Фазометр с частотным выходом

 

ФАЗОМЕТР С ЧАСТОТНЬМ ВЫХаДОМ , содержащий два однополосных модулятора в каналах опорного и информационного сигналов, последовательно соединенный опорньй генератор, первый фазовый детектор, блок управления частотой и управляемый по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам однополосных модуляторов, линию задержки:, а также две управляемые линии задержки с блоком управления, частотомер, резонансный усилитель и подавитель амплитудной модуляции, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно установлены четыре балансных модулятора , два фильтра нижних частот и последовательно соединенные ограничитель амплитуды, второй фазовый детектор , второй блок управления частотой и второй управляемый по частоте гене ратор, выход которого подключен к вторым входам второго и первого балансных модуляторов, первые входы которых подключены соответственно к выходу второго однополосного модулятора и к выходу линии задержки, вход которой соединен с выходом первого однополоеного модулятора, при этом выходы первого и второго балансных модуляторов соединены через первьй и второй фильтры нижних частот с входами соответственно первой и второй управляемых линий задержки, выходы которых, в свою очередь подключены соответственно к первым вхоW дам третьего и четвертого балансных модуляторов, причем выход третьего балансного модулятора подсоединен к второму входу четвертого балансного модулятора, выход которого соединен с вторым входом третьего балансного модулятора и вторым входом первого фазового детекора через послеDO довательно включенные резонансный усилитель и подавитель амплитуд42 ной модуляции,а второй вход второго фазового детектора соединен с выходом 00 юпорного генератора, вход ограничителя амплитуды соединен с выходом одного из фильтров нижних частот, частотомер подключен к выходу одного из однополосных модуляторов.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

МЮ ЗЮ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 4(51) С 01 R 25/00

Г1О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Н AS TOPCtlDMV СаИатВЪСтвм (21) 3639315/24-21 (22) 19.08.83 (46) 30.01.85. Вюп. № 4 (72) В.Я. Баржин, Е. С. Колесник и А. В.Лымарь (71) Харьковский ордена Ленина авиа" ционный институт им. Н.Е.Жуковского (53) 62 1.3 17.77(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство по заявке № 2847983/18-21, кл. G 01 R 25/00, 05.06.80.

2. Авторское свидетельство по заявке № 3293088/ 18-2 1,кл.G 01 R 25/00, 23.02.82. (54)(57) ФАЗОМЕТР С ЧАСТОТНЬК ВЫХОДОМ, содержащий два однополосных мо- дулятора в каналах опорного и информационного сигналов, последовательно соединенный опорный генератор, первый фазовый детектор, блок управления частотой и управляемый по частоте генератор, выход которого подклю-.. чен к вторым входам однополосных модуляторов, линию задержки, а также две управляемые линии задержки с блоком управления, частотомер, резонансный усилитель и подавитель амплитудной модуляции, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений„ дополнительно установлены четыре балансных модулятора, два фильтра нижних частот и последовательно соединенные ограничитель амплитуды, второй фазовый детектор, второй блок управления частотой и второй управляемый по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам второго и первого балансных модуляторов, первые входы которых подключены соответственно к выходу второго однополосного модулятора и к выходу линии задержки, вход которой соединен с выходом пер- вого сднополосного модулятора, при этом выходы первого и второго балансных модуляторов соединены через первый и второй фильтры нижних частот с входами соответственно первой и второй управляемых линий задержки, выходы которых, в свою очередь,подключены соответственно к первым вхо- Е дам третьего и четвертого балансных модуляторов, причем выход третьего балансного модулятора подсоединен к второму входу четвертого балансного модулятора, выход которого соеди— нен с вторым входом третьего балансного модулятора и вторым входом первого фазового детек ора через последовательно включенные резонансный усилитель и подавитель амплитуд— ной модуляции,а второй вход второго фазового детектора соединен с выходом опорного генератора, вход ограничителя амплитуды соединен с выходом одного из фильтров нижних частот, частотомер подключен к выходу одного из однополосных модуляторов.

