Устройство для измерения емкости антенны

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях верхней атмосферы методом импедансного зонда. Целью изобретения является повышение точности измерений, а также упрощение настройки устройства, которая достигается с помощью управляемого частотного дискриминатора. Устройство для измерения емкости антенны содержит антенну 1, блок эталонных конденсаторов (БЭК) 2, два идентичных измерительных канала 3, 4, программатор 5, блок синхронизации 6, блок формирования стробирующих импульсов 7. Каждый измерительный канал содержит измерительный генератор 8, цифровой частотный дискриминатор 9, масштабный усилитель 10. Подключая антенну 1 с помощью БЭК поочередно к каждому измерительному каналу, измеряют емкость антенны С<SB POS="POST">А</SB> путем преобразования величины С<SB POS="POST">А</SB> на входе каждого измерительного канала в величину напряжения на его выходе, используя которое при последующей обработке можно определить величину электронной концентрации ионосферной плазмы. Применение двух измерительных каналов обеспечивает широкий динамически диапазон измеряемой концентрации. Вторые выходы цифровых частотных дискриминаторов, являющиеся выходами устройства, необходимы для однозначной интерпритации результатов измерения С<SB POS="POST">А</SB> в случаях, когда при больших значениях электронной концентрации измеряемая частота переходит на смежный участок передаточной характеристики частотного дискриминатора. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1478155 А1. (51)4 G Oi R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4269572/24-21 (22) 29,06.87 (46) 07.05.89. Бюл. К - 17 (71) Научно-производственное объединение "Тайфун" (72) А.В.Комаров, Э А,Лукконен и О.В.Хрячков . (53) 621.317,3(088.8) (56) Комраков Г.П. и др. Нзмерения электронной концентрации ионосферы. методом высокочастотного импедансного зонда, — Космические исследования, 1970, т. 8, вып. 2, с, 280, Разгуляев Е.А., Чкалов В.Г. Прибор ЗИ-1 для измерения электронной концентрации в ионосфере. — М,: Тр.

ИЭМ, 1983, вып. 13(102), с. 1237. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ И311ЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ АНТЕННЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях верхней атмосферы методом импедансного зонда, Целью изобретения является повышение точности измерений, а также упрощение настройки устройства, которая достигается с помощью управляемого частотного дискриминатора. Устройство для измерения емкости антенны содер- . жит антенну 1, блок эталонных конденсаторов (БЭК) 2, два идентичных измерительных канала 3, 4, программатор 5, блок синхронизации 6, блок формирования стробирующих импульсов

7. Каждый измерительный канал содержит измерительный генератор 8, цифровой частотный дискриминатор 9, масштабный усилитель 10. Подключая антенну 1 с помощью БЭК поочередно к каждому измерительному каналу, измеряют емкость антенны CA путем преобразования величины СА на входе каж-, дого измерительного канала в величи14 78155 ну напряжения на его выходе, исполь,— зуя которое при последующей обработке можно определить величипу электронной концентрации ионосферной ллазмь, Применение днух измерительных каналов обеспечивает широкий динамический диапазон измеряемой концентрации. Вторые выходы цифровых частотных дискриминаторов, янляющиеся

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электронной концентрации как в спокойной, так и возмущенной ионосфере, 5

Цель изобретения — повьппение точности измерений, На фиг, 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства (строчными латинскими буквами обозначены 10 сигналы, временные диаграммы которых приведены на фиг. 7); на фиг, 2 принципиальная схема блока эталонных конденсаторов; на фиг. 3 — функцио— нальная схема частотного. дискриминатора; на фиг. 4 — функциональная схема блока формирования стробирующих импульсов; на фиг. 5 — функциональная схема блока синхронизации; на фиг.6 передаточная характеристика частотного дискриминатора; на фиг. 7 — временные диаграммы работы предлагаемого устройства.

Устройство для измерения емкости антенны (фиг. 1) содержит антенну 1, 25 блок 2 эталонных конденсаторов, два идентичных измерительных канала 3 и

4, программатор 5, блок 6 синхронизации, блок 7 формирования стробирующих импульсов, причем антенна 1 подключена к первому информационному входу блока 2 эталонных конденсаторов, второй и третий управляющий нходы которого соединены с первым и вторым выходами программатора 5 соответственно, 35 первый и второй выходы блока 2 эталонных конденсаторов соединены с первыми информационными входами измерительных каналов 3 и 4 соответственно, первые выходы измерительных каналов 4О

