Патент на изобретение №2310874

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ И ФАЗОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при контроле различных СВЧ четырехполюсников, содержащих преобразование частоты. Предлагается для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик дополнительно ввести в устройство измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников управляемый аттенюатор, автобалансный терморезисторный мост переменного тока, состоящий из резонансного усилителя и резисторного моста, в одно плечо которого включен термистор, источник эталонной мощности, амплитудный детектор, схема вычитания, два управляемых переключателя, двойная RC-цепь, состоящая из двух резисторов и конденсатора, и схема их управления. Изобретение обеспечивает расширение измерительных возможностей устройства и повышение точности измерения за счет стабилизации абсолютной величины мощности гетеродина и возможности ее регулирования в каждой частотной точке. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при контроле различных СВЧ четырехполюсников, содержащих преобразование частоты.

Известны устройства для наблюдения и измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников, содержащих преобразователь частоты (смеситель) (авт. свид. СССР №918890, кл. G01R 27/28, 1980). Это устройство состоит из двух генераторов качающейся частоты (ГКЧ), соединенных общим блоком управления, смесителей промежуточной частоты измерительного и опорного каналов, соединенных с фазочувствительным индикатором отношений уровней сигналов в этих каналах, генератора промежуточных частот, смесителя фазовой автоподстройки частоты, блока фазовой автоподстройки частоты и дополнительного смесителя.

Испытуемый четырехполюсник с преобразователем частоты включается в измерительный канал. Наблюдение и измерение его характеристик производится относительно опорного смесителя на частотах первого с генератора качающейся частоты (ГКЧ-1). Второй генератор качающейся частоты (ГКЧ-2) смещен по частоте системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ-2) относительно ГКЧ-1 на величину постоянной промежуточной частоты (ПЧ), которая и служит рабочей промежуточной частотой устройства. Режим переменной ПЧ и свипирующей входной частоты СВЧ испытуемого устройства с преобразователем частоты позволяет наиболее полно исследовать его характеристики.

Рабочий режим любого четырехполюсника с гетеродинным преобразователем частоты, а следовательно, и его коэффициент передачи (потери преобразования), существенно зависят от мощности гетеродина, которая и определяет рабочую точку вольт-амперной характеристики нелинейного элемента этого преобразователя. Оптимальное значение коэффициента передачи может быть найдено путем регулирования мощности гетеродина, которая различна для разных частот. Следовательно, при испытаниях четырехполюсников с преобразователем частоты, необходимо не только поддерживать постоянным абсолютный уровень мощности на его гетеродинном входе в рабочем диапазоне частот, но и иметь возможность регулировать этот уровень.

Здесь необходимо отметить, что гетеродинный преобразователь частоты, вообще говоря, является шестиполюсником, однако мощность гетеродина полностью определяет его коэффициент передачи и, следовательно, гетеродин – неотъемлемая часть любого преобразователя. Поэтому преобразователь частоты нужно рассматривать как четырехполюсник, превращающий входной сигнал в сигнал промежуточной частоты.

Однако известное устройство не позволяет поддерживать постоянной абсолютную величину мощности гетеродина при его свипировании в диапазоне частот и определять ее оптимальную, величину в каждой рабочей точке этого диапазона.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников (а.с. СССР №918890, кл. G01R 27/28, 1980 г.), содержащее два генератора качающейся частоты, первые управляющие входы которых соединены с выходом блока управления генератором промежуточных частот и индикатором, один вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, сигнальный вход которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, сигнальный вход которого соединен с выходом СВЧ первого генератора качающейся частоты и одним из входов смесителя фазовой автоподстройки частоты, другой выход которого соединен с гетеродинным входом испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты и выходом сигнала СВЧ второго генератора качающейся частоты; выход смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен с одним из входов дополнительного смесителя и одним из входов блока фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен со вторым входом первого генератора качающейся частоты, третий вход которого соединен с выходом фазового детектора, один из входов которого соединен с выходом дополнительного смесителя, второй вход которого соединен с одним из выходов генератора промежуточных частот и гетеродинными входами смесителей промежуточной частоты измерительного и опорного каналов, выход которого соединен со вторым входом индикатора; сигнальный вход смесителя промежуточной частоты опорного канала соединен со вторым входом блока фазовой автоподстройки частоты и вторым выходом генератора промежуточных частот, третий выход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора.

