Измеритель фазоамплитудных характеристик преобразователя частоты

Измеритель фазоамплитудных характеристик преобразователя частоты предназначен для определения фазовой погрешности преобразователей частоты, предназначенных для работы в широком динамическом диапазоне входных сигналов. Измеритель состоит из последовательно соединенных управляемого источника испытательных сигналов, первого управляемого делителя напряжения, исследуемого преобразователя частоты, второго управляемого делителя напряжения, управляемого коммутатора сигналов, первого усилителя ограничителя, фазового детектора, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора, управляемого компенсатора фазового сдвига, соединенного своим входом с выходом управляемого источника испытательных сигналов, а выходом - с управляемым коммутатором сигналов и вторым усилителем-ограничителем, выход которого подключен ко входу фазового детектора. Введение в устройство второго управляемого делителя напряжения с соответствующими циклами управления стабилизировало уровень выходного сигнала исследуемого преобразователя частоты и позволило повысить точность измерения фазоамплитудной характеристики. Для исключения собственной фазовой погрешности введенного делителя напряжения использован в цепи сигнала промежуточной частоты управляемый компенсатор фазового сдвига, идентичного второму управляемому дополнительному делителю напряжения. Введение соответствующих связей и их временная коммутация с другими элементами устройства исключает собственную фазовую погрешность делителя напряжения, изменяющего уровень входного измерительного сигнала преобразователя частоты. Технический результат заключается в повышении точности измерения фазоамплитудных характеристик преобразователей частоты. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, и может быть использовано для определения фазовой погрешности преобразователей частоты, предназначенных для работы в широком динамическом диапазоне входных сигналов.

Преобразователь частоты - радиоэлектронное устройство для преобразования электрического (электромагнитного) сигнала путем переноса его спектра на некоторый интервал по оси частот, и является составным элементом в супергетеродинных радиоприемниках, а также в различных радиоизмерительных приборах - селективных вольтметрах, анализаторах спектра, модулометрах и девиометрах, установках для измерения ослаблений. Его применение в этих случаях позволяет снизить рабочую частоту основного тракта усиления и селекции сигнала, также сделать этот тракт неперестраеваемым, то есть, для настройки приемника на разные несущие частоты изменяется частота гетеродина преобразователя, несущая частота выходного сигнала остается неизменной (Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет. - 2002. - 352 с).

Фазоамплитудная зависимость является одной из важнейших характеристик любого измерительного преобразователя. Применимо к преобразователям частоты фазоамплитудная характеристика определяет зависимость фазы выходного сигнала преобразователя частоты при изменении амплитуды входного сигнала от минимального до максимального. Во многих случаях, а в особенности это касается нелинейных импульсных систем, которые проектируются с использованием приближенных методов, только измеренные фазоамплитудные характеристики позволяют сделать конечный вывод о важных аспектах ее качества (Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь. - 1985. - 368 с).

Известно устройство для измерения относительных амплитудно-частотных характеристик, содержащие генератор качающейся частоты, измеряемый обьект, амплитудный детектор, делитель, формирователь, опорного сигнала, индикатор, преобразователь частоты в напряжение, дифференциатор, компаратор, масштабный усилитель, амплитудный селектор, временной селектор, декадный счетчик, второй дешифратор, преобразователь частоты в код, первый дешифратор, блок хранения и выборки, коммутатор, второй амплитудный селектор, второй делитель, второй дифференциатор, третий дифференциатор, первый инвертор, второй инвертор, второй временной селектор, третий временной селектор, реверсивный счетчик, третий инвертор, второй компаратор, ключ и четвертый дифференциатор (патент РФ №2341807, МПК G01R 27/28). Основной недостаток связан с тем, что данное устройство решает только задачу определения амплитудно-частотных характеристик преобразователей частоты, не контролируя при этом фазоамплитудную и фазочастотную характеристики преобразователя частоты.