3 и 4 соединены с первыми и вторым выходами устройства соответственно, каждый измерительный канал 3 и 4 содержит изме:рительный генератор 8, частотный ди<.кпимипатор 9 и масштабный 45 выходами устройства, необходимы для однозначной интерпретации результатов измерения С„ н случаях, когда при больших значениях электроннои концентрации измеряемая частота переходит на смежный участок передаточной характеристики частотного дискриминатора, 3 з.п. A-лы, 7 ил. усилитель 10, причем вход измерительного генератора 8 является информационным входом измерительного канала, выход измерительного генератора через частотный дискриминатор 9 соединен с входом масштабного усилителя

l0, выход которого является первым выходом измерительного канала, первый выход блока 6 синхронизации соединен с первым нходом блока 7 формирования стробирующих импульсов, первый выход которого соединен с вторыми управляющими входами каждого измерительного канала, второй выход блока 6 синхронизации соединен с вторым входом блока 7 формирования стробирующих импуль сон и с четвертыми управляющими входами измерительных каналов 3 и 4, третий выход блока синхронизации

6 соединен с третьими управляющими входами измерительных каналов 3 и

4, второй выход блока 7 формирования стробирующих импульсов соединен с входом программатора 5, вторые выходы измерительных каналов 3 и 4 соединены с третьим и четвертым выходами устройства соответственно, программатор 5 содержит триггер ll прямой и инверсный выходы которого являются первым и вторым выходами программатора 5 соответственно, счетный вход триггера 11 является входом программатора 5.

Блок 2 эталонных конденсаторов (фиг.. 2) содержит два эталонных конденсатора 12 и 13, подстроечный конденсатор 14, два реле 15 и 16 и два транзисторных ключа 17 и 18, причем первый вывод нормально замкнутого контакта первого реле 15 соединен с первым выводом нормально замкнутого контакта второго реле 16 и через подстроечный конденсатор 14 — с общей точкой устройства,.второй вынод нормально разомкнутого контакта первого

1478155 реле 15 через первый эталонный конденсатор 12 соединен с общей точкой устройства, выходы первого и второго транзисторных ключей 17 и 18 соединены с обмотками первого и второго реле 15 и 16 соответственно, точка соединения первых выводов нормально замкнутых контактов первого и второго реле 15 и 16 является первым информационным входом блока 2 эталонных конденсаторов, второй и третий управляющие. входы которого соединены с входами первого и второго, транзис5

10 торных ключей 17 и 18 соответственно, третьи выводы подвижных контактов первого и второго реле 15 и 16 являются первым и вторым выходами блока

2 эталонных конденсаторов соответственно, второй вывод нормально разомк- 2р нутого контакта второго реле 16 через эталонный конденсатор 13 соединен с общей точкой устройства.

Частотный дискриминатор 9 (фиг. 3) содержит формирователь 19 сигнала, 25 элемент И 20, (р+и+1)-разрядный счетчик 21, регистр 22, цифроаналоговый преобразователь 23, причем информационным входом частотного дискриминатора 9 является вход формирова-З0 счетчика 21 является третьим управляющим входом частотного дискриминатора 9 и измерительного канала в целом, вход синхронизации регистра. 22

50 является четвертым управляющим входом частотного дискриминатора 9 и измери55 тельного канала в целом. Блок 7 формирования стробирующих импульсов (фиг, 4) содержит счетчик

24, триггер 25, элемент И 26 и элетеля 19 сигнала, выход которого соединен с первым входом элемента И 20, второй вход которого является вторым управляющим входом частотного дискриминатора 9.и измерительного канала в целом, выход элемента И 20 соединен со счетным входом счетчика 21, выходы (n+1)-ro старших разрядов которого соединены с информационными входами регистра 22, выход старшего 40 значащего разряда которого является вторым информационным выходом частотного дискриминатора 9 и измерительного канала в целом, выходы оставшихся разрядов регистра 22 соединены с вхо- 45 дами цифроаналогового преобразователя 23, выход которого является первым информационным выходом частотного дискриминатора 9, вход обнуления мент НЕ 27, причем первый вход блока

7 формирования стробирующих импульсов соединен с первым входом элемента

И 26 и входом синхронизации триггера

25, инверсный выход которого соединен с вторым входом элемента И 26, выход которого является первым выходом блока 7 формирования стробирующих импульсов, второй вход которого соединен со счетным входом счетчика 24, выход переноса которого через элемент

НЕ 27 соединен с входом установки триггера 25, входом синхронизации счетчика 24 и вторым выходом блока 7 формирования стробирующих импульсов, информационный вход триггера 25 соединен с общей точкой устройства.

