Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Первый метод основан на использовании умножителя сигналов в аналоговой форме и пре- образовании результата умножения в цифровую форму с помощью АЦП с последующим выполнением арифметических и тригонометрических опера- ций в цифровом виде. Во втором методе применяется непосредственное преобразование измеряемого и опорного сигналов в цифровую форму. Для цифрового преобразования используется дискретизация сигналов и запоми- нание, поэтому в дальнейшем ортогональные фазоизмерители этого класса будем называть фазоизмерителями с дискретной ортогональной обработкой. Основными недостатками первого метода являются большие инст- рументальные погрешности, возникающие в умножителях, и трудности реализации вычислителя. Последний недостаток присущ также фазоизме- рителям, реализованным по второму методу. В настоящее время в связи с интенсивным развитием микропроцессорной техники появилась возмож- ность реализации арифметических и тригонометрических операций на ос- нове микропроцессорных больших интегральных схем (БИС). Поэтому можно считать, что второй недостаток не является принципиальным. Ши- рокому распространению первого метода построения цифровых фазомет- ров препятствуют инструментальные погрешности аналоговых умножите- лей. Учитывая, что в ближайшее время не ожидается существенного про- гресса в создании аналоговых узлов – умножителей, это направление построения цифровых фазоизмерителей с повышенной точностью следует отнести к неперспективным. Второй метод имеет более высокую точность вследствие того, что операция умножения осуществляется на цифровом уровне, но при его реа- лизации возникает необходимость многократного аналого-цифрового пре- Х S(t) ИНТ Х ИНТ ГОС ВЫЧ Раздел 2. Измерительная техника 286 образования сигналов и перемножения результатов АЦП в течение перио- да. Это приводит к ограничению рабочих частот сверху, что связано с ко- нечным временем выполнения операций в АЦП и умножителях. 7.5. Фазометры с преобразованием частоты 7.5.1. Гетеродинные фазометры Для расширения частотного диапазона в области высоких и сверхвы- соких частот используется гетеродинное преобразование частоты с со- хранением фазового сдвига (рис. 7.13). Пусть входные сигналы описыва- ются следующими выражениями: u 1 = U 1 cos ωt и u 2 = U 2 cos (ωt + φ). Эти напряжения подаются через входные устройства на смесители. В качестве входных устройств могут использоваться делители напряжений с большим входным сопротивлением и малой входной ёмкостью. Это необходимо для того, чтобы исключить дополнительные фазовые сдвиги, вносимые в ис- следуемые напряжения. Одновременно на смесители подается напряжение от общего гетеро- дина, которое определяется по формуле u г = U г cos (ω г t + Θ), (7.26) где Θ – начальная фаза сигнала гетеродина. Рис. 7.13. Структурная схема супергетеродинного преобразователя для «переноса» фазы в область низких частот В результате преобразования на выходе смесителей получается спектр частот, в составе которого есть и составляющие разностной частоты: A 1 cos[(ω – ω г )·t + Θ] и A 2 cos [(ω – ω г )·t + Θ + φ], (7.27) U 1 Смеситель 1 Устройство входное 1 УПЧ 1 Система избирательная 1 Гетеродин Смеситель 2 Устройство входное 2 УПЧ 2 Система избирательная 2 U 2 На фазометр НЧ Глава 7. Измерение фазового сдвига 287 где A 1 иA 2 – амплитуды составляющих на выходе смесителей 1 и 2 соот- ветственно. При этом, если ω > ω г , знак φ сохраняется, а при ω < ω г – меняется на обратный. Для подавления других гармоник, возникающих при преобразовании частоты, применяются фильтры низких частот. Усилители промежуточной частоты (УПЧ) усиливают сигналы пер- вого и второго каналов без искажения формы до значений, необходимых для нормальной работы низкочастотного фазометра. Фазометры с преобра- зованием частоты могут применяться в диапазоне частот 7–12 ГГц. Погрешность измерений связана с неидентичностью каналов и по- грешностью низкочастотного фазометра. В случае необходимости преоб- разование частоты может быть многократным. 