Известно устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, содержащие первый и второй генераторы качающейся частоты, блок управления, первый и второй делители сигналов, аттенюатор, первый переключатель, первый смеситель фазовой автоподстройки частоты, второй переключатель, третий переключатель, усилитель, второй смеситель фазовой автоподстройки частоты, первый фазовый детектор, вспомогательный смеситель, опорный смеситель, четвертый переключатель, второй фазовый детектор, перестраиваемый генератор промежуточных частот, пятый переключатель, делитель промежуточной частоты, испытуемый четырехполюсник с преобразователем частоты, шестой переключатель, смесители промежуточной частоты измерительного и опорного канала, индикатор и решающий блок, делитель с переменным коэффициентом деления, делитель сигнала гетеродина, третий фазовый детектор и опорный генератор (патент РФ №2257592, МПК G01R 27/28). Основной недостаток связан с тем, что в данном устройстве значительно усложнен процесс измерения фазоамплитудной характеристики, что приводит к увеличению собственной фазочастотной погрешности устройства, а в конечном итоге к снижению точности измерения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения фазоамплитудных характеристик преобразователей частоты.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом измерителе фазоамплитудных характеристик преобразователя частоты, состоящем из последовательно соединенных управляемого источника испытательных сигналов, первого управляемого делителя напряжения, исследуемого преобразователей частоты, второго управляемого делителя напряжения, управляемого коммутатора сигналов, первого усилителя -ограничителя, фазового детектора, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора. Дополнительно введенный управляемый компенсатором фазового сдвига соединен своим входом с выходом управляемого источника испытательных сигналов, а выходом - с управляемым коммутатором сигналов и вторым усилителем-ограничителем, выход которого подключен к входу фазового детектора. Второй выход управляемого источника испытательных сигналов соединен с гетеродинным входом исследуемого преобразователя частоты. Выходы микроконтроллера соответственно подключены к управляющим входам управляемого источника испытательных сигналов, первого управляемого делителя напряжения, второго управляемого делителя напряжения, управляемого коммутатора сигналов и управляемого компенсатору фазового сдвига.

Отличительными признаками заявляемого устройства является введение дополнительных элементов, а именно: второго управляемого делителя напряжения и управляемого компенсатора фазового сдвига. Их наличие и связи с другими элементами устройства позволило осуществить выравнивание сигналов на входе коммутационного преобразователя фазовых сдвигов и исключить собственную фазовую погрешность делителя напряжения в цепи сигнала промежуточной частоты.

На чертеже представлена функциональная схема измерителя фазоамплитудных характеристик преобразователей частоты.

Измеритель фазоамплитудных характеристик преобразователя частоты 1 состоит из последовательно соединенных: управляемого источника испытательных сигналов 2, первого управляемого делителя напряжения 3, исследуемого преобразователя частоты 4, второго управляемого делитель напряжения 5, управляемого коммутатора сигналов 6, первого усилителя-ограничителя 7, фазового детектора 8, микроконтроллера 9, жидкокристаллического индикатора 10. Выход управляемого источника испытательных сигналов 2 своим вторым выходом подключен к гетеродинному входу исследуемого преобразователя частоты 4, а третьим выходом подключен к входу управляемого компенсатора фазового сдвига 11, выход которого подключен к входу управляемого коммутатора сигналов 6 и к входу второго усилителя-ограничителя 12, выход которого подключен к входу фазового детектора 8, выходы микроконтроллера 9 подключены к управляющим входам источника испытательных сигналов 2, первого управляемого делителя напряжения 3, второму управляемого делителя напряжения 5, управляемому коммутатору сигналов 6, управляемому компенсатору фазового сдвига 11.

Измеритель фазоамплитудных характеристик преобразователей частоты работает следующим образом.