Блок 6 синхронизации (фиг, 5) содержит генератор 28 эталонной "частоты, два счетчика 29 и 30, триггер 31, два элемента И 32 н 33, элемент НЕ

34, причем выход генератора 28 эталонной частоты соединен со счетным входом первого счетчика 29, первый выход которого соединен с первым входом первого элемента И 32, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика 30, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И 33, первый вход которого соединен с вторым выходом первого счетчика 29, выход второго счетчика 30 через элемент HE 34 соединен с вторым входом второго элемента И 33 и с первым выходом блока 6 синхронизации, второй выход которого соединен с выходом первого элемента И 32 и со счетным входом триггера 31, выход которого соединен с входами обнуления первого счетчика 29, второго счетчика

30 и триггера 31, а также с третьим выходом блока 6 синхронизации..

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Измерительные каналы 3 и 4 (фиг,1) идентичны в схематическом и функциональном отношениях, поэтому подробно рассматривается измерительный канал

3. Измерительный генератор 8 формирует на своем выходе гармоническое колебание, частота которого определяется емкостью антенны 1, которая является частью контурной емкости измерительного генератора (антенна 1 с помощью блока эталонных конденсаторов 2 поочередно подключается к входам измерительных каналов 3 и 4).

Частотный дискриминатор 9 совместно

1478155

55 с масштабным усилителем 10 преобразует частоту выходного сигнала измерительного генератора 8 в напряжение. Таким образом, напряжение на первом выходе устройства несет информацию о емкости антенны Сц.

Частотный дискриминатор 9 (фиг.З) представляет собой цифровой частотомер, на второй, управляющий вход кото- 10 рого подаются стробирующие импульсы (СТБ), определяющие время счета импульсов (формирующихся на выходе формирователя 19 сигнала), частота следования которых измеряется. На четвертый управляющий вход подаются импульсы перезаписи (ПЕР) информации из счетчика 21 в регистр 22 для временного хранения результата преобразования частоты выходного сигнала 20 измерительного генератора 8 в двоичный код. На третий управляющий вход подаются импульсы сброса (СБР) счетчика 21 для его подготовки к новому измерению. Временные диаграммы сиг- 25 налов СТБ, ПЕР и СБР приведены на фиг. 7д, 7в и 7с соответственно.

Младшие р разряды счетчика 21 не связаны с информационными входами регистра 22, что дает возможность. усреднять результат преобразования частоты в код по 2 измерениям, Зто

P способствует повышению достоверности производимых измерений емкости антенны 1. Содержимое последующих (и+1) разрядов счетчика 21 запоминается в регистре 22, из них младшие и разряды связаны с первым выходом частотного дискриминатора 9 через цифроаналоговый преобразователь 23 (используется аналоговая телеметрическая система), а старший значащий разряд регистра 22 связан с вторым выходом частотного дискриминатора 9 (и третьим выходом устройства) напря- 45 мую, Особенностью используемого частотного дискриминатора 9 является ограниченная разрядная сетка счетчика 21 (при этом коэффициент преобразования имеет достаточно высокое зна- 5р чение), что позволяет однозначно измерять частоту в узком диапазоне частот f f (ôèã, 6), Передаточная характеристика частотного дискриминатора 9 приведена на фиг, 6 (необходимо отметить ее линейность в диапазоне частот f f„,), рабочий диапазон на ней обозначен тоиками А, В, Причем, точке А соответствует максимальная емкость антенны 1. Точке В соответствует минимальная емкость антенны 1. Второй измерительный канал 4 (используется для расширения дИнамического диапазона измеряемой электронной концентрации ионосферной плазмы) отличается более высоким значением рабочих частот измерительного генератора, Управляющие сигналы для частотного дискриминатора 9 формируются блоком

