УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF FREQUENCY-PHASE CHARACTERISTICS OF HYDROACOUSTIC INSTRUMENTS

Изобретение относится к гидроакустической измерительной технике и может служить для измерения частотно-фазовых характеристик в непрерывном и импульсном режиме.
Известное устройство, выполняющее задачу измерения частотно-фазовых характеристик, содержит передающий генератор и приемный тракт, состоящий из усилителя и фазометра. Например, подобная система описана в книге И.М.Вишенчука, А.Ф.Котюка и Л.Я.Мизюка "Электромеханические и электронные фазометры" госэнергоиздат 1962 г. на стр.198. В гидроакустике распространены измерительные системы, содержащие те же основные узлы. Например, в качестве передающего тракта используется генератор, выполненный по стандартной схеме, в приемном тракте - двухканальный усилитель и фазометр с постоянным измерительным временем, описанный в статье Н.П.Полякова "Методические погрешности цифровых фазометров с постоянным измерительным временем", помещенной в журнале "Приборы и техника эксперимента" №3, 1959 год, а также в книге Б.И.Швецкого "Электронные измерительные приборы с цифровым отсчетом", издательство "Техника", 1964 г., стр.135.
Передающий генератор 1÷4 /фиг.1/ служит источником сигнала, подаваемого на измеряемый объект 5 /фиг.1/. Двухканальный усилитель с двойным преобразованием частоты 6÷17 /фиг.1/ поднимает уровень измеряемых сигналов и преобразует рабочую частоту устройства в одну постоянную, вторую промежуточную частоту, сохраняя при этом сдвиг по фазе между выходными сигналами таким же, как и у рабочих сигналов.
Цифровым фазометром 18÷23 /фиг.1/ производится замер угла сдвига по фазе и индикация его в цифровой форме.
Недостатком известного устройства является большое измерительное время, определяемое измерительным временем фазометра. Причиной увеличения этого времени является некогерентность измеряемых сигналов, импульсов измерительного времени и счетных импульсов фазометра.
Уменьшение длительности измерительного времени устройства - основная цель изобретения, которая достигается созданием когерентности между измеряемыми сигналами, измерительным временем и счетными импульсами. Когерентность между перечисленными выше сигналами создается введением вместо трех, входящих в известное устройство генераторов постоянных частот 2, 17, 23 /фиг.1/, одного нового генератора 20 /фиг.2/, который генерирует три жестко связанных по частоте и фазе сигнала.
Введение нового вспомогательного генератора вместо трех старых и обеспечивает выполнение поставленной цели - уменьшения измерительного времени устройства.
ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО УСТРОЙСТВА.
На фиг.1 помещена блок-схема прототипа предлагаемого устройства.
В него входят передающий генератор 1÷4, измеряемый объект 5 и приемный тракт 6÷23.
В выделенный пунктиром передающий генератор входят:
1 - генератор перестраивающейся частоты
2 - генератор фиксированной частоты
3 - преобразователь частоты передающего генератора
4 - усилитель мощности с полосовым фильтром.
Приемный тракт состоит из двухканального супергетеродинного усилителя с двойным преобразованием частоты 6÷17 и фазометра с постоянным измерительным временем 18÷23. В выделенный пунктиром двухканальный усилитель входят:
6, 7 - предварительные усилители
8, 9 - первые преобразователи частоты
10, 11 - усилители первой промежуточной частоты
12, 13 - вторые преобразователи частоты
14, 15 - усилители второй промежуточной частоты
16 - генератор перестраивающейся частоты двухканального усилителя
17 - генератор фиксированной частоты двухканального усилителя.
В выделенный пунктиром фазометр с постоянным измерительным временем входят:
18 - формирователи и схема совпадений
19 - счетно-индикаторное устройство
20 - схема совпадений
21 - схема совпадений
22 - делитель частоты
23 - генератор счетных импульсов.
На фиг.2 приведена блок-схема нового устройства.
В эту схему входит передающий генератор 3, 4, измеряемый объект 5, приемный тракт, включающий двухканальный супергетеродинный усилитель 6÷15 и фазометр с постоянным измерительным временем 18÷22. Элементы схемы 3÷15, 18-22 те же, что и на схеме фиг.1. В блок-схему нового устройства не вошли приведенные в прототипе на фиг.1 генераторы 2, 16, 17, 23. Вместо генераторов 2, 17, 23 /фиг.1/ в блок-схему фиг.2 введен генератор жестко связанных между собой частот и импульсов 24, а функции генераторов 1, 16 /фиг.1/ выполняет генератор 1 /фиг.2/, общий для всего устройства.