1137408

Изобретение относится к измерительной технике, связанной с измерением разности фаэ двух электрических колебаний, и может быть использовано в процессе разработки фазометрических устройств, предназначенных для различных радиотехнических систем.

Известен фазометр, в котором используются автогенераторные преобра- 10 зования фаза-частота, содержащий согласующие блоки в каналах опорного и информационного входных сигналов, фазовый детектор, опорный генератор,.перестраиваемый по частоте генератор с блоком управления, линию задержки, четыре однополосных модулятора, подавитель амплитудной модуляции, резонансный усилитель )1), Однако фазометр обладает низкой точностью измерения при изменении частоты входных опорного и информационного сигналов, а также разности их текущих фаз в пределах от 0 до

360 25

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электронный фазометр с частотным восходом, содержащий два согласующих блока в каналах опорного и информа- З0 ционного входных сигналов, восемь однополосных модуляторов, гетеродин, две управляемые линии задержки с блоком управления, подавитель амплитудной модуляции, резонансный усилитель, амплитудный детектор, электронный ключ, последовательно соединенные опорный генератор, фазовый детектор, блок управления частотой перестраиваемого генератора, выход которого подключен к вторым входам однополосных модуляторов, линию задержки, генератор линейного изменяющегося напряжения и частотомер (2 .

4S

Недостатки этого фазометра про-. являются в низкой точности измерений иэ-за нелинейности характерис" тики преобразования фаза-частота, обусловленной изменением паразитных фазовых наводок, возникающих в коль,це самовозбуждения при изменении частоты подстраиваемого генератора вследствие неидеальности фазочастотных характеристик четырех однополосных яодуляторов.

Цель изобретения — повьппение точности измерений разности фаз двух колебаний.

Поставленная цель достигается тем,. что в фазометре с частотным выходом,. содержащем два однополосных модулятора в каналах опорного и информационного сигналов, последовательно соединенный опорный генератор, фазовый детектор, блок управления частотой и управляемый по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам однополосных модуляторов, линию задержки, а также две управляемые линии задержки с блоками управления, частотомер, резонансный усилитель и подавитель амплитудной модуляции, дополнительно установлены четыре балансных ..модулятора, два фильтра нижних частот и последовательно соединенные ограничитель амплитуды, второй фазовый детектор, второй блок управления частотой и второй управляе мый по частоте генератор, выход которого подключен к вторым входам вто-рого и первого балансных модуляторов, первые входы которых подключеНы соответственно к выходу второго однополосного модулятора и к выходу линии задержки, вход которой соеди нен с выходом первого однополосного модулятора, при этом. выходы первого и второго балансных модуляторов соединены через первый и второй фильтры нижних частот с входами соответ- ственно первой и второф управляемых линий задержки, выходы которых,в свою очередь, подключены соответственно к первым входам третьего и четвертого балансных модуляторов, причем выход третьего балансного модулятора подсоединен к второму входу четвертого балансного модулятора, выход которого соединен с вторым входом третьего балансного модулятора и вторым входом первого фазового детектора через последовательно включенные резонансный усилитель и подавитель амплитудной модуляции, а второй вход второго фазового детекто t ра соединен с выходом опорного генератора, вход ограничителя амплитуды соединен с выходом одного из фильтров нижних частот, частотомер подключен к выходу одного из однополосных модуляторов.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит однополосные модуляторы I и 2,,управляемые по час137408 4 ж

1О

В устройстве частота Я, опорного генератора 15 выбрана равной частоте настройки резонансного усилителя 20.

