ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

Полезная модель относится к устройствам для измерения параметров линейных четырехполюсников, обладающих частотно-избирательными свойствами, а именно добротности, и может быть использована в радиоизмерительных комплексах по настройке и оценке параметров цепей и устройств в радиотехнике и системах связи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является измеритель добротности линейного четырехполюсника (Кушнир Ф.В., Савенко В.Г. Электрорадиоизмерения. М., Энергия, 1975, с.220, рис.6.16), выбранный в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит измерительный генератор, выход которого подключен к входу исследуемого четырехполюсника, входной блок, вход которого подключен к выходу исследуемого четырехполюсника, и индикатор, а также содержит первый и второй пороговые блоки, выходы которых подключены к временному селектору, формирователь импульсов, счетчик импульсов и линию задержки, вход которой подключен к входу входного блока, а выход к второму входу («сброс») счетчика импульсов.
Недостатками устройства-прототипа являются низкая точность измерения и ограниченная область применения. Низкая точность измерения обусловлена тем, что на точность измерения влияет величина добротности четырехполюсника, так как дискретность отсчетов добротности приводит к существенным погрешностям измерения, соизмеримым с самой величиной оцениваемой добротности, а именно, при меньшей добротности возникает большая погрешность измерения, чем при большей добротности исследуемого четырехполюсника, что присуще методу измерения, заложенному в работу устройства. Ограниченная область применения обусловлена тем, что при измерении добротности таких линейных частотно-избирательных устройств, которые содержат активные элементы -транзисторы, микросхемы, например, резонансных усилителей, для которых добротность является одним из важнейших показателей их частотной избирательности, известный измеритель добротности дает низкую точность измерения.
Технический результат - повышение точности измерения и расширение области применения устройства за счет исключения дискретности оценки добротности и снижения влияния зависимости результата измерения от параметров элементов исследуемого четырехполюсника.
Сущность полезной модели заключается в том, что в измеритель параметров четырехполюсника, содержащий так же, как и прототип, измерительный генератор, выход которого подключен к входу исследуемого четырехполюсника, входной блок, вход которого подключен к выходу исследуемого четырехполюсника, и индикатор, в отличие от прототипа, введены последовательно соединенные первый блок оценки дисперсии и блок масштабирования, последовательно соединенные первый дифференциатор, второй блок оценки дисперсии, первый перемножитель, второй вход которого подключен к выходу блока масштабирования, первый вычитатель, делитель и блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом индикатора, последовательно соединенные фазовращатель на 90 град., второй перемножитель, второй вход которого подключен к выходу первого дифференциатора, второй вычитатель, квадратор, выход которого параллельно подключен ко второму входу первого вычитателя и второму входу делителя, последовательно соединенные второй дифференциатор, вход которого подключен к выходу фазовращателя на 90 град., и третий перемножитель, выход которого подключен ко второму входу второго вычитателя, причем выход входного блока параллельно подключен к входам первого блока оценки дисперсии, первого дифференциатора, фазовращателя на 90 град. и ко второму входу третьего перемножителя, а измерительный генератор выполнен в виде генератора "белого" шума.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена функциональная электрическая схема измерителя параметров четырехполюсника, где введены обозначения:
1 - измерительный генератор
2 - входной блок
3-1 и 3-2 - первый и второй блоки оценки дисперсии
4 - блок масштабирования
5-1 и 5-2 - первый и второй дифференциаторы
6-1 - 6-3 - первый, второй и третий перемножители
7-1 и 7-2 - первый и второй вычитатели
8 - делитель
19 - блок извлечения квадратного корня
10 - индикатор
11 - фазовращатель на 90 град.
12 - квадратор
13 - исследуемый четырехполюсник.