На фиг.3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу фазометра с постоянным измерительным временем.
На фиг.4 приведена принципиальная схема генератора жестко связанных частот и импульсов 24 /фиг.2/.
На принципиальной схеме сделана только разводка сигнальных проводов, питающие провода и нулевая шина в схеме не приведены. Принципиальная схема разбита на пять выделенных пунктиром функциональных блоков.
Кварцевый генератор 25, 26 /фиг.4/, в который входит:
25 - генератор /фиг.5/
25 - эмиттерный повторитель /фиг.6/.
Формирователь счетных импульсов 27÷32, в который входит:
27 - резонансный усилитель /фиг.7/
28 - контур колебательный /фиг.8/
29 - усилитель-ограничитель /фиг.9/
30 - усилитель-ограничитель /фиг.10/
31, 32 - эмиттерные повторители /фиг.6/.
Делитель частоты 33÷45 /фиг.4/, в который входят:
33÷42 - триггера /фиг.11/
43÷45 - эмиттерный повторитель /фиг.6/.
Преобразователь частоты 46 /фиг.4/, его принципиальная схема приведена на фиг.12, и усилитель-умножитель 47÷54 /фиг.4/, в который входят: 47, 49, 51 - резонансные усилители /фиг.7/
48 - механический фильтр
50 - цепь удвоения /фиг.13/
52 - контур колебательный /фиг.8/
53, 54 - эмиттерные повторители /фиг.14/.
Задача уменьшения измерительного времени в гидроакустике может быть просто решена, как показано в приложении, в случае когерентности измеряемого сигнала, измерительного времени и частоты следования счетных импульсов. Такими качествами обладает новое устройство, блок-схема которого приведена на фиг.2. В это устройство входит передающий тракт 3, 4 /фиг.2/, выходные клеммы которого подключены ко входу измеряемого объекта 5 /фиг.2/ Измеряемый объект - это обычно гидроакустический многополюсник. В данном случае в качестве обобщающего примера выбран шестиполюсник.
Выходные клеммы измеряемого объекта 5 /фиг.2/ подключены ко входу двухканального усилителя с двойным преобразованием частоты 6÷15 /фиг.2/, выходные клеммы которого соединены со входами фазометра 18-22 /фиг.2/. Новое устройство отличается от устройства, приведенного на блок-схеме фиг.1, тем, что с целью выполнения условия когерентности генераторы 2, 23, 17 /фиг.1/ заменены одним генератором жестко связанных между собой частот и импульсов 24 /фиг.2/.
Выходы этого генератора соединены с преобразователем частоты передающего генератора 3 /фиг.2/, со вторыми преобразователями двухканального генератора 3 /фиг.2/, со вторыми преобразователями двухканального усилителя 12, 13 /фиг.2/ и схемой совпадений 21 фазометра 18-22 /фиг.2/. В этом устройстве генераторы 1 и 16 /фиг.1/ совмещены в один 1 /фиг.2/, его выходы соединены с преобразователем частоты передающего тракта 3 /фиг.2/ и первыми преобразователями частоты 8, 9 /фиг.2/ двухканального усилителя. Такое совмещение в один генератор перестраивающейся частоты, помимо простоты сведения к постоянной выходной частоте в двухканальном усилителе, создает дополнительное качество - удобство и оперативность при настройке устройства на рабочую частоту.
6
С целью создания когерентности между входными сигналами фазометра и счетными импульсами в устройство введен генератор жестко связанных между собой частот и импульсов 24 /фиг.2/, описание которого и работа приведена в приложении. Три выходных сигнала генератора, являющиеся 359 и 360 гармоникой выходной частоты двухканального усилителя f=2786 Гц, работают в устройстве в качестве гетеродинных сигналов и счетных импульсов. Это два гармонических сигнала с частотой F=10 и ν=100786 Гц и сигнал в форме счетных импульсов с частотой следования ν=1002786 Гц. Такой выбор величин частот обусловлен конструктивными особенностями генератора 24 /фиг.2/. Гетеродинный сигнал частоты питает преобразователь 3 /фиг.3/ передающего генератора, гетеродинный сигнал с частотой F питает вторые преобразователи 12, 13 /фиг.2/ двухканального усилителя, а импульсный сигнал с частотой следования ν используется в фазометре в качестве счетных импульсов, где подается на схему совпадения 21 /фиг.2/ и на делитель частоты 22 /фиг.2/.
n
n
n
гет.
