материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

В диапазоне сверхвысоких частот используют фазовращатели на линиях переменной длины, диэлектрические и поляризационные фазовращатели в коаксиальном и волноводном вариантах. Фазовращатель на линии переменной длины тромбонного типа создает фазовый сдвиг за счет изменения физической длины линии передачи. Он вносит фазовый сдвиг, пропорциональный удвоенному перемещению U-образной подвижной

части ϕФВ = 360 2λL , где λ – длина волны в линии передачи. Конструк-

тивно более простым является отражательный фазовращатель на основе короткозамыкающего плунжера. Он вносит фазовый сдвиг между падающей и отраженной волнами. Для использования плунжера в проходном ФВ используют невзаимный СВЧ прибор – циркулятор, а также различные мостовые схемы и направленные ответвители.

Принцип действия диэлектрических фазовращателей заключается в изменении скорости распространения волны в отрезке линии передачи путем поперечного механического перемещения диэлектрической вставки. При фиксированной длине отрезка это позволяет регулировать фазовый сдвиг междувходным и выходным сигналами.

Поляризационный волноводный фазовращатель состоит из трех секций круглого волновода: две крайние секции неподвижны, и в них в одной плоскости помещены диэлектрические пластины длиною λ/4; центральная секция с пластиной длиною λ/2 может поворачиваться вокруг продольной оси на угол 180°. На вход фазовращателя поступает линейнополяризованная волна. Проходя через первую секцию, она преобразуется в волну с круговой поляризацией. При прохождении волны вдоль полуволновой пластины направление вращения плоскости поляризации меняется на обратное. В выходной секции волна вновь преобразуется в ли- нейно-поляризованную. Механический поворот полуволновой пластины на угол φ вызывает изменение фазового сдвига выходной волны на 2φ. Достоинством такой конструкции ФВ является малая зависимость фазового сдвига от частоты и высокая точность градуировки, недостатком – большие габариты и реализация только в волноводном варианте.

Преобразование фазового сдвига в напряжение

Для построения аналоговых фазометров (приборов, измеряющих фазовый сдвиг) часто используют преобразование фазового сдвига в им-

пульсы с длительностью, пропорциональной измеряемому Δϕ (преобразование фаза–время). Постоянная составляющая импульсов в свою очередь будет пропорциональна измеряемомуфазовому сдвигу. Упрощенная структурная схема фазометра с преобразователем фаза–напряжение приведена на рис. 11.11.

263

Рис. 11.11. Преобразователь фаза–напряжение

Рис. 11.12. Временные диаграммы напряжений преобразователя фаза–время

Исследуемые напряжения подаются на два формирующих устройства. В момент перехода входных напряжений u1 и u2 через нуль в сторону

увеличения на выходах ФУ вырабатываются кратковременные импульсы uФУ1 и uФУ2 (рис. 11.12). Импульс uФУ1, подаваемый на вход S триггера,

устанавливает на его выходе постоянное значение Um. Импульс uФУ2,

пришедший на вход R триггера, сбрасывает выходной сигнал в ноль. Таким образом, на выходе триггера образуется последовательность прямо-

угольных импульсов uT с длительностью t пропорциональной фазовому

элементом «исключающее ИЛИ». Постоянная составляющая сигнала uT при этом будет пропорциональна измеряемомуфазовому сдвигу:

264

В двухтактной схеме добавлен еще один триггер T2, на входы которого подают импульсы, сформированные ФУ в момент перехода входных сигналов через ноль в сторону уменьшения. Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактной схемы, приведены на рис. 11.14, б.

На выходе триггера T1 формируются импульсы uT1 длительностью τ1 = t + Δτ ФУ , где ΔτФУ – погрешность преобразования ФУ. На выходе триггера T2 формируются импульсы uT2, длительность которых τ2 = t − Δτ ФУ . В результате суммирования и усреднения сигналов uT1 и uT2 погрешность компенсируется:

На более высоких частотах для преобразования фазового сдвига в напряжение часто используют синхронные детекторы. По принципу действия это преобразователи частоты на нулевую промежуточную частоту, причем у них величина выходного напряжения зависит от фазового сдвига между входными сигналами. На рис. 11.15 представлена схема синхронного фазового детектора на основе перемножителя и фильтра нижних частот.

u1

Рис. 11.15. Схема преобразователя на основе синхронного детектора

Гармонические напряжения u1 и u2 подают на на аналоговый перемно-

житель. На выходе перемножителя получается произведение гармонических сигналов, которое – по известному тригонометрическому соотношению – равно сумме постоянного напряжения и сигнала удвоенной частоты:

Um1 cos(ωt + ϕ) U m2 cos(ωt) = Um1U m2 (cos(Δϕ) + cos(2ωt + Δϕ)) . 2

ФНЧ выделяет постоянное напряжение, содержащее информацию о

теля по амплитудам входных сигналов получаем градуировочную характеристику, аналогичную ФД балансного типа. Недостатком синхронного детектора является невозможность определения знака сдвига фаз из-за четности косинуса. Для получения несимметричной градуировочной зависимости в опорном канале предусматривают фазовращатель, который вносит дополнительный фазовый сдвиг 90°.

