Пристрій для вимірювання відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників

Винахід відноситься до радіовимірювальної техніки та може бути використаний для автоматичного контролю та діагностики чотириполюсників (трансформаторів, фільтрів, підсилювачів, ліній передачі сигналів, каналів зв'язку та інше ) по відхиленню їх фазочастотної характеристики від заданої номінальної характеристики в широкому діапазоні частот. Відомий пристрій для вимірювання частотних характеристик чотириполюсників (див. Зорьев А.Д., Пономаренко В.А. Цифровые методы и микропроцессоры при измерениях каналов связи. Киев.: О-во "Знание" 1985, с.13-16 ), що містить генератор качаючої частоти, до виходу якого підключений ступінчатий атенюатор, з'єднаний з вихідним підсилювачем, до виходу якого підключається чотириполюсник (канал зв'язку ), що досліджується, ви хід якого підключений з послідовно з'єднаними буферним підсилювачем , смуговим фільтром (±300Гц) та формувачем переходів через нуль, ви хід якого підключений до одного із входів двійкового лічильника, до другого входу якого підключається генератор фіксованої частоти, а ви хід лічильника з'єднаний через мультиплексор з буферним регістром, шини даних та адреса якого підключені до мікропроцесору, причому шина керування мікропроцесору підключена як до входів керування мультиплексора, так і до входів керування буферного регістра. Крім того, відомий пристрій містить послідовно з'єднані смуговий фільтр (300-3400Гц) та другий формувач переходів через нуль, вихід якого з'єднаний з першим входом другого війкового лічильника, а до другого входу підключений вихід генератора фіксованої частоти, причому вихід лічильника з'єднаний з другим входом мультиплексора, а вхід смугового фільтра підключений до виходу буферного підсилювача. Недоліком цього пристрою є низька точність вимірювання фазочастотних характеристик чотириполюсників ізза впливу температури та інших впливових факторів на параметри аналогових блоків та об'єкт дослідження. Відхилення фазочастотних характеристик чотириполюсників визначають шляхом розрахунку мікропроцесором по часу переходу сигналу після чотириполюсника через нуль, що потребує значного часу, і як наслідок, низька швидкодія пристрою при вимірювані всієї ФЧХ в робочому діапазоні частот. Відомий також пристрій для вимірювання відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників (див. Г.Я. Мирский. Встроенная микропроцессорная система - основа современного средства измерения. // Микропроцессорные средства и системы. №1, 1986, с.47-48), що містить мікропроцесорну систему, керований по частоті генератор напруги, що зондує, кодовий вхід якого підключений до одного з виходів мікропроцесорної системи, пристрій вводу та виводу інформації, який з'єднаний з другим виходом мікропроцесорної системи, вхідну і вихідну клеми для підключення чотириполюсника, що досліджується, два формувача імпульсів та часовий селектор. Крім того, відомий пристрій містить вхідний блок, двоканальний вимірювальний перетворювач, другий часовий селектор та два двійкових лічильники імпульсів, які з'єднані виходами з мікропроцесорною системою, а входами з виходами часових селекторів, перші входи яких підключені до виходів формувачів імпульсів, а другі з'єднані з виходами мікропроцесорної системи, входи формувачів імпульсів через двоканальний вимірювальний перетворювач підключені до виходу вхідного блоку, перший вхід якого з'єднаний з вхідною клемою для підключення чотириполюсника, що досліджується і виходом керованого по частоті генератора напруги, що зондує, другий вхід з'єднаний з вихідною клемою для підключення чотириполюсника. У відомому пристрої реєструється не вся фазочастотна характеристика чотириполюсника, що досліджується, а відхилення фазочастотної характеристики від лінійної частини. Проте при складній формі фазочастотної характеристики чотириполюсника, що досліджується, коли лінійний відрізок характеристики малий чи взагалі відсутній, така реєстрація не дозволяє виявити всі інформативні відхилення в фазочастотній характеристиці чотириполюсника, що знижує точність контролю чотириполюсників з різною структурою. В основу винаходу покладено задачу створити такий пристрій для вимірювання відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників, в якому шляхом введення нових елементів та їх зв'язків забезпечилось би високоточний автоматичний контроль за змінами відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників від його номінальних характеристик в широкому діапазоні частот. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників, що містить мікропроцесорну систему, керований по частоті генератор напруги, кодовий вхід якого підключений до першого виходу мікропроцесорної системи (МС), пристрій вводу та виводу інформації, який з'єднаний з другим виходом мікропроцесорної системи, вхідну і ви хідну клеми для підключення чотириполюсника, що досліджується, два формувачі імпульсів та часовий селектор, згідно винаходу, в нього введені ключовий фазовий детектор, подільник частоти, компенсуючий фазообертач, цифрокерований фазообертач, два автоматичні комутатори, керований по частоті генератор імпульсів і цифровий реверсивний лічильник імпульсів, кодовий вихід якого з'єднаний з третім виходом мікропроцесорної системи, четвертий вихід якої підключений до кодового керуючого входу генератора імпульсів, п'ятий вихід МС з'єднаний з входами керування автоматичних комутаторів, шостий вихід МС підключений до входу керування цифрокерованого фазообертача, сьомий вихід МС з'єднаний з входом подільника частоти, вихід якого підключений до входу компенсуючого фазообертача та одного із входів першого автоматичного комутатора, другий вхід якого підключений до виходу керованого по частоті генератора напруги, ви хід першого автоматичного комутатора з'єднаний з вхідною клемою для підключення чотириполюсника, що досліджується, вихід компенсуючого фазообертача підключений до аналогового входу цифрокерованого фазообертача, вихід якого з'єднаний з одним із входів другого автоматичного комутатора, другий вхід якого підключений до виходу керованого по частоті генератора напруги,, вихідна клема для підключення чотириполюсника, через перший формувач імпульсів, з'єднана з сигнальним входом ключового фазового детектора, опорний вхід якого через другий формувач імпульсів підключений до виходу другого автоматичного комутатора, вихід ключового фазового детектора з'єднаний з потенціальним входом часового селектора, імпульсний вхід якого підключений до виходу керованого по частоті генератора імпульсів, а вихід з'єднаний з входом цифрового реверсивного лічильника імпульсів. Завдяки показаному підключенню автоматичних комутаторів та введенню в схему цифрокерованого фазообертача, з'єднаного кодовим входом з МС, яка задає програмне номінальну фазочастотну характеристику чотириполюсника в функції часу та частоти, в вхідному колі опорної напруги формується еталона фазочастотна характеристика чотириполюсника, що досліджуються. Зв'язок кодового входу керованого по частоті генератора імпульсів з мікропроцесорною системою, забезпечує вимірювання відхилень фазочастотної характеристики чотириполюсників відносно номінальної характеристики, що забезпечує підвищення чутливості пристрою до змін коефіцієнта передачі чотириполюсника та автоматичне реєстрування з високою точністю відхилення фазочастотної характеристики. На рисунку представлена функціональна схема пристрою для вимірювання відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників. Пристрій містить керований по частоті генератор 1 напруги, що зондує, подільник частоти 2, компенсуючий фазообертач 3, цифрокерований фазообертач 4, перший та другий автоматичні комутатори, відповідно 5 та 6, вхідна та вихідна клеми для підключення чотириполюсника, що досліджується, відповідно 7 та 8, перший та другий формувачі імпульсів, відповідно 9 та 10, ключовий фазовий детектор 11, в якості якого може служити двополюсна тригерна схема, керований по частоті генератор імпульсів 12, часовий селектор 13, цифровий реверсивний лічильник імпульсів 14, мікропроцесорна