К недостаткам данного устройства относится невозможность измерения и регулирования мощности гетеродина при испытаниях четырехполюсников с преобразователем частоты, оптимальная величина которого различна для разных типов четырехполюсников.

Технической задачей предлагаемого технического решения является расширение измерительных возможностей устройства для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты и повышение точности измерения за счет стабилизации абсолютной величины мощности гетеродина и возможности ее регулирования в каждой частотной точке.

Для решения поставленной технической задачи предлагается в известное устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников, содержащее первый и второй генераторы качающейся частоты, блок управления, смеситель фазовой автоподстройки частоты, блок фазовой автоподстройки частоты, смесители промежуточной частоты измерительного и опорного канала, генератор промежуточных частот, фазовый детектор, двухканальный амплитудно-фазовый индикатор и дополнительный смеситель, дополнительно введены автобалансный терморезисторный мост переменного тока, состоящий из резонансного усилителя и резисторного моста, в одно плечо которого включен термистор, источник эталонной мощности, первый и второй управляемые переключатели, схема их управления, схема вычитания, управляемый аттенюатор, амплитудный детектор и двойная RC-цепь, состоящая из двух резисторов и конденсатора.

При этом первые управляющие входы генераторов качающейся частоты соединены с выходом блока управления, одновременно соединенным с входом генератора промежуточных частот, четвертым входом двухканального амплитудно-фазового индикатора, второй вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты опорного канала, гетеродинный вход которого соединен с вторым выходом генератора промежуточных частот и одним из входов дополнительного смесителя, другой вход которого соединен с выходом смесителя фазовой автоподстройки частоты и одним из входов блока фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого одновременно соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты опорного канала и первым выходом генератора промежуточных частот, третий выход которого соединен с одним из входов фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом дополнительного смесителя; выход фазового детектора соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты, выход которого соединен с сигнальным входом испытуемого четырехполюсника и одним из входов смесителя фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого соединен с гетеродинным входом испытуемого четырехполюсника, выход которого соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, выход которого соединен с первым входом индикатора; выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен со вторым входом первого генератора качающейся частоты; вход резонансного усилителя соединен с одними плечами резисторного моста, противоположные плечи которого соединены с выходами резонансного усилителя; термистор резисторного моста присоединен к выходу второго управляемого переключателя, один из входов которого соединен с гетеродинными входами испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты и смесителя фазовой автоподстройки частоты, которые, в свою очередь, соединены через сигнальный канал управляемого аттенюатора с выходом второго генератора качающейся частоты; второй вход второго управляемого переключателя соединен с источником эталонной мощности; выход резонансного усилителя соединен со входом амплитудного детектора, выход которого соединен с третьим входом индикатора и с сигнальным входом первого управляемого переключателя, один из сигнальных входов которого соединен с одним из входов схемы вычитания, другой вход которой соединен с выходом двойной RC-цепи, вход которой соединен с сигнальным входом первого управляемого переключателя и выходом схемы управления, вход которой соединен со вторым выходом блока управления; выход схемы вычитания соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для наблюдения и измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты являются: введение в устройство дополнительно автобалансного терморезисторного моста переменного тока, состоящего из резонансного усилителя и резисторного моста, в одно плечо которого включен термистор, источника эталонной мощности, двух управляемых переключателей, двойной RC-цепи, состоящей из двух резисторов и конденсатора, управляемого аттенюатора и схемы его управления, совокупность вновь введенных и имеющихся узлов и связей между ними, обеспечивающие расширение измерительных возможностей устройства за счет определения оптимального уровня величины мощности гетеродина, при котором испытуемый четырехполюсник имеет наилучший коэффициент передачи.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства для наблюдения и измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 генераторы качающейся частоты, блок управления 3, схему управления 4, управляемый аттенюатор 5, схему вычитания 6, двойную RC-цепь 7, состоящую из и резистора R1, R2 и конденсатора С, испытуемый четырехполюсник с преобразователем частоты 8, смеситель фазовой автоподстройки частоты 9, блок фазовой автоподстройки частоты 10, первый управляемый переключатель 11, смеситель промежуточной частоты измерительного канала 12, смеситель промежуточной частоты опорного канала 13, генератор промежуточных частот 14, автобалансный терморезисторный мост переменного тока 18, состоящего из резонансного усилителя 15 и резисторного моста 19, состоящий из резисторов R3, R4, R5, в одно плечо которого включен термистор R6, амплитудный детектор 16, фазовый детектор 17, второй управляемый переключатель 20, индикатор 21, дополнительный смеситель 22, источник эталонной мощности 23.