С первого выхода управляемого источника испытательных сигналов 2 измерителя фазоамплитудных характеристик преобразователей частоты 1 опорный сигнал поступает на первый управляемый делитель напряжения 3 с выхода, которого сигнал поступает на сигнальный вход исследуемого преобразователя частоты 4, на гетеродинный вход которого поступает гетеродинный сигнал со второго выхода управляемого источника испытательных сигналов 2. С выхода исследуемого преобразователя частоты 4 сигнал разностной частоты поступает на второй управляемый делитель напряжения 5, с выхода которого сигнал поступает на первый вход управляемого коммутатора сигналов 6, на второй вход которого поступает сигнал с выхода управляемого компенсатора фазового сдвига 11, на вход которого с третьего выхода управляемого источника испытательных сигналов 2 поступает сигнал промежуточной частоты. С выхода управляемого коммутатора сигналов 6 под управлением микроконтроллера 9 сигналы поочередно поступают на первый усилитель-ограничитель 7, с выхода которого сигнал поступает на первый вход фазового детектора 8, на второй вход которого сигнал через усилитель-ограничитель 12 поступает с выхода управляемого компенсатора фазового сдвига 11. С выхода фазового детектора 8 напряжение, характеризующее фазоамплитудную зависимость исследуемого преобразователя частоты 4 поступает на микроконтроллер 9 и отображается на жидкокристаллическом индикаторе 10. Управляющие сигналы с выходов микроконтроллера 9 поступают на управляющие входы управляемого источника испытательных сигналов 2, первого управляемого делителя напряжения 3, второго управляемого делителя напряжения 5, управляемого коммутатора сигналов 6, управляемого компенсатора фазового сдвига 11.

Измерение фазоамплитудной характеристики преобразователя частоты 1 происходит за 2 цикла, каждый из которых состоит из 2 тактов, задаваемых по сигналам от микроконтроллера 9.

В первом цикле измерения сигналы на входах исследуемого преобразователя частоты 4 и управляемого компенсатора фазового сдвига 11 имеют следующий вид:

$$U_c\left(t\right)=K_{G1}\left(t\right)U_c\sin \left({\omega }_c+{\varphi }_{G1}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_c]\right)\left(1\right)$$

$$U_{Г}\left(t\right)=U_{Г}\sin \left({\omega }_{Г}t+{\varphi }_{Г}\right)\left(2\right)$$

$$U_P\left(t\right)=U_P\sin \left({\omega }_{p}t+{\varphi }_P\right)\left(3\right)$$

где: K_G1(t) - коэффициент передачи первого управляемого делителя; φ_G1[K_G1(t)] - фазовый сдвиг первого управляемого делителя.

В первом цикле измерения частота гетеродинного сигнала на втором выходе источника испытательных сигналов 2 устанавливается равной:

$${\omega }_{Г}={\omega }_{С}-{\omega }_{Р}\left(4\right)$$

На выходе второго управляемого делителя напряжения 5 сигнал имеют следующий вид:

$$\begin{array}{l}{U}_{CM}\left(t\right)=U_C{K}_{G1}\left(t\right)K_{G2}\left(t\right)K_{CM}\sin \{{\omega }_{p}t+{\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{G1}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_C-{\varphi }_{Г}+\\ +{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]\}\left(5\right)\end{array}$$

где: К_СМ - коэффициент передачи исследуемого преобразователя частоты 4; φ_CM[K_G1(t)] - амплитудно-фазовая характеристика исследуемого преобразователя частоты 4; K_G2(t) - коэффициент передачи второго управляемого делителя 5; φ_G2[K_G2(t)] - фазовый сдвиг второго управляемого делителя 5.

Коэффициенты передачи управляемых делителей 3 и 5 выбираются из условия:

$$K_{G1}\left(t\right)K_{G2}\left(t\right)=K_G{}_{\min }=const\left(6\right)$$

Такое соотношение реализуется если коэффициент передачи первого управляемого делителя напряжения 3 изменяется от $$K_G{}_{\min }$$ до $$K_G{}_{\max }$$ , а второго управляемого делителя напряжения 5 от $$K_G{}_{\max }$$ до $$K_G{}_{\min }$$ .