6
На преобразователь передающего генератора 3 /фиг.2/ с генератора поз.24 /фиг.2/ и с генератора перестраивающейся частоты 1 /фиг.2/ поступают сигналы с частотами ν и F. Частота Fлежит в диапазоне 1009786÷1302786. Сигнал с выхода преобразователя 3 /фиг.2/ поступает на усилитель мощности с полосовым фильтром 4 /фиг.2/. Усилитель с фильтром выделяет и усиливает нижнюю боковую частоту, лежащую в диапазоне 7÷300 кГц. С усилителя мощности сигнал подается на измеряемый объект 5 /фиг.2/. С измеряемого объекта сдвинутые между собой по фазе сигналы поступают через предварительные усилители 6, 7 /фиг.2/ на первые преобразователи частоты 8, 9 /фиг.2/. На эти же преобразователи подается с генератора перестраивающейся частоты 1 /фиг.2/ сигнал частотой F. После преобразования усилителями первой промежуточной частоты выделяется нижняя боковая частота, равная частоте ν. Сигнал частоты ν смешивается во вторых преобразователях частоты 12, 13 /фиг.2/ с сигналом частоты F=10 Гц, поступающим с генератора поз.24 /фиг.2/. Усилителями второй промежуточной частоты 14, 15 выделяется постоянная частота f=2786 Гц. Сдвиг по фазе между сигналами сохраняется тот же, что и на входе усилителя, т.е. он равен углу, вносимому измеряемым объектом 5 /фиг.2/.
Сигналы с частотами f и ν, связанные между собой в соответствии с формулой ν=Cf, где C - постоянная, поступают на фазометр с постоянным измерительным временем 19÷22 /фиг.2/. Cигнал в форме счетных импульсов с частотой следования ν с генератора 24 /фиг.2/ подается на схему совпадений 21 фиг.2 и на делитель частоты 22 /фиг.2/, а сигналы с частотой f подаются на формирователи и схему совпадений 18 /фиг.2/, где формируются импульсы длительностью τ, пропорциональной фазе между сигналами.
Далее из этих и счетных импульсов на схеме совпадений 21 /фиг.2/ формируется серия пакетов импульсов, с частотой следования пакетов f, длительностью пакета τ и числом импульсов в пакете N, причем N=φ°, в случае С=360 один импульс будет соответствовать одному градусу. Серия этих импульсов подается на схему совпадений 20 /фиг.2/.
На эту же схему подаются сформированные делителем частоты 22 /фиг.2/ импульсы постоянного измерительного времени с длительностью  Схема совпадений выделяет один пакет, который поступает на счетно-индикаторное устройство 19 /фиг.2/, где фиксируется результат.
В макете, разработанном на основании данного предложения, измерение угла сдвига по фазе производится в рабочем диапазоне частот 7÷300 кГц. Показания на цифровом индикаторном устройстве отсчитываются с точностью до одного градуса в пределах 0÷360°.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Теоретическая часть.
Цифровой фазометр с постоянным измерительным временем обладает двумя недостатками, ограничивающими его применение в гидроакустической измерительной технике. Первый недостаток - низкая верхняя граница рабочего диапазона, которая по разным источникам лежит в пределах от 20 до 100 кГц.
В устройстве /фиг.1/ этот недостаток устраняется применением супергетеродинного усилителя. Второй недостаток - большое измерительное время θ, лежащее в пределах от 0,1 с до 10 с, вызывается некогерентностью измерительного времени и исследуемых сигналов.
В фазометре 18÷23 /фиг.1/ с помощью формирователей и схемы совпадений 18 /фиг.1/ вырабатываются прямоугольные импульсы длительностью τ, с частотой f и периодом  равными частоте и периоду исследуемых напряжений. Длительность τ пропорциональна сдвигу по фазе между исследуемыми сигналами.
Эти импульсы открывают схему совпадений 21 /фиг.1/, так что на схему совпадений 20 /фиг.1/ поступают пакеты с частотой заполнения счетными импульсами ν и периодом  На выходе делителя частоты 22 /фиг.1/ образуется прямоугольный импульс длительностью θ, служащий для управления схемой совпадения 20 /фиг.1/. Таким образом, на счетно-инидикаторное устройство 19 /фиг.1/ в течение постоянного измерительного времени θ поступит θf пакетов.