Алгоритм синхронного детектирования используют также для измерения фазовых сдвигов вычислительным способом (например, в двухканальных цифровых осциллографах). В этом методе перемножение, усреднение и нормировку к среднеквадратическим значениям входных сигналов u1(t)и u2(t) выполняют численным способом, используя массивы

мгновенных значений гармонических сигналов в каналах прибора:

Такой метод имеет высокую точность измерения и позволяет избежать погрешностейза счет случайных помех иискаженийформы сигналов.

Преобразование фазового сдвига во временной интервал

Более высокую точность измерения фазового сдвига с помощью преобразования фаза–время можно получить, измеряя длительность импульса, пропорциональную сдвигу фаз, методом дискретного счета. Однако для определения фазового сдвига требуется знать и период входного сигнала, что усложняет методику. Поэтому используют следующий прием: метки времени Tм для измерения временного интервала получают путем

умножения частоты входного сигнала в целое число раз (рис. 11.16).

Схема фазометра содержит преобразователь фаза–время (как на рис. 11.12), умножитель частоты входного сигнала в n раз, временной селектор, счетчик и цифровое отсчетное устройство. Измеряемый временной интервал заполняется N счетными импульсами, следующими с периодом T/n. Удобно выбрать коэффициент умножения частоты входно-

го сигнала в виде n = 36 10m , где m = 1, 2, 3, …. Тогда количество сосчитанных импульсов будет кратно измеряемому фазовому сдвигу, выраженномув градусах:

Масштабный коэффициент 10m−1 учитывают выбором позиции десятичной точки на цифровом табло прибора (как в ЭСЧ). Погрешность из-

267

мерения фазового сдвига определяется погрешностью дискретности и погрешностью преобразования фаза–время. Достоинствами такого фазометра являются получение результата за один период входного сигнала, высокая точность и простота. Однако он обладает низкой помехоустойчивостью, поскольку случайная помеха, попадающая на вход формирователя временного интервала, может привести к грубым ошибкам измерения фазового сдвига.

б

Рис. 11.16. Измерение фазового сдвига за один период сигнала: а – структурная схема, б – временные диаграммы напряжений

Для уменьшения влияния случайных помех используют цифровые фазометры среднего значения (интегрирующие фазометры) (рис. 11.17). Такой фазометр содержит два временных селектора. На первый поступает преобразованный импульс u3 и метки времени u4 от высокостабильно-

го генератора импульсов. На выходе получаются пачки импульсов u5 (N

268

На выход селектора попадает M пачек импульсов, содержащих N M импульсов. Эти импульсы подсчитываются, их число выводится на циф-

269

ровое табло. Количество пачек M, идущих с периодом входного сигнала T, определяется длительностью временных ворот Tсч:

M ≈ TTсч ≈ TмTK .

Тогда общее количество сосчитанных импульсов будет кратно измеряемомуфазовомусдвигу:

Интегрирующий фазометр измеряет средний за M периодов фазовый сдвиг. Это позволяет уменьшить погрешность дискретности. Также уменьшается случайная погрешность за счет внутренних шумов преобразователя фаза–время и внешних помех. Однако интегрирующие фазометры требуют значительного времени измерения, особенно на низких частотах. Частотный диапазон метода сверху ограничен быстродействием элементов схемы – формирующих устройств, триггера, счетчика, умножителя частоты.

Измерение фазового сдвига с преобразованием частоты

Для измерения фазы на СВЧ применяют преобразование частоты сигналов вниз с сохранением информации о фазовом сдвиге между ними. Структурная схема СВЧ-фазометра (рис. 11.18) включает два идентичных канала входных сигналов – опорный (OK) и измерительный (ИК).

Рис. 11.18. Структурная схема СВЧ-фазометра с преобразованием частоты

270

Сигнал гетеродина преобразователя представляет собой последовательность кратковременных строб-импульсов Uси с частотой порядка со-

тен мегагерц. Длительность импульсов делают малой (десятки пикосекунд). Временные диаграммы преобразования представлены на рис. 11.20.

u1

t Tx

tсчит

uси

t

Рис. 11.20. Временные диаграммы сигналов стробоскопического преобразователя

Если период строб-импульсов равен целому числу периодов входного сигнала плюс шаг считывания tсчит, то огибающая амплитудно-

модулированного выходного сигнала смесителя будет близка к синусоидальной (с погрешностью квантования). Частота этой синусоиды много меньше частоты входного сигнала. Система ФАПЧ подстраивает частоту строб-импульсов до тех пор, пока частота преобразованного сигнала не попадает в полосу пропускания УПЧ. Затем система ФАПЧ осуществляет захват и удержание частоты гетеродина. Управляющее напряжение на генераторе строб-импульсов в режиме удержания постоянно.

Если частота входного сигнала изменится, то это приведет к появлению разности фаз опорного генератора и сигнала УПЧ. На выходе фазового детектора появится линейно меняющийся сигнал ошибки, который подстроит частотугенератора строб-импульсов до захвата новой частоты. Частота выходного сигнала УПЧ при этом поддерживается постоянной даже при значительном изменении частоты входного сигнала. Стробоскопические преобразователи частоты обеспечивают широкий диапазон частот фазометров (до сотен гигагерц).

Задача подавления зеркального канала решается в фазометрах путем двойного или тройного преобразования частоты. Напомним, что если на

272