На выходе управляемого компенсатора фазового сдвига 11 сигнал имеет следующий вид:

$$U_K\left(t\right)=U_K\sin \left({\omega }_{p}t+{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]+{\varphi }_K\right)\left(7\right)$$

где: φ_K[K_G(t)] - фазовый сдвиг управляемого компенсатора фазового сдвига 11.

Амплитуда U_K этого сигнала выбирается из условия:

$$U_K=U_C{K}_G{}_{\min }{K}_{CM}\left(8\right)$$

Такое соотношение обеспечивает равенство по амплитуде сигналов, поступающих на фазовый детектор 8, являющийся коммутационным преобразователем разности фаз.

Тогда в первом такте первого цикла измерения на выходе фазового детектора 8 имеем:

$$\begin{array}{l}{\varphi }_1={\varphi }_{G1}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]-{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]+{\varphi }_C-{\varphi }_{Г}-{\varphi }_p+\\ +\Delta {\varphi }_{ƒ}+\Delta {\varphi }_U\left(9\right)\end{array}$$

где: Δφ_f - разность фазовых сдвигов усилителей-ограничителей, обусловленная не идентичностью их фазочастотных характеристик; Δφ_U - разность фазовых сдвигов первого 7 и второго 12 усилителей-ограничителей, обусловленная не идентичностью их фазоамплитудных характеристик.

Во втором такте первого цикла измерения с выхода управляемого компенсатора фазового сдвига 11 сигнал поступает вход усилителя-ограничителя 12 и через управляемый коммутатор сигналов 6 на вход усилителя-ограничителя 7, и результат измерения на выходе фазового детектора 8 равен:

$${\varphi }_2=\Delta {\varphi }_{ƒ}+\Delta {\varphi }_U\left(10\right)$$

Сравнивая результаты в обоих тактах за первый цикл измерения имеем:

$${\varphi }_{Ц1}={\varphi }_{G1}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]-{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]+\Delta \varphi \left(11\right)$$

где: Δφ=φ_C-φ_Г-φ_р.

Во втором цикле измерения частота гетеродинного сигнала на втором выходе источника испытательных сигналов 2 устанавливается равной:

$${\omega }_{Г}={\omega }_{С}+{\omega }_{р}\left(12\right)$$

Тогда, в первом такте второго цикла измерения результат на выходе фазового детектора 8 равен:

$${\varphi }_{З}={\varphi }_{G1}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]-{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]+\Delta \varphi +\Delta {\varphi }_{ƒ}+\Delta {\varphi }_U\left(13\right)$$

Во втором такте второго цикла с выхода управляемого компенсатора фазового сдвига 11 сигнал поступает вход усилителя-ограничителя 12 и через управляемый коммутатор сигналов 6 на вход усилителя-ограничителя 7, и результат измерения на выходе фазового детектора 8 равен:

$${\varphi }_4=\Delta {\varphi }_{ƒ}+\Delta {\varphi }_U\left(14\right)$$

Сравнивая результаты в обоих тактах за второй цикл измерения имеем:

$${\varphi }_{Ц2}=-{\varphi }_{G1}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]-{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]+\Delta \varphi \left(15\right)$$

Складывая результаты измерения первого и второго цикла измерения получаем:

$$\Delta {\varphi }_{Ц}=2{\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]+2\left\{{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]-{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]\right\}+2\Delta \varphi \left(16\right)$$

Откуда, находим измеряемую фазоамплитудную характеристику исследуемого преобразователя частоты 4:

$${\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]=\frac{1}{2}\Delta {\varphi }_{Ц}-\left\{{\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]-{\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]\right\}-\Delta \varphi \left(17\right)$$

В выражении (17) последний член Δφ представляет аддитивную погрешность, которая устраняется при калибровке устройства на начальном уровне выходного сигнала первого управляемого делителя напряжения 3. Второй член выражения (17) (в фигурных скобках) характеризует мультипликативную погрешность, которая минимизируется путем введения управляемого компенсатора фазового сдвига 11.