6 синхронизации и блоком 7 формирования стробирующих импульсов. Причем сигналы ПЕР и СБР, которые формируются на втором и третьем выходах блока 6 синхронизации соответственно (диаграммы фиг, 7в и 7с соответственно), непосредственно подаются в частотный дискриминатор 9, а синхропоследовательность,формируемая на первом выходе блока 6 синхронизации, передается в частотный дискриминатор 9 через блок 7 формирования стробирующих импульсов .. Эта синхропоследовательность используется для получения сигналов СТБ, формирование которых происходит следующим образом. На счетный вход счетчика 24 (фиг. 4) подается синхропоследовательность ПЕР, на выходе переноса этого счетчика формируютея узкие нулевые импульсы, а на выходе элемента НЕ 27 - узкие единичные импульсы, совпадающие с фронтом каждого k-го синхроимпульса серии ПЕР, где k — модуль пересчета (моменты времени t u t на диаграммах Ь и d фиг, 7).Это объясняется тем, что изменения состояния счетчика 24 (работающего на вычитание) происходит по фронту счетного импульса (импульса серии ПЕР), а при достижении нулевого содержимого счетчика 24 íà его выходе переноса формируется нулевой сигнал. Единичный сигнал на выходе элемента НЕ 27 при этом переводит счетчик 24 в режим приема кода с информационных входов (на фиг. 4 условно не показаны, на этих входах перемычками устанавливается код модуля пересчета k), поэтому единичный сигнал на выходе элемента НЕ 27 существует достаточно короткое время, соответствующее времени переходных процессов в счетчике 24. Каждый импульс, формируемый на выходе элемента НЕ 27, подается на счетный вход триггера ll (фиг. 1) через второй выход блока 7 формирования стробирующих импульсов, 1478155 что вызывает переход триггера ll в противоположное состояние (моменты времени t„ t на диаграммах h и 1 фиг. 7) и переключение первого и второго реле 15 и 16. Каждым из этих импульсов устанавливается также триггер 25 и сигнал на его инверсном выходе переходит в нулевое состояние, которое длится до среза следующего импульса синхропоследовательности, формируемой на первом выходе блока

6 синхронизации (промежутки времени

t ...t, и t ....t на диаграммах а, 1 фиг. 7), Это позволяет исключить из синхропоследовательности, форми-, руемой на первом выходе блока 6 синхронизации, каждый k-й стробирующий импульс (с помощью элемента И 26), 10

15 синхронизированный с моментом переклю- 20 чения реле 15 и 16 (промежутки времени Й, ° ° ° Й и t ...t HB диагpGMMBx

d, g, n, 1 фиг, 7). При этом первое после переключения реле 15 или

16 измерение частоты не производится (оно искажено дребезгом контактов реле 15,16), а нулевое содержимое предварительно обнуленного сигналом

СБР первого счетчика 21 записывается

25 ня U масштабного усилителя 10 перео дается в телеметрическую систему, что позволяет контролировать дрейф нуля масштабного усилителя 10 (промежутки времени ..., и t ...t6 на диаграммах U 1, Х, Z. фиг. 7),следуl5 ющие четыре измерения (на диаграммах фиг, 7 принято k=5) производятся и передаются в телеметрическую систему (промежутки времени t ...t6 на диаграммах h, 1, Х, Z фиг. 7), 40

Блок эталонных конденсаторов функционирует в двух режимах: при h=l и

1=0 (промежуток времени с ... и на диаграммах 11 и 1 фиг, 7) первое реле

15 включено, а второе реле 16 выключено, при этом через выводы первого реле 15 к входу первого измерительного канала 3 подключен первый эталонный конденсатор 12 и в этом канале реализуется режим эталонирования (в телеметрическую систему передается эталонный уровень 11 соответствующий

977 емкости первого эталонного конденсатора 12 (промежуток времени на диаграмме Х фиг. 7), а через выводы второго реле 16 антенна 1 под50

55 ключена к входу второго измерительного канала 4 и в этом канале реализув регистр 22 и значение нулевого уров-,р ется режим измерения (промежуток времени t ...t6 на диаграмме фиг, 7, измеряемый параметр показан линейно возрастающим). При h=0 и 1=1 в первом измерительном канале 3 реализуется режим измерения, а во втором измерительном канале 4 — режим эталонирования (промежутки времени t < t u

t > t> на диаграммах Х, Z фиг. 7).

Принцип действия блока синхронизации заключается в следующем. В исходном состоянии первый счетчик 29, второй счетчик 30 и триггер 31 обнулены, при этом на выходе элемента НЕ 34 формируется действующее (единичное)значение сигнала СТБ (подаваемого на первый выход блока 6 синхро,низации),который открывает второй элемент И 33, разрешая работу второго счетчика 30. Генератор 28 эталонной частоты заполняет первый счетчик 29 и второй счетчик 30, Когда на выходе второго счетчика 30 появляется сигнал логической единицы, сигйал СТБ принимает действующее значение и закрывает второй элемент И 33, позволяя первому элементу И 32 сформировать на своем выходе сигнал ПЕР, который подается на второй выход блока 6 синхронизации. По окончании сигнала

ПЕР (по срезу этого сигнала) триггер

31 устанавливается, формируя на своем прямом выходе-действующее единичное значение сигнала СБР (подаваемого на третий выход блока синхронизации), который обнуляет первый счетчик

