Устройство для измерения фазовых параметров четырехполюсников

Полезная модель относится к фазоизмерительной технике и может быть использована для прецизионных измерений фазовых параметров сигналов, в частности, в радиотехнических системах оптимальной линейной фильтрации.
Известны фазометры с использованием ключевых цепей (триггеров, схем совпадения), основанных на преобразование фазового сдвига в интервал времени, с последующим преобразованием интервала времени в напряжение или цифровой код [Галахов О.П. и др. Основы фазометрии Л.: Энергия, 1976. 256 с., Глинченко Александр Семенович, Кузнецкий С.С., Фиштейн А.М., Чмых М.К. Цифровые методы измерения сдвига фаз. М.: Наука. 1979. 288 с.].
Недостатки фазометров, основанных на измерении длительности временных интервалов между точками перехода сигнала через ноль, обусловлены способом оценки по двум точкам, не используя при этом всего объема информации остальных точек сигнала. Это предопределило невысокую точность фазометров при искаженной форме сигналов и, в целом, низкую помехоустойчивость алгоритма измерения фазовых сдвигов с выделением переходов сигнала через ноль.
В работе [Ганзинг К.И. Измерение фазовых характеристик методом корреляции. Вопросы радиоэлектроники. Серия VI. Радиоизмерительная техника. 1962. Вып. 4, с. 87-96] предложено решить данную проблему, используя корреляционную обработку сигналов. Известен способ и устройство корреляционного фазометра [Циделко В.Д., Кузнецов В.И., Иванов Б.Р. Цифровой корреляционный фазометр. Авт.свидетельство СССР №423066. Бюл. Изобретений 1974. №13], в которых впервые предложена и реализована корреляционная методика для фазовых измерений. К недостаткам корреляционного метода следует отнести сложность практической реализации, ограниченный частотный диапазон и косинусоидальный характер шкалы.
Наиболее близким аналогом, взятом в качестве прототипа, является устройство с ортогональной обработкой сигнала, реализующее оптимальный алгоритм измерения фазы сигнала [Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы. М.: Советское радио. 1968. 380 с.]. Устройство состоит из двух перемножителей сигналов, сигнальные входы которых объединены и подключены к входной клемме устройства, а управляющие входы соединены с выходами квадратурного генератора, состоящего из генератора опорного напряжения и фазовращателя девяностоградусного фазового сдвига, выходы перемножителей сигналов через интеграторы подключены к вычислительному блоку, осуществляющему вычисление фазового сдвига по алгоритму:
,
н
где  - оптимальная оценка фазового сдвига; U(t) - входной сигнал; t - время наблюдения сигнала.
Недостатком данного устройства является использование аналоговых перемножителей сигналов и аналогового квадратурного генератора на базе аналогового генератора опорного напряжения и фазовращателя девяносто градусного фазового сдвига. В целом, такая реализация устройства ограничивает потенциальные возможности ортогонального метода анализа сигналов, как в части точности, так и динамического и частотного диапазонов измерения фазы сигналов.
Техническим результатов является повышение точности фазовых измерений в широком частотном и динамическом диапазонах входных сигналов.
Для достижения технического результата в предлагаемом измерительном комплексе генератор квадратурных сигналов реализован на базе двух синхронизируемых микропроцессором DDS генераторов, а умножители сигналов на основе ключевых синхронных детекторов, сигнальные входы которых соединены со входной клеммой устройства, а управляющие входы через усилители-ограничители подключены к выходам DDS генераторов соответственно косинусного и синусного опорных каналов, при этом выходы синхронных детекторов подключены к измерительным входам микропроцессора, осуществляющего математическую обработку результатов измерения по заданному алгоритму с выводом результатов измерения на регистрирующее устройство.
На фиг. 1 представлена структурная схема измерительного комплекса для измерения фазовых параметров четырехполюсников.
Измерительный комплекс 1 состоит из первого и второго ключевых синхронных детекторов 2 и 3, первого и второго усилителей-ограничителей 4 и 5, первого и второго DDS генераторов 6 и 7, микропроцессора 8 и регистрирующего устройства 9.
вых
вх
вых
Принцип действия измерительного комплекса 1 следующий. Предварительно, в соответствии с процедурой измерения фазовых параметров четырехполюсников на его вход с генератора DDS 6 косинусного канала измерительного комплекса 1 подается сигнал U(t), а с его выхода исследуемый сигнал U(t) поступает на входную клемму измерительного комплекса 1. Необходимую частоту сигнала U(t) устанавливает микроконтроллер 8, который также задает аналогичную частоту выходных сигналов DDS генераторов 6 и 7 (сигналы MCLK и RESET), а также устанавливает между этими сигналами 90° градусный фазовый сдвиг, которые через усилители-ограничители 4 и 5 подаются на управляющие входы синхронных детекторов 2 и 3. Функциональное назначение ключевых синхронных детекторов 2 и 3 заключается в выделении фазового сдвига между входным и управляющим сигналами, а также последующее его аналоговое интегрирование. Непосредственно процесс измерения происходит под управлением микропроцессора 8, который непрерывно осуществляет следующие процедуры:
т
- измерение амплитуды выходных сигналов синхронных детекторов 2 и 3, определяемых из выражения  соответственно при этом t - длительность такта измерения, задаваемое микропроцессор 8;
- вычисление тригонометрических функции и фиксацию результатов измерения в регистрирующем устройстве 9
вх
Формулы (1) и (2) идентичны и это означает, что предложенное измерительное устройство осуществляет оптимальную оценку фазы исследуемого сигнала четырехполюсника U(t) и эта процедура происходит без методической погрешности.
В отношении инструментальных погрешностей необходимо отметит следующие отличительные особенности используемых элементов устройства:
- современные DDS генераторы обеспечивают как в герцовом, так и мегагерцевом диапазоне генерацию сигналов с разрешающей способностью по частоте и фазе соответственно 0,01 Гц и 0,01° [Мерфи Е., Слэттери К. Все о синтезаторах DDS. Компоненты и технологии. №1. 2005. С. 28-32];
- предельная чувствительность и избирательность синхронных детекторов, с использованием современный элементной базы, составляет реально не менее 1 мкВ и 60 дБ [Рыбин Ю.К., Будейкин В.И. Синхронные детекторы в селективных измерительных приборах. Измерения, контроль, автоматизация №3. 1984].
Из приведенных данных следует, что практическая реализация умножителей сигналов и квадратурного генератора на основе ключевых синхронных детекторов и синхронизируемых микропроцессоров DDS генераторов обеспечивает достижение заданного технического результата: повышения точности фазовых измерений в широком частотном и динамическом диапазоне входных сигналов.