УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНЯТИЯ ФАЗОЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
DEVICE FOR PHASE-FREQUENCY TEST OF AMPLIFIERS

Изобретение относится к микроминиатюризации и технологии радиоэлектронной аппаратуры и может быть использовано для контроля параметров усилителей при их производстве.
Известно устройство для измерения амплитудно-частотной характеристики усилителя со сложным режекторным фильтром (авторское свидетельство СССР №859962, МПК G01R 27/28, опубл. 30.08.81. Бюл №32), содержащее усилитель-ограничитель, генератор горизонтальной развертки, последовательно соединенные генератор качающейся частоты, сумматор, исследуемый усилитель, детектор, параллельно соединенные входами элементы задержек, выходы которых подключены к формирователям импульсов, генераторы синусоидального напряжения фиксированных частот, выходы которых параллельно подключены к сумматору, блок управления аттенюатором, управляемый аттенюатор, подключенный выходом к сигнальному входу осциллографического индикатора.
Недостатком устройства является невозможность снятия фазочастотной характеристики усилителей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для измерения разности фаз, реализующее компенсационный метод (Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: Учебн. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1985, с.216) и содержащее установочный и измерительный фазовращатели и индикатор фиксированного фазового сдвига.
Недостатком устройства является низкая точность снятия фазочастотной характеристики усилителей.
В основу изобретения поставлена задача повысить точность снятия фазочастотной характеристики усилителей.
Данная задача решается в устройстве для снятия фазочастотной характеристики усилителей, которое содержит управляемый фазовращатель, согласно изобретению в него дополнительно введены последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, элемент НЕ, формирователь импульсов малой длительности, RS-триггер, блок определения фазы и индикатор фазы, а также двухпороговый компаратор и генератор пилообразного напряжения, выход которого связан с управляющим входом управляемого фазовращателя, блок формирования квадратурных сигналов, первый выход которого подключен к входной клемме испытуемого усилителя, а также ко входу формирователя прямоугольных импульсов, а второй выход связан с сигнальным входом управляемого фазовращателя, управляемый аттенюатор, сигнальный вход которого подключен к выходной клемме испытуемого усилителя, устройство автоматической регулировки коэффициента передачи, первый вход которого подключен к выходу управляемого фазовращателя, а второй вход и выход связаны соответственно с выходом и управляющим входом управляемого аттенюатора, блок преобразования координат, первый и второй входы которого также подключены к выходам соответственно управляемого аттенюатора и управляемого фазовращателя, компаратор, первый и второй источники опорного напряжения, амплитудный детектор, вход которого также связан с выходом управляемого фазовращателя, суммирующее и вычитающее устройства, первые входы которых объединены и подключены к выходу амплитудного детектора, вторые входы объединены и подключены к выходу первого источника опорного напряжения, а выходы связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора, сигнальный вход которого подключен к первому выходу блока преобразования координат, второй выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом второго источника опорного напряжения, а выход - со вторым входом RS-триггера.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 - эпюры, поясняющие принцип его работы: а - эпюры напряжения на первом выходе блока формирования квадратурных сигналов; б - эпюры напряжения на втором выходе блока формирования квадратурных сигналов; в - эпюры напряжения на выходе формирователя прямоугольных импульсов; г - эпюры напряжения на выходе элемента НЕ; д - эпюры напряжения на выходе формирователя импульсов малой длительности; е - эпюры напряжения на втором (фазовом) выходе блока преобразования координат; ж - эпюры напряжения на выходе компаратора; з - эпюры напряжения на выходе RS-триггера.
Устройство содержит блок формирования квадратурных сигналов 1, формирователь прямоугольных импульсов 2, испытуемый усилитель 3, управляемый фазовращатель 4, генератор пилообразного напряжения 5, элемент НЕ 6, управляемый аттенюатор 7, устройство автоматической регулировки коэффициента передачи 8, формирователь импульсов малой длительности 9, блок преобразования координат 10, амплитудный детектор 11, RS-триггер 12, компаратор 13, первый источник опорного напряжения 14, блок определения фазы 15, второй источник опорного напряжения 16, суммирующее устройство 17, вычитающее устройство 18, индикатор фазы 19 и двухпороговый компаратор 20.