7.5.2. Стробоскопические фазометры Стробоскопическое преобразование частоты позволяют выполнить приборы, имеющие перекрытие по частоте 100–1 000, без дополнительных сменных элементов смесителей и гетеродинов (рис. 7.14). Рис. 7.14. Структурная схема измерителя фазы со стробоскопическим преобразователем частоты Для поддержания постоянства промежуточной частоты применяется система фазовой автоподстройки. Эта система работает следующим обра- зом: сигнал с преобразователя проходит через усилитель-ограничитель (для устранения влияний изменений уровня сигнала в опорном канале) и полосовой фильтр, исключающий паразитные захваты на гармониках Генератор, управляемый напряжением Стробоскопический преобразователь Полосовой фильтр Усилитель- ограничитель Импульсный генератор Стробоскопический преобразователь Фазовый детектор Опорный генератор Индикатор уровня и разности фаз U 1 U 2 Раздел 2. Измерительная техника 288 и субгармониках сигнала. Затем сигнал промежуточной частоты поступает на фазовый детектор, на другой вход которого подаётся напряжение с опорного генератора. Сигнал рассогласования с фазового детектора управляет частотой следования импульсов, определяющих промежуточную частоту. При больших электрических длинах исследуемых объектов, когда измерения фазовой характеристики не могут быть точными из-за большой крутизны фазочастотной характеристики, используется параметр – груп- повое время запаздывания (ГВЗ). Для измерения ГВЗ (t гр ) определяют при- ращение фазового сдвига Δφ при малом приращении частоты сигнала Δω, в пределах которого t гр остается постоянным. Самым простым является ме- тод измерения t гр по точкам, этот метод основан на уравнении t гр = Δφ / Δω = [φ (ω 1 – φ (ω 2 )] / (ω 1 – ω 2 ), где φ (ω 1 ) и φ (ω 2 ) – фазовые сдвиги на частотах ω 1 и ω 2 соответственно. Из этого уравнения следует, что t гр можно определить любым мето- дом измерения фазовых сдвигов. Для получения необходимой точности измерений требуется выполнять следующие условия: Δω << ω 1 и ω 2 ; Δω 1 и Δω 2 << Δω; Δφ (ω 1 ) и Δφ (ω 2 ) << Δφ, где Δω 1 и Δω 2 – погрешности установки частот ω 1 и ω 2 ; Δφ (ω 1 ) и Δφ (ω 2 ) – погрешность измерения фазовых сдвигов на часто- тах ω 1 и ω 2 Основной недостаток метода – низкая производительность изме- рений. 7.6. Особенности применения микропроцессоров в цифровых фазометрах Существенное расширение функциональных возможностей, повы- шение надежности и некоторых других характеристик фазометров обеспе- чивается при их построении на основе микропроцессорной системы, рабо- тающей совместно с измерительными преобразователями. Такие фазомет- ры (рис. 7.15, а, б) позволяют измерять фазовый сдвиг между двумя периодическими сигналами за любой выбранный период, наблюдать флюктуации подобных сдвигов и оценивать их статистические характери- стики: математическое ожидание, дисперсию, СКО. Возможно также из- мерение, как и в рассмотренных выше цифровых фазометрах, выполнен- ных по схемам с жёсткой логикой работы, среднего значения фазового сдвига. Глава 7. Измерение фазового сдвига 289 б Рис. 7.15. Структурная схема фазометра на основе микропроцессорной системы (а); временны́е диаграммы (б) В этом фазометре сигналы u 1 и u 2 преобразуются в короткие импуль- сы u 1 и u 2 соответственно. Формирователь Ф1 с помощью первой пары данных импульсов вырабатывает импульс u 3 длительностью t, равной сдвигу во времени сигналов u 1 и u 2 . импульсом u 3 открывается временной селектор ВС1, который в течение времени t пропускает на вход счётчика СЧ1 счётные импульсы, следующие с периодом Т 0 и вырабатываемые