Входами фазометра являются первые входы первого 1 и второго 2 однополосных модуляторов, причем первый однополосный модулятор последовательно через линию 5 задержки подключен к первому входу первого балансного модулятора 6, выход которого соответственно через фильтр 10 нижних частот и управляемую линию 18 задержки подключен к первому входу второго баланеного модулятора 8, а второй однополосный модулятор 2 через последовательно включенные третий балансный модулятор 7, второй фильтр 11 нижних частот, вторую управляемую линию 19 задержки подключен к первому входу четвертого балансного 30 модулятора 9, второй вход которого соединен с выходом второго балансного модулятора 8, а выход четвертого балансного модулятора 9 через резонансный усилитель 20 с последо- Э5 вательно включенным подавителем 2 1 амплитудной модуляции подсоединен к второму входу второго балансного модулятора 8 и первому входу первого фазового детектора 14. <Влок 22 <а управления подключен раздельно к первой 18 и второй 19 управляемой линии задержки. Опорный генератор <5 раздельно подключен к вторым входам первого 14 и второго 13 фазового 45 детектора.

Причем к первому входу второго фазового детектора 13 последовательно подключен через ограничитель 12 амплитуды выход второго фильтра 11 50 низкой частоты. Выход второго фазового детектора 13 последовательно через второй блок 16 управления частотой подключен к входу второго управляемого генератора 4, выходы ко- у торого раздельно подключены к вторым входам первого 6 и третьего 7 баланс-. ных модуляторов. Выход первого 14

3 1 тоте генераторы 3 и 4, линию 5 задер ки, балансные модуляторы 6-9, фильтры 10 и 11 нижних частот, ограничитель 12 амплитуды, фазовые детекторы 13 и 14, опорный генератор 15, блоки 16 и 17 управления частотой, управляемые линии 18 и 19 задержки, резонансный усилитель 20<подавитель 21 амплитудной модуляции, блок

22 управления, частотомер 23.

<фазового детектора последовательно через первый блок 17 управления частотой подключен к вхочу первого управляемого генератора 3, выходы которого раздельно подключены к вторым входам первого и второго однополосных модуляторов, т.е. 1 и 2 соответственно. Выходами фазометра могут быть выход второго управляемого генератора 4, либо выход второго однополосного модулятора 2.

Устройство работает следующим образом.

На первые входы первого и второго однополосных модуляторов и 2 поступают опорный и информационный сигналы с текущими фазами 434 +Я< и И1 ф соответственно. При прохождении входных цепей модуляторов со стороны первых входов оба копебания приобретают дополнительный паразитный фазовый сДвиг (.) сэ«и И< д и л где э < и <. э — эквивалентные времена задержки цепей первых входов модуляторов.

На вторые входы этих модуляторов поступает колебание с выхода первого управляемого по частоте генератора 3 с текущей фазой И < + Я,<

Во входных цепях однополосных модуляторов это колебание < олучает дополнительный фазовый набегИ„ < < для опорного канала (в первом модуляторе 1) и И„< . для информационного канала (во втором модуляторе 2), где

/Ъ л и < э — эквивалентные времена задержки цепей вторых входов однополосных модуляторов.

В результате преобразования на выходе указанных модуляторов получают колебание суммарной или разностной частоты с текущими фазами (<

ОЛЧ (Q-4)c<)C (fz f« <<1 < gg< << "ggy Pg< соответственно для опорного и информационного сигналов, где < <<(M t Q ) и,< (<1 у„,) — дополнительные фазовые набеги sa счет неидеальности выходных частотно.-зависимых цепей соответственно однополосных модулято. ров 1 и 2

С вг..ода первого модулятора 1 колебанн= постугает на линию 5 задержки и получает в ней фазовый набег И Ф 41г<1 < q<< где <"1<1 — время за1137408 паздывания сигнала в этой линии задержки. Далее оба сигнала подаются на первые входы первого и третьего балансных модуляторов 6 и 7 и получают дополнительные фазовые набеги 5 в их входных цепях, соответственно (,(д (.31, 1 0 э1Я " и (+.Ô(4ö) 0 2 где ьнЗ и "QZ5 — эквив "ентйые времена задержки цепей первых входов балансных модуляторов. На вторые вхо- 10 ды этих модуляторов подается колебание с выхода второго управляемого по частоте генератора 4 с текущей фазой Я <2 t ЯГ2 . В каждом из ННх получают дополнительные фазовые набе- 15 п л ги соответственно r2 " «и И ь 24 где ь 14 и ь Э 24 - эквивалентные времена задержки цепей вторых входов модуляторов 6 и 7. В результате преобразования на выходе первого баланс-уо ного модулятора 6 получают балансномодулированное колебание верхняя боЭ ковая частота которого подается после прохождения им первого фильтра 10 нижних частот, поэтому на его выходе 25 имеет место колебание нижней боковой частоты с текущей фазой