В устройстве последовательно соединены формирователь прямоугольных импульсов 2, элемент НЕ 6, формирователь импульсов малой длительности 9, RS-триггер 12, блок определения фазы 15 и индикатор фазы 19, а также управляемый фазовращатель 4 и устройство автоматической регулировки коэффициента передачи 8, двухпороговый компаратор 20 и генератор пилообразного напряжения 5, выход которого связан с управляющим входом управляемого фазовращателя 4. Первый выход блока формирования квадратурных сигналов 1 подключен к входной клемме испытуемого усилителя 3 и входу формирователя прямоугольных импульсов 2. Второй выход блока формирования квадратурных сигналов 1 подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя 4. Сигнальный вход управляемого аттенюатора 7 подключен к выходной клемме испытуемого усилителя 3, а его управляющий вход - к выходу устройства автоматической регулировки коэффициента передачи 8, второй вход которого и первый вход блока преобразования координат 10 объединены и подключены к выходу управляемого аттенюатора 7. Второй вход блока преобразования координат 10 и вход амплитудного детектора 11 объединены и также подключены к выходу управляемого фазовращателя 4. Первые входы суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 объединены и подключены к выходу амплитудного детектора 11, а их вторые входы объединены и подключены к выходу первого источника опорного напряжения 14. Выходы суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора 20. Сигнальный вход последнего подключен к первому (амплитудному) выходу блока преобразования координат 10, второй (фазовый) выход которого подключен к первому входу компаратора 13, второй вход которого связан с выходом второго источника опорного напряжения 16, а выход - со вторым входом RS-триггера 12.
1
1
1-1
1
1
1-2
Устройство работает следующим образом. На первом и втором выходах блока формирования квадратурных сигналов 1 формируются гармонические сигналы одинаковой амплитуды напряжения U и одинаковой частоты f, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°. Синусоидальный сигнал (Usinωt, где ω=2πf) с первого выхода блока 1 (U, фиг.2, а) поступает на вход испытуемого усилителя 3. Косинусоидальный сигнал (-Ucosωt=Usin(ωt-90°)) со второго выхода блока 1 (U, фиг.2, б) поступает на сигнальный вход управляемого фазовращателя 4.
7
7
4
С изменением частоты блока формирования квадратурных сигналов 1, из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик испытуемого усилителя 3 и управляемого фазовращателя 4, изменяются амплитуды их выходных напряжений, причем неодинаково. Для исключения этого выходное напряжение испытуемого усилителя 3 поступает на сигнальный вход управляемого аттенюатора 7, а выходные напряжения управляемого фазовращателя 4 и управляемого аттенюатора 7 подают соответственно на первый и второй входы устройства автоматической регулировки коэффициента передачи 8. Последнее сравнивает амплитуды этих выходных напряжений и формирует на своем выходе постоянное напряжение. Оно поступает на управляющий вход аттенюатора 7 и поддерживает амплитуду выходного напряжения управляемого аттенюатора 7 (U) равной амплитуде выходного напряжения управляемого фазовращателя 4 (U=U) независимо от частоты.
7
4
С изменением частоты блока формирования квадратурных сигналов 1 меняется также фазовый сдвиг выходного напряжения испытуемого усилителя 3 (относительно его входного напряжения). При этом нарушается ортогональность выходных напряжений управляемого аттенюатора 7 и управляемого фазовращателя 4. Необходимое изменение фазы напряжения на втором выходе блока формирования квадратурных сигналов 1, равное фазовому сдвигу φ выходного напряжения испытуемого усилителя 3 на частоте f и восстанавливающее указанную ортогональность, осуществляется управляемым фазовращателем 4. Для этого генератор пилообразного напряжения 5 (на основе последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов, элемента И и счетчика, а также ЦАП и компаратора) формирует пилообразный сигнал. Он поступает на управляющий вход фазовращателя 4, увеличивая фазовый сдвиг его выходного напряжения до тех пор, пока напряжения на выходе управляемого аттенюатора 7 и управляемого фазовращателя 4 не станут ортогональными. Эти напряжения одинаковой амплитуды (U=U=U) поступают соответственно на первый и второй входы блока преобразования координат 10, который осуществляет их перевод из прямоугольной системы координат в полярную. На первом (амплитудном) выходе блока 10 формируется постоянное напряжение , поступающее на сигнальный вход двухпорогового компаратора 20.
Одновременно с этим амплитудный детектор 11 преобразует амплитуду выходного переменного напряжения управляемого фазовращателя 4 в постоянное напряжение, равное U, которое поступает на первые входы суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18. На вторые входы этих устройств поступает напряжение небольшой величины с выхода первого источника опорного напряжения 14.