29, второй счетчик 30, триггер 31, начиная новый цикл формирования синхросигналов СТБ, ПЕР, СБР.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения емкости антенны, содержащее блок эталонных конденсаторов, два идентичных измерительных канала и программатор, причем клемма для подключения-.. исследуемого объекта подключена к первому информационному входу блока эталонных конденсаторов, второй и третий управляющие входы которого соединены с первым и вторым выходами программатора соответственно, первый и второй выходы блока эталонных конденсаторов соединены с первыми информационными входами измерительных каналов соответственно, первые выходы измерительных каналов соединены с первым и вто1478155

l0

55 рым выходами устройства соответственно, каждый измерительный канал содержит измерительный генератор, частотный дискриминатор и масштабный усилитель, причем вход измерительного генератора является информационным входом измерительного канала, выход измерительного генератора через частотный дискриминатор соединен с входом масштабного усилителя, выход которого является первым выходом измерительного канала, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с.целью IIQBbllBeHHH точности измерений и упрощения настройки устройства, в устройство введены блок синхронизации и блок формирования стробирующих импульсов, а каждый измерительный .канал имеет первый информационный и второй, третий и четвертый управляющие входы и вторые выходы, причем первый выход блока синхронизации соединен с первым входом блока формирования стробирующих импульсов, первый выход которого соединен с вторыми управляющими входами каждого измерительного канала, второй выход блока синхронизации соединен с вторым входом блока формирования стробирующих импульсов и четвертыми управляющими входами измерительных каналов, третий выход блока синхронизации соединен с третьими управляющими входами измерительных каналов, второй выход блока формирования стробирующих импульсов соединен с входом программатора, вторые выходы измерительных каналов соединены с третьим и четвертым выходами устройства соответственно.

2, Устройство по и. 1, о т.л ич а ю щ е е с я тем, что частотный дискриминатор содержит формирователь сигнала, элемент И, (p+n+1)-разрядный счетчик, регистр, цифроаналоговый преобразователь, причем информационным входом частотного дискриминатора является вход формирователя сигнала, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого является вторым управляющим входом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, выход элемента И соединен со счетным входом счетчика, выходы (и+1)-ro старших разрядов которого соединены с информационными входами регистра, выход старшего значащего разряда которого является вторым информационным выходом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, выходы оставшихся разрядов регистра соединены с входами цифроаналогового преобразователя, выход которого является первым информационным выходом частотного дискриминатора, вход обнуления счетчика является третьим управляю-. щим входом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, вход синхронизации регистра является четвертым управляющим входом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, программатор содержит триггер, прямой и инверсный выходы которого являются первым и вторым выходами программатора соответственно, счетный вход триггера является входом программатора.

3, Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок эталонных конденсаторов содержит два эталонных конденсатора, подстроечный конденсатор, два реле и два транзисторных ключа, причем выводы нормально замкнутых контактов первого и второго реле объединены и через подстроечный конденсатор соединены с общей точкой устройства, вывод нормально разомкнутого контакта первого реле через первый эталонный конденсатор соединен с общей точкой устройства, вывод нормально разомкнутого контак- та второго реле через второй эталонный конденсатор соединен с общей точкой устройства, выходы первого и второго транзисторных ключей соединены с обмотками первого и второго реле соответственно, точка соединения выводов нормально замкнутых контактов первого и второго реле является первым информационным входом блока эталонных конденсаторов, второй и третий управляющие входы которого соединены с входами первого и второго транзисторных ключей соответственно, выводы подвижных контактов первого и второго реле являются первыми и вторыми выходами блока эталонных конденсаторов соответственно.

4, Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок формирования стробирующих импульсов содержит счетчик, триггер, элемент И и элемент НЕ, причем первый вход блока формирования стробирующих импульсов соединен с первым входом элемента И! I

1478l и входом синхрониэации триггера, инверсный выход круторого соединен с вторым входом элемента И, выход которого является первым выходом блока фор3 мирования стробирующих импульсов, второй вход которого соединен со счетным входом счетчика, выход переноса

55 !2 которого череэ элемент HE соединен с входом установки триггера, входом синхронизации счетчика и вторым выходом блока формирования стробирующих импульсов, информационный вход триггера соединен с общей точкой устройства.

1478155

Comer

ЮиИ

ty фиа

° Корректор Н. Гунько (Е

Редактор В.Бугренкова

Заказ 2359/45 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1130359 Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðoä, ул. Гагарина,101

8 с

<о

Составитель Л.Сорокина

Техред А.Кравчук

t

t