Л п ф 1 г1 Г2) Я(Яг1 ЧИ г1 212 14

1/Л л 1 Л 01 " A<2 "ИЪ1 Чг2 г2 "1 14 +(+ > r1 +

И гИ ь 916+ Я 2 где g<< (M> М„-И,. ) — фазовый набег в фильтре 10 нижних частот

/ 35

0, - эквивалентное время задержки выходных цепей первого ба-. лансного иоду» лятора 4.

Аналогично на.выходе второго фильтра 11 нижних частот имеет место колебание с текущей фазой л Л (Г Г г1 - г1 гФ + 4 г Ф„ « „, + Г1. 9 2 %2 +

+(" г<1 "м 3 1г2 г г2 г24 (1+ ur<

Л Ц 22 где (f22 (ЫФ4)г, - Qr2) — фазовый набег

50 во втором фильтре 11

Л нижних частот

Э э 2 —, эквивалентное время задерж- ки выходных це пей модулято" ра 7.

Колебание с выхода фильтра 11 нижних частот через ограничитель 12 подается на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которо-. го подается сигнал с частотой Ыг,г : с опорного генератора 15.

Устройство работает таким образом, что поддерживается равенство частот колебаний, подаваемых на входы фазового детектора 13, а при нарушении этого условия на его выходе появляется управляющее напряжение, которое посредством блока 16 управления частотой изменяет частоту управляемого генератора 4 так, что восстанавливается прежнее равенство., Таким образом, час гота на выходе фильтра 11 нижних частот равна частоте опорного генератора 15 на протяжении всего времени измерения г1 +r2= ог — суммарный фазовый сдвиг сигнала в блоках второго и четвертого балансного модулятора, резонансного усилителя и подавителя AM. где (После этого оба колебания проходят через управляемые линии 18 и 19 задержки, в результате чего получают фазовые приращения соответственно

n .n г г2 ) 31 +Or 31 431

Л Г1 гг J "Ъ2 >or" g2-ЯЗ2 > л л ° где с,, c — величина времени запаздывания сигнала в управляемых линиях задержки первой и второй соответственно.

Дальше сигналы поступают на первые входы балансных модуляторов 8 и 9, которые вместе с резонансным усилителем 20 и подавителем 21 амплитудной модуляции, замыкающими цепь самовоэбуждения, образуют автогенератор с внешним возбуждением и двойным преобразованием частоты.

В замкнутом кольцевом соединении,, состоящем из второго и четвертого балансного модуляторов, резонансного усилителя и подавителя амплитудной модуляции при выполнении условий самовозбуждения имеет место автоколебание, частота которого определяется условием баланса фаз

Ч = 2 чи, г1 = О, 1, 2...(2j

7 1137

Пусть условие самовозбуждения первоначально выполняется на резонансной частоте усилителя 20, для которой справедливо соотношение

41а г о = ог р где 4)0 — частота автоколебаний.

Тогда на. второй вход балансного модулятора 8 со стороны выхода подавителя 2 1 амплитудной модуляции поступает колебание с текущей фазой Ät qÄiW(,) "», 10 где Я вЂ” начальная фаза автоколеМ 15 бания, Q(a) — фазовый сдвиг в резонанс- . ном усилителе (на резонансной частотес (Ио)= О) и

" — эквивалентное время задержки цепей, включающих выходные цепи модулятора 9, цепи подавителя 21 амплитудной модуляции и цепь второго входа модулятора 8.

В результате преобразования.