система 15 (МС) та пристрій вводу та виводу інформації 16. Позицією 17 позначимо чотириполюсник, що досліджується. Вихід керованого по частоті генератора 1 напруг, що зондує, з'єднаний з першими входами автоматичних комутаторів 5 та 6, а вхід керування підключений до першого виходу мікропроцесорної системи 15 (МС), др угий вхід першого автоматичного комутатора 5 підключений до виходу подільника частоти 2, другий вхід другого автоматичного комутатора б з'єднаний з виходом о цифрокерованого фазообертача 4, вхід якого через компенсуючий фазообертач 3 підключений до виходу подільника частоти 2, вхід якого з'єднаний з сьомим виходом МС 15, вихід першого автоматичного комутатора 5 підключений до клеми для підключення чотириполюсника 7, клема для підключення чотириполюсника 8, через перший формувач імпульсів 9, з'єднана з сигнальним входом ключового фазовогодетектора 11, опорний вхід якого через другий формувач імпульсів 10 підключений до виходу другого автоматичного комутатора 6, вихід ключового фазового детектора 11 з'єднаний з потенціальним входом часового селектора 13, імпульсний вхід якого підключений до виходу керованого по частоті генератора імпульсів 12, вихід часового селектора імпульсів 13 з'єднаний з входом реверсивного лічильника імпульсів 14, кодовий вихід якого з'єднаний з третім виходом мікропроцесорної системи 15, четвертий вихід якої підключений до кодового керуючого входу генератора імпульсів 12, п'ятий вихід МС з'єднаний з входами керування автоматичних комутаторів 5 та б, шостий вихід МС підключений до входу керування цифрокерованого фазообертача 4, а другий вихід МС 15 підключений до пристрою вводу та виводу інформації 16. Пристрій для вимірювання відхилення фазочастотної характеристики чотириполюсників працює наступним чином. Випробувальна напруга U =Um sin (w1t + j1 ) регульованої частоти (w1 = var) утворюється керованим по 1 1 частоті генератором 1 напруги, що зондує в діапазоні робочих частот, який керується кодом N1 по першому виходу МС 15. Опорна напруга U2=Um 2 sin (w2t+j2) фіксованої частоти w=const) утворюється подільником частоти 2 з частоти fтакт по сьомому виходу МС. Випробувальна напруга U1 генератора 1 поступає на перші входи автоматичних комутаторів 5 та 6. Опорна напруга U2 поступає на другий вхід першого автоматичного комутатора 5 і одночасно через компенсуючий фазообертач 3 та цифрокерований фазообертач 4, який керується кодом N4 по шостому ви ходу МС 15, поступає на другий вхід др угого автоматичного комутатора 6. Автоматичні комутатори 5 і 6 працюють синхронно та керуються низькою частотою fn(fn£10Гц) з п'ятого виходу МС. При безперервній роботі автоматичних комутаторів 5 та 6 на виході комутатора 5 формуються пакети напруг тривалістю в півперіод частоти комутації (T k=1/f n), (1) U'5 = U1 (1 + g1 )sin(w1t + j1 ), 0 < t < 1/ 2fn U"5 = U2 (1 + g 2 )sin (w2 t + j2 ), 1/ 2fn < t < 1/ fn (2) де: g1 - відносна зміна амплітуди випробувальної напруги U1 при зміні її частоти w1 ; g2 - відносна зміна амплітуди опорної напруги U2 від дії дестабілізуючи х факторів. На виході автоматичного перемикача 6 формуються аналогічні по формі пакети напруг: (3) U' 6 = U1(1 + g 1 )sin (w1t + j1 ), 0 < t < 1/ 2f n U" 6 = U 2 (1 + g 2 )(1 + g 4 ) sin(w2 t + D j4 (w 2 ) - Dj 3 ( w2 ) + w2 ), 1 / 2 fn < t < 1 / f n (4) де: Dj4 (w2 ) - абсолютний зсув фази опорної напруги, що вносить цифрокерований фазообертач 4, згідно коду N4 з шостого виходу МС 15, що відповідає номінальній фазочастотній характеристиці чотириполюсника; Dj3 ( w2 ) - фазовий зсув на початку фазочастотної характеристики, що вносить компенсуючий фазообертач 3 на частоті w2 , g4 - відносна зміна амплітуди опорної напруги, що вносить цифрокерований фазообертач 4. Пакети напруг U’5 та U”5 почергово поступають на чотириполюсник 17, що досліджується. Вихідні напруги чотириполюсника 17, з врахуванням фазових співвідношень, можна подати у вигляді: U'17 = K17 U1(1 + g1 )(1 + g17 (w1)) sin(w1t + + j1 + D j17 (w1 )), 0 < t < 1 / 2 fn U'17 = K17 U2 (1 + g 2 )(1 + g17 (w2 )) sin(w2t + + j2 + Dj17 (w2 )), 0 < t < 1 / 2fn (5) (6) де Dj17 ( w1 ) , Dj17 ( w2 ) фазовий зсув, який вноситься чотириполюсником на частоті w1 та w2 , відповідно, К17 коефіцієнт передачі чотириполюсника 17, g17 (w1 ) - відносна зміна випробувальної напруги чотириполюсником 17, g17 ( w2 ) - відносна зміна опорної напруги чотириполюсником 17. Формувачі імпульсів 9 та 10 виключають вплив нерівності амплітуд на вихідний сигнал ключового фазового детектора 11, тому будемо враховувати тільки фазову модуляцію, яка обумовлена внесеними фазовими зсувами Dj17 (w1 ) і Dj17 (w 2 ) та паразитними фазовими зсувами. В верхньому положенні автоматичних комутаторів 5 та 6 на входи фазового детектора 11 діють напруги, що мають частоту сої. В результаті періодичної комутації випробувальної та опорної напруги, напруга на виході фазового детектора 11 через не ідентичність формувачів 9 та 10 та амплітудно-фазові спотворення в них, в верхньому положенні автоматичних комутаторів 5 та 6, дорівнює (7) U'11 = Um11( Dj(w1 ) + Dj17 ( w1 )) / p де Um 11 - амплітуда імпульсів, що формуються ключовим фазовим детектором 11, Dj(w1 ) = Dj 9 (w1) - D j10 ( w1 ) - не ідентичність формувачів імпульсів 9 та 10 на частоті w1 . При цьому формуються імпульси, часові інтервали яких пропорційні фазовому зсуву чотириполюсника, що досліджується: (8) Dt1 = Dj1 / w1 = ( Dj(w1 ) + Dj17 ( w1 )) / w1 При нижньому положенні автоматичних комутаторів 5 та 6 на ви ході фазового детектора 11 маємо напругу: U"11 = Um11(Dj(w2 ) + Dj17 (w2 ) + (9) + Dj4 ( w2 ) - Dj3 ( w2 )) / p де Dj(w2 ) = D j9 (w2 ) - Dj10 (w2 ) - не ідентичність формувачів імпульсів 9 та 10 на частоті w2 . В результаті на виході фазового детектора 11 формуються імпульси, часові інтервали яких, пропорційні фазовому зсуву чотириполюсника на опорній частоті w2 Dt 2 = Dj 2 / w2 = ( Dj(w2 ) + (10) + Dj17 (w2 ) + Dj4 ( w2 )) / w2 На виході часового селектора 13, на другий вхід якого поступають імпульси з частотою w3, формується дві серії імпульсів кількістю n1 та n2: (11) n = Dt w ; n = D t w 1 1 3 2 2 3 де w3 - регульована частота ( w 3 = var ) імпульсів, що утворюється керованим по частоті генератором імпульсів 12, який керується кодом N по четвертому ви ходу МС 15 та виражається в вигляді ( w3 = kw1 )і, де k=360; 3600; 36000.... 12 Так як Dj(w1 ) » Dj(w2 ) та завдяки фазовому зсуву Dj( w3 ) , що вносить компенсуючий фазообертач 3, фазовий зсув Dj17 ( w2 ) , який вноситься чотириполюсником 17 на частоті w2, скомпенсований, то на виході цифрового реверсивного лічильника імпульсів 14 отримуємо код N14 N14 (D t1w3T / 2 ) - ( Dt 2w3 T / 2 ) = ( Dt1 (12) - Dt 2 )w3T / 2 = (Dj17 ( w1) - Dj 4 (w2 ))kT / 2 Таким чином код N14 відповідає відхиленню фазочастотної характеристики чотириполюсника, що досліджується, від номінальної характеристики на відповідній частоті Fn частотного діапазону (FH-FB) в залежності від коду Ni МС 15. Код N14 подається в мікропроцесорну систему МС 15 через третій вхід для подальшої обробки та запам'ятовування, а з відти на пристрій вводу та ви воду інформації 16. Мікропроцесорна система МС 15 виробляє код N 4, який задає установку цифрокерованого фазообертача 4 в залежності від номінальної характеристики чотириполюсника та частоти, на якій проводяться дослідження. Перед проведенням вимірювань фазочастотної характеристики компенсуючий фазообертач 3 встановлюють в таке положення при якому код N 14 буде дорівнювати н улю, таким чином компенсується фазоамплітудна похибка Dj17 (w 2 ) чотириполюсника на опорній частоті w2 . Таким чином, розглянутий пристрій автоматично вимірює та реєструє відносні відхилення в фазочастотній характеристиці, що підвищує чутливість пристрою до змін комплексного коефіцієнта передачі досліджуваного чотириполюсника. Розглянутий пристій може бути використаний для контролю якості чотириполюсників по інформативних змінах в їхні х фазочастотних характеристиках в широкому діапазоні частот (0,3кГц...300МГц) з відносною похибкою не більше 0,01° при вимірювані фазових зсувів в діапазоні 0,05°...90°.