При достаточно большом измерительном времени θ общее число измерительных импульсов N, подсчитанных счетно-индикаторным устройством 19 /фиг.1/, пропорционально углу сдвига фаз и независимо от частоты входных напряжений
Некогерентность входного сигнала и измерительного времени заставляет с целью повышения точности измерения увеличивать измерительное время. Если синхронизировать по частоте и фазе измерительное время, измеряемый сигнал и частоту следования счетных импульсов, то измерительное время θ может быть значительно уменьшено, а именно до величины одного периода измеряемого сигнала. Эта возможность иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг.3, и разъяснениями, приведенными ниже.
На диаграммах "а" и "б" изображены сдвинутые по фазе измеряемые гармонические колебания с периодом Т. На диаграммах "в" и "г" изображены импульсы, соответствующие "положительному" переходу через нуль измеряемых колебаний. На диаграмме "д" изображены импульсы длительностью τ, пропорциональной сдвигу по фазе между измеряемыми колебаниями. На диаграмме "е" изображены счетные импульсы, следующие с периодом t. На диаграмме "ж" показаны пакеты счетных импульсов, количество которых в каждом пакете пропорционально углу сдвига по фазе между измеряемыми колебаниями.
Если жестко связать во времени период следования счетных импульсов t через постоянную С с периодом измеряемых колебаний Т, то получаются следующие зависимости
Если выбрать С=360,
Число импульсов N, пропорциональное углу φ°, выражается формулой
Для случая θ=Т и
То есть для случая С=360 и θ=Т измеряемый угол φ=N, где один импульс соответствует одному угловому градусу. Иначе говоря, число счетных импульсов с периодом t, уложившихся в один временный интервал τ, даст замер угла φ. Для измерения достаточен один временной интервал τ и, следовательно, один период измеряемых колебаний Т, который и является минимально необходимым измерительным временем θ. Из изложенного выше видно, что задача уменьшения измерительного времени может быть просто решена в случае когерентности измеряемого сигнала, измерительного времени и частоты следования счетных импульсов.
Описание принципиальной схемы генератора жестко связанных частот и импульсов.
Принципиальная схема генератора жестко связанных частот и импульсов приведена на фиг.4. Входящие в нее узлы - на фиг.5-14.
В устройстве в качестве гетеродинных сигналов выбраны сигналы, получаемые от генератора жестко связанных частот и импульсов, частоты которых равны 359-ой и 360- ой гармонике выходной частоты f=1786 Гц двухканального усилителя.
6
Это частоты F=f·359=10 Гц и ν=f·360=1002786 Гц.
Такой выбор вспомогательных частот обусловлен скоростью счета триггеров, используемых в делителе частоты 33÷45 /фиг.4/, и применением в усилителе - ограничителе 27÷32 /фиг.4/ стандартного механического фильтра 48 /фиг.4/ типа ЭМФ-5Д-500-0,3С с полосой пропускания 300 Гц и центральной рабочей частотой 500 кГц.
Кварцевый генератор 25, 26 /фиг.4/ генерирует гармонический сигнал с частотой ν=1002786 Гц. Этот сигнал подается на формирователь счетных импульсов 27÷32 /фиг.4/. Через резонансный усилитель 27, 28 и эмиттерный повторитель 31 сигнал поступает на выход 1, с которого подается на передающий генератор. Этот же сигнал с резонансного усилителя 27, 28 подается на усилительно-ограничительные каскады 29, 30 /фиг.4/, с которых через эмиттерный повторитель 32 подается на выход 2, а оттуда в форме счетных импульсов поступает на фазометр. Сигнал с каскада 30 поступает на делитель частоты 33-45 /фиг.4/. Коэффициент деления делителя выбран равным 720. Достигается такая величина коэффициента вверением обратных связей с триггера 41 через эмиттерный повторитель 43 на триггера 35, 36, 39. С триггеров 33, 42 сигналы с частотами: 501393 Гц и 1393 Гц поданы соответственно через эмиттерные повторители 44, 45 на преобразователь частоты 46 /фиг.4/.
С выхода преобразователя частоты сигнал подается на вход усилителя-умножителя 47-54 /фиг.4/.
6
Резонансным усилителем 47, нагруженным на механический фильтр 48, из продуктов смещения выделяется нижняя боковая частота 500 кГц, которая удваивается усилителем 49, 50, после чего усиливается и фильтруется усилителем 51, 52. Выделенная вторая гармоника частотой F=10 Гц через эмиттерные повторители 53, 54 подается на двухканальный усилитель.