25 на выходе балансного модулятора 8 по- . лучают балансно-модулированное ко- лебание, нижняя боковая частота которого предсталяет собой постоянную, гоставляющую и дальше через разделительные конденсаторы не проходит, а верхняя боковая частота поступает на второй вход бапансного модулятора 9 с текущей фазой (u<(prч г2 о) Ч< % "9Н г " мя ЧИ+

n n 35 (>r<)("М "О! r2

"."щ Ч1 Ч 1+(г - 1 гг! "»Ь 2 Ч (+a + и /\ ч(w)+(+- +ri- 1г2 г ж! м, 40 где 6 э 6 эквивалентное Время за и держки входной цепи первого входа балансного модулятора 8; л, — эквивалентное время за- 45 держки цепей выхода модулятора 8 и второго входа модулятора 9.

Дальнейшее преобразование сигналов приводит к появлению на выходе 50 балансного модулятора 9 балансномодулированного колебания, верхняя боковая частота которого, равная утроенной резонансной частоте 3ц подавляется резонансным усилите- 55 лем 20, а колебание нижней боковой частоты поступает на вход этого уси лителя с текущей фазой

408 8

Я Ч Ч2) (»1 "921 } г ("112 "Э22)+(Р

121) (!" ЭП (г )(Э13 923)+ Ыг2"

"("эи -"s(q} (о >r) 4 г2)Ж„g-, )+(, q„j, "(fSs Ч32) (r< г2)(916 Чгь} о+

9«d а 21+4 + r и o), В процессе реализации данного устройства модуляторы 1 и 2, баланс- . ные модуляторы б к 7, фильтры 10 и 11 нижних частот, а также балансные модуляторы 8 и 9 выполняются попарно идентичными, т.е. характеристики соответствующих блокОв одинаковы.

Поэтому можно считать, что выполняются условия

Л л . л л

>н 21 э 12 >21 91 3 323) эц "э24 ю Л,Л и

"» ="и > "з1ь "эзь ЧцМ=Чи(М ц> ()=÷ .. (). (q)

В этом случае соответствующие паразитные фазовые набеги, имеющие место вследствие неидеальности фазочастотных характеристик звеньев опорного и информационного каналов, взимно компенсируются и не оказывают влияния на точность измерений. Тогда общйй фазовый набег в кольце самовозбуждения, образованном балансными модуляторами & и 9, усилителем 20 и подавителем 2 1 АМ можно записать 1 4,- Г1) 41 г "qn 4Pyq ЧЗ2! Я(Ыа)+

+г а "» (г rzt а! "eg 1 (5) где{р,- yzl — измеряемая разность фаз двух входных колебаний.

В стационарном режиме выполняются условия

<а Ч(Яа= ог! 0)+>>rs

Поэтому выражение (5) можно представить с учетом условий (6) в следующем виде

g =(q,-q2) q+or >n t ur2 " n+("4 1 2)+

+

Параметры Мог, »с < имеют фиксированные значения. В силу этого измеряемая частотомером 23 частота(,)

rg генератора 4 определяет значение.измеряемой разности фаэ. Частота колебаний на выходе однополосного модулятор 2 также функционально зависит от величины измеряемой разности фаs. В связи с этим частотомер 23 может быть также подключен к

9 1137 выходу однополосного модулятора 2.

В этом случае, измеряя частотомером 23 частоту о у колебаний на выходе этого однополосного модулятора, можно определить значение измеряемой разности фаз.