На выходах суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 образуются постоянные напряжения, задающие соответственно верхнюю и нижнюю границы области допустимых значений напряжения, формирующегося на первом (амплитудном) выходе блока преобразования координат 10 в момент восстановления ортогональности напряжений на его входах. Необходимость введения такой зоны допуска связано с тем, что напряжение на первом (амплитудном) выходе блока 10 в указанный момент времени может приближаться к искомому U по уровню как сверху, так и снизу.
Выходные напряжения суммирующего устройства 17 и вычитающего устройства 18 поступают соответственно на первый и второй пороговые входы двухпорогового компаратора 20.
Если напряжение на первом (амплитудном) выходе блока преобразования координат 10 лежит в заданной зоне допуска (когда формирование ортогональных напряжений на его входах завершено), то на выходе двухпорогового компаратора 20 формируется логическая «1», в противном случае - логический «0». Напряжение с выхода двухпорогового компаратора 20 поступает на вход генератора пилообразного напряжения 5. При наличии логического «0» на входе генератора 5, рост пилообразного напряжения на его выходе продолжается, а при наличии логической «1» - прекращается. В последнем случае изменение разности фаз, вносимое управляемым фазовращателем 4, также прекращается.
1
1-1
2
6
9
12
Синусоидальный сигнал Usinωt с первого выхода блока формирования квадратурных сигналов 1 (U, фиг.2, а) поступает также на вход формирователя прямоугольных импульсов 2, с выхода которого (U, фиг.2, в) на вход элемента НЕ 6 поступает сигнал прямоугольной формы. На выходе элемента НЕ 6 образуется его инвертированный сигнал (U, фиг.2, г). Последний поступает на вход формирователя импульсов малой длительности 9, на выходе которого по фронту входного сигнала формируется прямоугольный импульс малой длительности (U, фиг.2, д). Этот импульс поступает на первый вход (S-вход) RS-триггера 12 и устанавливает его в единичное состояние (U, фиг.2, з).
10-2
16
13
12
Одновременно с получением напряжения на первом (амплитудном) выходе блока преобразования координат 10 (когда формирование ортогональных напряжений на его входах завершено), на его втором (фазовом) выходе формируется спадающее пилообразное напряжение (U, фиг.2, е). Компаратор 13 сравнивает это напряжение с выходным напряжением второго источника опорного напряжения 16. Последнее выбирается немного меньше максимального напряжения на втором (фазовом) выходе блока преобразования координат 10, соответствующего максимуму спадающего пилообразного сигнала в точке разрыве (U, фиг.2, е). На время превышения первым входным напряжением компаратора 13 уровня второго на его выходе формируется прямоугольный импульс (U, фиг.2, ж). Этот импульс поступает на второй вход (R-вход) RS-триггера 12 и устанавливает его в нулевое состояние (U, фиг.2, з).
12
При помощи управляемого фазовращателя 4 обеспечивается необходимое изменение разности фаз его входного и выходного напряжений, равное фазовому сдвигу испытуемого усилителя 3. Это эквивалентно восстановлению ортогональности выходных напряжений управляемого фазовращателя 4 и управляемого аттенюатора 7. Тем самым создается задержка τ формирования спадающего пилообразного напряжения на втором (фазовом) выходе блока преобразования координат 10. Таким образом, на выходе RS-триггера 12 формируется прямоугольный импульс (U, фиг.2, з), в котором соотношение τ/Т несет информацию о фазовом сдвиге испытуемого усилителя 3. Импульсный сигнал с выхода RS-триггера 12 поступает на вход блока определения фазы 15. Блок 15 формирует постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу усилителя (φ=2πτ/Т), которое снимается с помощью индикатора фазы 19.
В дальнейшем, увеличивая частоту f блока формирования квадратурных сигналов 1 и сохраняя рост выходного напряжения генератора пилообразного напряжения 5, находят соответствующий фазовый сдвиг φ испытуемого усилителя 3 и строят его фазочастотную характеристику.
Преимуществом устройства, по сравнению с прототипом, является повышенная точность снятия фазочастотной характеристики усилителя. Она достигается путем выравнивания и формирования ортогональными выходных напряжений управляемого фазовращателя и управляемого аттенюатора в широком диапазоне частот с последующим преобразованием их из прямоугольной системы координат в полярную. Это делает процесс снятия фазочастотной характеристики усилителя независимым от значения его фазового сдвига.