мик- ропроцессорной системой (МПС). Поступающий на вход СЧ1 пакет им- пульсов обозначен на рис. 7.15, б через u 4 . Число импульсов в пакете n = t / Т 0 (7.28) ВС2 Ф2 СЧ2 ИПР Д СЧ1 ВС1 Ф1 ВУ МПС u 5 u 6 u 1 u 2 u 3 u 4 а t u T t t N импульсов Δt t 0 u 0 u 3 0 u 4 0 u 5 0 u 6 0 n импульсов t t u 1 u 2 u 2 ' u 2 ' u 2 ' u 1 ' u 1 ' u 1 ' Раздел 2. Измерительная техника 290 Одновременно формирователь Ф2 вырабатывает импульс u 5 , дли- тельность которого равна периоду Т исследуемых сигналов u 1 и u 2 . Им- пульс u 5 открывает на время Т временнóй селектор ВС2, пропускающий от МПС на вход счетчика СЧ2 пакет импульсов u 6 . Период импульсов в паке- те Т 0 , а их число N = T / Т 0 (7.29) Для оценки искомого значения фазового сдвига за выбранный период Т требуется найти отношение величин (7.28) и (7.29), равное n t N T , а затем, учитывая основную формулу 360 t T , домножить это отношение на 360°: ∆φ = 360° n / N. (7.30) Вычисление выражения (7.30) выполняется МПС, на которую пере- даются вырабатываемые счетчиками СЧ1 и СЧ2 коды чисел n и N. При со- ответствующей программе МПС на дисплее Д отображается значение фа- зового сдвига для любого выбранного периода Т. За счет сравнения та- ких сдвигов в разных периодах появляется возможность наблюдать флюктуации и оценивать их статистические параметры. В режиме оценки фазометром среднего значения за заданное чис- ло Q периодов Т в счетчиках СЧ1 и СЧ2 происходит накопление кодов от числа импульсов, поступивших на их входы за Q периодов, т. е. кодов чи- сел nQ и NQ соответственно, которые затем передаются в МПС. Данным фазометром малую погрешность измерения можно полу- чить только на достаточно низкой частоте исследуемых сигналов, поэтому для расширения частотного диапазона фазометров используется предвари- тельное гетеродинное преобразование сигналов. 7.7. Характеристики современных фазометров К средствам измерения фазы, серийно выпускаемым промышленно- стью, относятся измерители разности фаз сигналов (фазометры) и измери- тели группового времени запаздывания. Конструктивно эти средства изме- рений выполнены в виде переносных приборов в унифицированных кор- пусах, предназначенных для использования в виде настольных приборов, а также для встраивания в типовую стойку при необходимости агрегатиро- вания в измерительную систему. Измеритель разности фаз типа ФК2-12 (рис. 7.16) предназначен для измерения разности фаз и напряжений двух переменных синусоидальных сигналов в диапазоне частот от 1 до 1 000 МГц. Рис . 7.16. Структурная схема измерителя разности фа з типа ФК 2-12 Генератор опорный (20 кГц) U 1 ' Выход 20 кГц Генератор стробиру ю щих импу льсов Генератор перестраи- ваемый Фильтр 20 кГц (полоса 1 к Г ц) – ≈ ≈ Фильтр 20 кГц (полоса 1 к Г ц) Усилитель- ограничитель Выход 20 кГц А Канал А Канал Б Y Измеритель разности фаз 1к 1к PV Усилитель- ограничитель PS 0 U A t 0 U Б t f 1 , f 2 f 1 – f 2 f 1 , f 2 f 1 , f 2 f 1 – f 2 Раздел 2. Измерительная техника 292 В приборе используется схема двухканального супергетеродинного приемника с автоматической настройкой на частоту измеряемого сигнала. Индикаторные устройства, обеспечивающие непосредственный отсчёт по стрелочным приборам и формирование аналоговых сигналов, пропорцио- нальных измеренным напряжению и разности фаз, работают на фиксиро- ванной частоте. В преобразователе частоты используются стробоскопические смесите- ли и задающий перестраиваемый генератор на диапазон частот 0,98–2 МГц, сигнал которого поступает на формирователь-генератор стробируюших импульсов. В момент действия импульсов стробоскопический смеситель находится в положении «открыт» и измеряемый или опорный входной сигнал поступает на выходную накопительную ёмкость. На выходах уси- лителей, включенных после смесителя, получаются сигналы, частота кото- рых представляет собой разность частоты