Перед выполнением измерения проводят коррекцию фазовых набегов в. кольцевом соединении, состоящем из балансных модуляторов 8 и 9, усили- 10 теля 20 и подавителя 21 АИ. Для этого на оба входа опорного и информационного каналов фазометра (входы одно-. полосных модуляторов) подают синфазные колебания и с помощью блока 22 управления изменяют время запаздывания сигналов в управляемых линиях задержки, добиваясь равенства частоты генератора 4 номинальному значению

Я „, при котором выполняется условие (я,-яз 44г " pter с g 2

Ч -Й1 42) с г ъп из которого следует с 21 с г - и ° ъ

При изменении измеряемой разности фаз (g - g ) изменяется общий фазовый набег в кольце самовозбуждения и первоначальное условие (2) для час-40 тоты 6 нарушается. Это приводит к изменению частоты автоколебаний Ып за счет чего поддерживается условие баланса фаз, но уже на другой частоте. С выхода нодавителя 21 амплитуд- 45 ной модуляции колебание этой частоты поступает на второй вход первого фазового детектора 14, на первый вход которого подается сигнал с опорного генератора 15. 50

Вследствие нарушения условия (3) Ф на выходе указанного фазового детектора появляется управляющее напряжение> которое посредством блока 17 управления частотой изменяет частоту Я„55 первого управляемого генератора 3 таким образом, что появляется дополнительный фазовый набег (,1, L yll

В этом случае частота uz< колебаний генератора 4 в стационарном режи- 25 ме при подаче на входы фазометра сиг налов, между которыми существует измеряемый фазовый сдвиг (g ц ), определяется на основании зависимости (7) следующим выражением 30

408 10 за счет изменения частоты Ы, который компенсирует внесенную разность фаз в кольцевом соединении и устанавливается первоначальная частота автоколебаний Ио

Одновременно с этим на вход фазового детектора 13 с выхода фильтра 11 поступает через ограничитель 12 амплитуды колебание с частотой, отличающейся от частоты опорного генератора 15. На выходе этого фазового детектора появляется управляющее напряжение, которое с помощью блока 17 управления частотой изменяет частоту д), второго управляемого генератора 4 до тех пор, пока снова не выполняется условие (6).

Новое значение частоты Q генератора 4 будет соответствовать измененному значению измеряемого фазового сдвига. По величине изменения частоты (д„ генератора 4, фиксируемой частотомером 23, судят о величине изменения измеряемого фазового

4 сдвига.

Показания частотомера, как следует из соотношения (10), линейно связаны со значением измеряемого фазового сдвига и могут быть проградуированы в единицах измерения фазового сдвига.

При подключении частотомера 23 к выходу однополосного .модулятора 2 по изменению частоты колебаний на выходе этого однополосйого модулятора, регистрируемой частотомером, су-. дят об изменении измеряемой разности фаз.

При изменении частоты Q входных сигналов на некоторое значение ЬИ на выходе однополосного модулятора 1 появляется колебание, сдвинутое по фазе по отношению к колебанию на выходе однополосного модулятора 2 на величину ду ь „ . Этот фазовый сдвиг путем преобразований сигнала в балансных модуляторах 6 и 7, 8 и 9 вносится в цепь обратной связи кольца самовозбуждения.

Вследствие этого частота автоколебаний Ы отклоняется от своего но0 минального значения Ио и на выходе фазового детектора 13 появляется постоянное напряжение, под воздействием которого блок 16 управления частотой изменяет частоту генератора 3.

Частота его изменяется до тек пор, пока частота автсксл. баний на выходе

408

Составитель В.Шубин

Техред А.Кикемезей Корректор О.Луговая

Редактор И. Касарда

Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и откры-.ий

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

Заказ 10516/33

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

11 1137 подавителя 2 1 амплитудной модуляциине становится равной номинальному значению Q . При этом частота генератора 3 получает приращение b

Вследствие этого частота колебаний на выходе однополосного модулятора 2, равная и >и„<, остается неизменной и не зависит от изменения частоты входного сигнала. Поэтому изменение частоты входного сигнала не влияет на показания частотомера, подключенного к выходу однополосного модулятора 2. Частота генератора 4 также не зависит от изменения частоты входных сигналов в силу того, что сумма частот остается неизменной при изменениях, частоты входных сигналов. Измерение частоты колебаний на выходе этого генератора также не вносит погрешность в опре- . деление измеряемой разности фаз при изменении частоты входных сигналов.

Все это приводит к повышению точности измерения.