель 15 и тем самым снизить уровень шумов, циркулирующих в замкнутом кольцевом соединении, а сле 10 довательно, повысить стабильность частоты автоколебаний. Повышение стабильности частоты автоколебаний приводит, в свою очередь, к повышению стабильности частоты подстраиваемо- 15 го генератора 22, а следовательно, к повышению точности измерений. Кроме того, применение указанной схем управления позволяет расширить динамический диапазон измеряемых раз- 20 иостей фаэ до пределов 0-23. В то .время как B устройстве-прототипе, в котором отсутствует указанная схема управления, диапазон измеряемых разностей фаз ограничивается линейным участком фаэовой характеристики резонансного усилителя и примерно pa3i вен 0

Таким образом, предлагаемый фаэометр обладает повышенной точностью измерений, более широким частотным диапазоном и более широким динамическим диапазоном измеряемых раз ностей фаэ по сравнению с устройством-прототипом. Относительные погрешности измеряемой разности фаз не превышают 10.5 ° цевое 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 н с выходом линии задержки, о т л и ч.а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения диапазона измеряемых разностей фаз, в него дополнительно введены четыре однополосных модулятора, гетеродин, две управляеьые линии задержки н 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 соединен 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

KoTopopQ соединен через вторую управляемую линию задержки с вторым входом первого однополосного модулятора, кроме того, выход резонансного 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 9 2654969/18-21, кл. С 01 R 25/04, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2847983/18-21, кл. G 01 R 25/00, 1979.

993147

Составитель В.Афанасьев

Редактор A.Ôðîëoâà Техред О.Неце Корректс р В.Прохненко

Заказ 448/60 Тираж 708 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4