Измеритель параметров четырехполюсника содержит измерительный генератор 1, выход которого подключен к входу исследуемого четырехполюсника 13, последовательно соединенные входной блок 2, вход которого подключен к выходу исследуемого четырехполюсника 13, первый блок оценки дисперсии 3-1 и блок масштабирования 4, последовательно соединенные первый дифференциатор 5-1, второй блок оценки дисперсии 3-2, первый перемножитель 6-1, второй вход которого подключен к выходу блока масштабирования 4, первый вычитатель 7-1, делитель 8 и блок извлечения квадратного корня 9, выход которого соединен с входом индикатора 10, последовательно соединенные фазовращатель на 90 град. 11, вход которого подключен к выходу входного блока 2, второй перемножитель 6-2, второй вход которого подключен к выходу первого дифференциатора 5-1, второй вычитатель 7-2 и квадратор 12, выход которого одновременно подключен к вторым входам первого вычитателя 7-1 и делителя 8, последовательно соединенные второй дифференциатор 5-2, вход которого подключен к выходу фазовращателя на 90 град. 11, и третий перемножитель 6-3, второй вход которого подключен к выходу входного блока 2, а его выход подключен к второму входу второго вычитателя 7-2.
В основу работы заявляемого устройства положены следующие принципы.
0
Если на вход линейного четырехполюсника подать стационарный случайный процесс с равномерной спектральной плотностью N, например, «белый шум», то на его выходе спектральная плотность S(f) процесса u(t) определяется выражением
0
где к(f) - амплитудно - частотная характеристика четырехполюсника. Выражение (1) показывает, что такие моментные критерии амплитудно-частотной характеристики исследуемого линейного четырехполюсника с частотной избирательностью как частота настройки f и ширина полосы пропускания Δ, определяющие добротность , которую надо оценить, можно однозначно определить через моментные критерии энергетического спектра S(f) на его выходе.
0
Частота настройки f линейного четырехполюсника является моментным критерием энергетического спектра S(f) (центром тяжести по площади) и совпадает с центральной частотой  процесса u(t), так как
При этом величина  процесса u(t) определяется выражением (Финк Л.М. Сигналы, помехи, ошибки… ., Радио к связь, 1984, с.41)
где v(t) - процесс, сопряженный по Гильберту процессу u(t) штрих обозначает производную по времени; черта над выражением обозначает усреднение по времени; D - дисперсия процесса u(t), причем дисперсии сопряженных процессов равны .
В выражении (3) в целях упрощения дальнейших выкладок опущен знак функциональной зависимости от времени, т.е. u(t)=u, v(t)=v, u'(t)=u', v'(t)=v'.
Ширина энергетического спектра S(f) процесса u(t) формируется шириной полосы пропускания Δ исследуемого линейного четырехполюсника и они полностью и однозначно определяют друг друга.
Ширина энергетического спектра S(f) является моментным критерием последнего и определяется выражением (см., например, кн.: Харкевич А.А. Спектры и анализ. М., Изд. физ-мат. литературы, 1962):
1
1
2
Используя связь энергетических спектров S(f) производной u'(t) и S(f) самого процесса u(t) в виде S=fS(f), из выражения (4) получим
где - дисперсия производной u'(t).
Подставив в выражение (5) выражение (3), получим
э
Величина Δ определяет половину ширины энергетического спектра S(f), поэтому общая ширина полосы пропускания исследуемого линейного четырехполюсника по мощности
Возведя выражение (3) в квадрат, с учетом выражений (6) и (7), получим
Выражение (8) дает алгоритм измерения добротности линейного четырехполюсника т.е. одного из основных параметров, характеризующих исследуемый линейный четырехполюсник с частотной избирательностью.
Измеритель параметров четырехполюсника работает следующим образом.
0
Измерительный генератор 1 генерирует случайный стационарный сигнал с нулевым математическим ожиданием и равномерной спектральной плотностью N в ожидаемой полосе рабочих частот, который подается на вход исследуемого четырехполюсника 13, обладающего частотно-избирательными свойствами, с амплитудно-частотной характеристикой к(f), добротность  которого надо оценить.