Для высокочастотного диапазона управляемый делитель напряжения выполнен путем последовательного соединения нескольких Т-образных резистивных звеньев [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е издание. - М: Издательский дом “Додэка-XXI”′, 2007. 528 С.]. Ослабление звеньев, как правило, соответствует коду 1-2-4-8, а коммутация звеньев осуществляется при помощи высокочастотных реле на основе магнитно - управляемых контактов. Такая реализация управляемого делителя напряжения позволяет при минимальном количестве звеньев получить ступенчатый аттенюатор с широким диапазоном изменения ослабления напряжения. Очевидно, что если управляемый компенсатор фазового сдвига конструктивно выполнить из таких же звеньев, но с ослабление K_G(t)≈1, то при соответствующем управлении звеньями управляемого делителя напряжения и управляемого компенсатора фазового сдвига можно обеспечить одинаковое время распространения сигналов от входа к выходу в обоих устройствах на одной фиксированной частоте ω_р. А это означает что:

$${\varphi }_{G2}\left[K_{G2}\left(t\right)\right]\approx {\varphi }_K\left[K_G\left(t\right)\right]\left(18\right)$$

На основании изложенного фазоамплитудная характеристика исследуемого преобразователя частоты будет равна:

$${\varphi }_{CM}\left[K_{G1}\left(t\right)\right]=\frac{1}{2}\Delta {\varphi }_{Ц}\left(19\right)$$

Таким образом, введение в устройство второго управляемого делителя напряжения с соответствующим циклами управления стабилизировало уровень выходного сигнала исследуемого преобразователя частоты и позволило повысить точность измерения фазоамплитудной характеристики. Для исключения собственной фазовой погрешности введенного делителя напряжения 5 предложено использовать в цепи сигнала промежуточной частоты управляемый компенсатор фазового сдвига 11, идентичного второму управляемому дополнительному делителю напряжения 5. Одновременно введение соответствующих циклов измерения в измерительный процесс позволило исключить собственную фазовую погрешность делителя напряжения, изменяющего уровень входного измерительного сигнала преобразователя частоты. В целом предложенная структура прибора с соответствующими циклами измерительного процесса позволяет решить задачу измерения фазоамплитудной характеристики преобразователей частоты независящей от фазовой погрешности входящих в него устройств.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым изобретениям.

Измеритель фазоамплитудных характеристик преобразователя частоты, состоящий из последовательно соединенных управляемого источника испытательных сигналов, первого управляемого делителя напряжения, исследуемого преобразователей частоты, а затем управляемого коммутатора сигналов, первого и второго усилителей-ограничителей, фазового детектора, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора, отличающийся тем, что устройство дополнительно снабжено управляемым компенсатором фазового сдвига и вторым управляемым делителем напряжения, при этом выход исследуемого преобразователя частоты соединен с входом второго управляемого делителя напряжения, выход которого подключен к входу управляемого коммутатора сигналов, соединенного последовательно с первым усилителем-ограничителем, фазовым детектором, микроконтроллером, жидкокристаллическим индикатором, второй выход управляемого источника испытательных сигналов соединен с гетеродинным входом исследуемого преобразователя частоты, вход управляемого компенсатора фазового сдвига подключен к третьему выходу управляемого источника испытательных сигналов, а другой его выход подключен к входу управляемого коммутатора сигналов и входу второго усилителя-ограничителя, выход которого подключен к фазовому детектору, при этом выходы микроконтроллера соответственно подключены к управляющим входам управляемого источника испытательных сигналов, первого управляемого делителя напряжения, второго управляемого делителя напряжения, управляемого коммутатора сигналов и управляемого компенсатору фазового сдвига.