Первые управляющие входы генераторов 1 и 2 качающейся частоты соединены с первым выходом блока управления 3, соединенным со входом генератора промежуточных частот 14 и четвертым входом индикатора 20, второй вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты опорного канала 13, гетеродинный вход которого соединен с гетеродинным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала 12, вторым выходом генератора промежуточных частот 14 и одним из входов дополнительного смесителя 22, другой вход которого соединен с выходом смесителя фазовой автоподстройки частоты 9 и одним из входов блока фазовой автоподстройки частоты 10, другой вход которого одновременно соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты опорного канала 13 и первым выходом генератора промежуточных частот 14, третий выход которого соединен с одним из входов второго фазового детектора 17, другой вход которого соединен с выходом дополнительного смесителя 22; выход фазового детектора 17 соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты 1, выход которого соединен с сигнальным входом испытуемого четырехполюсника 8 и одним из входов смесителя фазовой автоподстройки частоты 9, другой вход которого соединен с гетеродинным входом испытуемого четырехполюсника 8, выход которого соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала 12, выход которого соединен с первым входом индикатора 21; выход блока фазовой автоподстройки частоты 10 соединен со вторым входом первого генератора качающейся частоты 1; вход резонансного усилителя 15 соединен с одними плечами резисторного моста 19, противоположные плечи которого соединены с выходами резонансного усилителя 15; термистор R6 резисторного моста 19 присоединен к выходу второго управляемого переключателя 20, один из входов которого соединен с гетеродинными входами испытуемого четырехполюсника 8 и смесителя фазовой автоподстройки частоты 9, которые, в свою очередь, соединены через сигнальный канал управляемого аттенюатора 5 с выходом второго генератора качающейся частоты 2; второй вход второго управляемого переключателя 20 соединен с источником эталонной мощности 23; выход резонансного усилителя 15 соединен со входом амплитудного детектора 16, выход которого соединен с третьим входом индикатора и с сигнальным входом первого управляемого переключателя 11, один из сигнальных входов которого соединен с одним из входов схемы вычитания 6, другой вход которой соединен с выходом двойной RC-цепи 7, вход которой соединен со вторым сигнальным входом первого управляемого переключателя 11, вход управления которого соединен с выходом схемы управления 4, вход которой соединен со вторым выходом блока управления 3; выход схемы вычитания 6 соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора 5.

Устройство работает следующим образом.

Генераторы качающейся частоты ГКЧ 1 и ГКЧ 2 могут работать в двух режимах.

В режиме первой переменной промежуточной частоты напряжением с первого выхода блока управления 3 устанавливается начальная разность между частотой ₁, ГКЧ 1 и частотой ₂ ГКЧ 2, равная начальной промежуточной частоте полосы анализа исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 8. Этим же напряжением устанавливается начальное значение первой переменной промежуточной частоты ₃ сигналов перестраиваемого генератора промежуточных частот 14, снимаемой с его первого выхода, равное начальной частоте полосы анализа. Затем относительно ГКЧ 2, настроенного на фиксированную частоту ₂, включается свипирование ГКЧ 1 в диапазоне, равном полосе анализа на промежуточной частоте исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 8. При этом синхронно с ГКЧ 1 свипирует генератор промежуточных частот 14 в заданном диапазоне промежуточных частот.

Одновременно с сигналами первой промежуточной частоты ₁ в генераторе промежуточных частот 14 вырабатываются сигналы вспомогательной промежуточной частоты, снимаемые с его второго выхода, сдвинутые на постоянную величину , относительно сигналов первой промежуточной частоты с точностью до фазы в любой точке и равные ₃+ . Часть сигналов промежуточной частоты ₃ с выхода смесителя фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 9 подается на один из входов дополнительного смесителя 22, где смешивается с сигналом вспомогательной частоты ₃+ от генератора промежуточных частот 14. Образовавшийся в результате этого сигнал второй постоянной промежуточной частоты , с выхода этого смесителя подается на один из входов фазового детектора 17, где сравнивается с опорным сигналом частоты , вырабатываемым в генераторе промежуточных частот 14 и снимаемым с его третьего выхода. Результат сравнения с выхода второго фазового детектора 17 подается на один из входов ГКЧ 1, управляя его частотой ₁ так, что разность между ней и частотой ₂ от ГКЧ 2 с точностью до фазы поддерживается равной текущему значению первой переменной промежуточной частоты ₃.