В качестве измерительного генератора - генератора "белого" шума, использован генератор, полоса спектральной плотности выходного сигнала которого превышает в 2-3 раза максимально возможную полосу пропускания исследуемого линейного четырехполюсника.
0
Сигнал u(t) на выходе исследуемого четырехполюсника 13 представляет собой узкополосный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием, спектральная плотность которого определяется в соответствий с выражением (1) и однозначно связана с такими параметрами исследуемого четырехполюсника 13 как частота настройки f и ширина его полосы пропускания Δ. Он поступает на вход входного блока 2, предназначенного для исключения влияния измерительной цепи на параметры исследуемого четырехполюсника.
2
С выхода входного блока 2 сигнал u(t)=u=u поступает на вход блока оценки дисперсии 3-1, выполненного, например, в виде последовательно соединенных квадратора и фильтра нижних частот, сигнал с выхода которого, пропорциональный дисперсии D сигнала u(t),
4
3-1
поступает на вход блока масштабирования 4, имеющего прецизионный коэффициент передачи, равный четырем. С выхода блока масштабирования 4 сигнал u=4u=4D поступает на второй вход перемножителя 6-1.
6-1
Одновременно сигнал с выхода входного блока 2 поступает на вход  дифференциатора 5-1, сигнал с выхода которого  поступает на вход блока оценки дисперсии 3-2, сигнал на выходе которого равен  и подается на первый вход перемножителя 7-1, низкочастотная составляющая сигнала на выходе которого равна , Далее этот сигнал u поступает на первый вход вычитателя 7-1.
Одновременно сигнал с выхода входного блока 2 поступает на вход фазовращателя на 90 град. 11, в котором все спектральные составляющие сигнала u(t) поворачиваются на 90 град. по фазе для формирования сигнала v(t), сопряженного по Гилберту сигналу u(t) (Финк Л.М. Сигналы, помехи, ошибки… ., Радио к связь, 1984).
11
Сигнал с выхода фазовращателя на 90 град. 11 u=v(t)=v одновременно подается на первый вход перемножителя 6-2 и на вход дифференциатора 5-2. На второй вход перемножителя 6-2 поступает сигнал с выхода дифференциатора 5-1. В результате на выходе перемножителя 6-2 формируется сигнал, низкочастотная составляющая которого , подается на первый вход (вход вычитаемого) вычитателя 7-2.
В дифференциаторе 5-2 осуществляется дифференцирование процесса v(t) и сигнал с его выхода  подается на первый вход перемножителя 6-3, на второй вход которого подается сигнал с выхода входного блока 2. С выхода перемножителя 6-3 низкочастотная составляющая сигнала  поступает на второй вход (вход уменьшаемого) вычитателя 7-2.
Сигнал с выхода вычитателя 7-2  поступает на квадратор 12, сигнал с выхода которого  поступает одновременно на второй вход (вход вычитаемого) вычитателя 7-1 и на второй вход (вход делимого) делителя 8.
Сигнал с выхода первого вычитателя 7-1  поступает на первый вход (вход делителя) делителя 8, низкочастотная составляющая сигнала с выхода которого
поступает на вход блока извлечения квадратного корня 9, на выходе которого формируется низкочастотная составляющая сигнала
пропорциональная измеряемой добротности Q исследуемого четырехполюсника 13.
Этот сигнал (9) поступает на индикатор 10 для отображения результата измерения либо в цифровой форме, либо в виде отклонения стрелки прибора на пропорциональный угол. Измеренное значение добротности имеет непрерывную форму регистрации (без дискретности), что повышает точность измерения во всем диапазоне значений добротности, и не зависит от типа четырехполюсника, т.е. от того содержит он или не содержит активные элементы.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый измеритель параметров четырехполюсника позволяет осуществлять точное измерение величины добротности исследуемого четырехполюсника в широком диапазоне ее возможных значений и в широком классе линейных четырехполюсников, что расширяет его область применения.