В режиме постоянной первой промежуточной частоты ₃ с помощью блока управления 3 осуществляется синхронное качание ГКЧ 1 и ГКЧ 2 в диапазоне СВЧ, при этом на один вход первого смесителя ФАПЧ 9 подается часть сигналов с выходов этих генераторов, а полученные в результате их смешивания сигналы первой (переменной) промежуточной частоты с выхода смесителя ФАПЧ 9 поступают на один из входов блока фазовой автоподстройки частоты 10, где сравниваются с сигналами первой промежуточной частоты ₃, используемой в качестве опорной от первого выхода генератора промежуточных частот 14. Результат сравнения подается на вход ГКЧ 1, управляя его частотой в процессе качания так, что разность частот между ним и ГКЧ 2 с точностью до фазы равна величине первой промежуточной частоты, на которую настроен генератор промежуточных частот 14.

В предлагаемом устройстве наблюдение и измерение передаточных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты 8 происходит путем их сравнения с характеристиками смесителя ФАПЧ 9.

Стабилизация и регулирование абсолютного уровня мощности от ГКЧ 2, играющего роль гетеродина при испытаниях четырехполюсников с преобразователем частоты 8 осуществляется следующим образом.

Часть СВЧ мощности от ГКЧ 2 подается на термистор R6, изменяя его температуру, а значит, и величину его сопротивления. Вход и выход резонансного усилителя 15 через противоположные плечи резисторного моста 19, состоящего из резисторов R3, R4, R5, в который входит и термистор R6. При включении электропитания резонансного усилителя 15 в этой системе возникают автоколебания с частотой 10-20 кГц, определяемой избирательной системой (колебательный контур) резонансного усилителя 15. Мощность этих автоколебаний нагревает термистор R6 до тех пор, пока его сопротивление не станет почти равным сопротивлению резистора R4. После этого наступает автобалансный режим термисторного моста R3, R4, R5, R6. При этом амплитуда автоколебаний существенно снижается и достигает величины, достаточной только для поддержания автобаланса системы, состоящей из резонансного усилителя 15 и резисторного моста 19 [Короткой К.С. и др. Устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников / А.с. СССР №224671, Кл. 21е 36/10. Опубл. 12.08.68. Бюл. №26; Измерение в электронике. Справочник. / Под. ред. В.А.Кузнецова. – М.: 1987. С.139]. Частота автоколебаний в миллион раз меньше частоты от ГКЧ 2 и поэтому никакого влияния на его работу не оказывает. Изменение мощности СВЧ от ГКЧ 2 меняет сопротивление термистора R6, что, в свою очередь, вызывает изменение амплитуды автоколебаний в автобалансном мосте. Это изменение детектируется амплитудным детектором 16 и через электрически управляемый переключатель 11 в положении 1 подается на один из входов схемы вычитания 6, на другой вход которой поступает уровень напряжения, соответствующий уровню мощности, установленному на выходе источника эталонной мощности 23. В схеме вычитания 6 происходит сравнение уровней напряжений на ее входах и результат сравнения в виде разностного сигнала управляет ослаблением управляемого аттенюатора 5 таким образом, что мощность сигнала СВЧ от ГКЧ 2 остается постоянной в диапазоне частот его свипирования, абсолютный уровень которой равен уровню, установленному источником эталонной мощности 23.

Сам процесс регулирования мощности от ГКЧ 2 состоит из двух циклов (частей). Перестройка в СВЧ-диапазоне частот ГКЧ 1, ГКЧ 2 и генератора промежуточных частот 14 осуществляется пилообразным напряжением, вырабатываемым в блоке управления 3. Это же напряжение используется для развертки луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) индикатора 21 по горизонтали. В момент обратного хода пилообразного напряжения в блоке управления 3 вырабатывается импульс обратного хода, который на время обратного хода запирает луч ЭЛТ. Этот же импульс подается и в схему управления 4, которая электрическим сигналом переводит переключатели 11 и 20 в положение 2. В таком положении за время обратного хода на термистор R6 подается мощность постоянного тока с источника эталонной мощности 23. Величина этой мощности известна и может регулироваться вручную. Амплитуда напряжения автоколебаний резонансного усилителя 15, соответствующая установленному уровню мощности, детектируется амплитудным детектором 16 и поступает на вход двойной RC-цепи 7. Постоянная времени RC-цепи, состоящей из конденсатора С и резистора R2, в двойной RC-цепи 7 подобрана таким образом, чтобы за время обратного хода конденсатор успел зарядиться до напряжения, соответствующего уровню мощности от эталонного источника мощности 23.

С началом прямого хода пилообразного напряжения, соответствующего генерированию мощности СВЧ ГКЧ 2 в его рабочем в диапазоне частот, управляемые переключатели 11 и 20 переводятся в положение 1. При этом R₂С-цепь размыкается. Постоянная времени R₁C-цепи, состоящей из конденсатора С и резистора R1, подобрана таким образом, чтобы за время действия пилообразного напряжения уровень напряжения на заряженном конденсаторе С почти не меняется и служит опорным уровнем для схемы вычитания 6. Применение единого амплитудного детектора 16 для детектирования переменного напряжения автобалансного моста, соответствующего уровню мощности от ГКЧ 2 и от источника эталонной мощности 23, позволяет избежать температурных погрешностей в цепи этого детектора.

Измерение уровня величины мощности в каждой частотной точке амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик на экране ЭЛТ производится с помощью частотной метки вырабатываемой в блоке управления 3, которая выводит результат измерения на табло индикатора 21 через его третий вход, соединенный с выходом амплитудного детектора 16.

Формула изобретения

1. Устройство для наблюдения и измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, содержащее два генератора качающейся частоты, первые управляющие входы которых соединены с первым выходом блока управления, соединенным с входом генератора промежуточных частот, четвертым входом двухканального амплитудно-фазового индикатора, второй вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты опорного канала, гетеродинный вход которого соединен со вторым выходом генератора промежуточных частот и одним из входов дополнительного смесителя, другой вход которого соединен с выходом смесителя фазовой автоподстройки частоты и одним из входов блока фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого одновременно соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты опорного канала и первым выходом генератора промежуточных частот, третий выход которого соединен с одним из входов фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом дополнительного смесителя, выход фазового детектора соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты, выход которого соединен с сигнальным входом испытуемого четырехполюсника и одним из входов смесителя фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого соединен с гетеродинным входом испытуемого четырехполюсника, выход которого соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, выход которого соединен с первым входом амплитудно-фазового индикатора, выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен со вторым входом первого генератора качающейся частоты, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены управляемый аттенюатор, автобалансный терморезисторный мост переменного тока, состоящий из резонансного усилителя и резисторного моста, в одно из плеч которого включен термистор, источник эталонной мощности, амплитудный детектор, схема вычитания, первый и второй управляемые переключатели и схема их управления, при этом вход резонансного усилителя соединен с одними плечами резисторного моста, противоположные плечи которого соединены с выходами резонансного усилителя, термистор резисторного моста присоединен к выходу второго управляемого переключателя, один из входов которого соединен с гетеродинными входами испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты и смесителя фазовой автоподстройки частоты, которые, в свою очередь, соединены через сигнальный канал управляемого аттенюатора с выходом второго генератора качающейся частоты, второй вход второго управляемого переключателя соединен с источником эталонной мощности, выход резонансного усилителя соединен со входом амплитудного детектора, выход которого соединен с третьим входом индикатора и с сигнальным входом первого управляемого переключателя, один из сигнальных входов которого соединен с одним из входов схемы вычитания, другой вход которой соединен с выходом двойной RC-цепи, вход которой соединен с сигнальным входом первого управляемого переключателя и выходом схемы управления, вход которой соединен со вторым выходом блока управления, выход схемы вычитания соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двойная RC-цепь состоит из двух последовательно соединенных резисторов и конденсатора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автобалансный терморезисторный мост переменного тока состоит из резистивного усилителя, вход и выход которого соединены друг с другом через противоположные плечи резисторного моста, состоящего из трех резисторов и термосопротивления.

РИСУНКИ