измеряемого сигнала и гармони- ки частоты перестраиваемого генератора. Информация о форме, амплитуде и фазовых соотношениях сигналов переносится на промежуточную часто- ту 20 кГц. Обратная связь по переменному току обеспечивает высокую ли- нейность преобразования при больших уровнях входных сигналов. Для удобства эксплуатации прибора преобразователь выполнен на выносных пробниках, позволяющих производить измерения в открытых схемах. Входное сопротивление пробника 80 кОм, шунтированное ёмко- стью 3 пФ. Измерения на высоких частотах могут проводиться с помощью тройников, которые имеются в комплекте прибора. Входное сопротивле- ние при этом составляет 50 Ом, коэффициент стоячей волны (КСВ) – не более 1,2 на частотах до 500 МГц и 2,5 на частотах до 1 000 МГц. На задней стенке прибора предусмотрены выходы аналоговых сиг- налов, пропорциональных напряжению в измеряемом канале и разности фаз сигналов. Для расширения возможностей использования прибора при анализе структуры сигналов имеются выходы преобразованных напряже- ний, полоса которых может соответствовать 12 гармоникам промежуточ- ной частоты по каждому каналу. Прибор можно использовать как высокочастотный вольтметр при измерении одним каналом А. При этом отсутствует необходимость калиб- ровки и установки нуля. Используя выходы промежуточной частоты с по- мощью осциллографа, девиометра или других приборов на частоте 20 кГц, можно измерить параметры AM-, ЧМ-модуляции и содержание гармоник входных сигналов. Объединение функций измерения напряжения и разности фаз в од- ном приборе позволяет применять его для измерения комплексных харак- теристик передачи при использовании любого генератора сигналов, а при- менение дополнительных направленных ответвителей или мостов – для Глава 7. Измерение фазового сдвига 293 измерения полных сопротивлений и коэффициентов отражения, т. е. всех параметров рассеяния (S-параметров) четырехполюсников. Используя ти- повые источники питания и соответствующие конструкции корпусов дер- жателей, можно измерять параметры транзисторов. Технические характеристики наиболее перспективных фазометров представлены в табл. 7.1. Таблица 7.1 Технические характеристики фазометров Параметр Значение параметра прибора Ф2-16 ФК2-14 ФК2-18 ФК2-29 Диапазон частот 20 Гц…20 МГц 110…7 000 МГц 110…12 400 МГц 0,1…1 000 МГц Предел измерения, град 0…360 0…+180 0…±180 0…±180 Погрешность измерения, град 0,2…0,004 3 1 ±10 % (0,1…1 МГц); ±6 % (1…550 МГц), ±15 % (550…800 МГц), ±20 % (800…1 000 МГц) Входное напряжение 0,001…100 В 5×10 –10 …5×10 –4 В 4×10 –4 …4×10 –7 Вт 3×10 –5 …0,3 В (0,1…1 МГц), 3×10 –5 …1 В (1…1 000 МГц) Входное сопротивление; ёмкость 1 МОм; 30 пФ 50 Ом 50 Ом 1 МОм; 30 пФ В данной главе изложены методы измерительной техники. Разность фаз измеряют тремя основными методами: преобразованием во временнóй интервал, в постоянное напряжение и сравнением с образцовой разностью фаз, воспроизводимой измерительным фазовращателем. Первые два мето- да дают наибольшую точность на низких частотах, поэтому высокие час- тоты измеряемых сигналов снижают за счет преобразования частоты. Существуют различные способы преобразования частоты, в том чис- ле и позволяющие переносить измеряемую разность фаз на сигнал образ- цового генератора со стабильной частотой. При смещении частоты преоб- разование происходит без образования комбинационных частот. Раздел 2. Измерительная техника 294 Умножение частоты используют для повышения разрешающей спо- собности фазометра. Умножение приводит к неоднозначности отсчёта раз- ности фаз. Частоты выходного сигнала умножителей снижают посредст- вом гетеродинного преобразования. В большинстве видов преобразования частоты полезную составляющую выделяют узкополосными фильтрами с высокой крутизной фазочастотной характеристики. Нестабильность час- тоты сигналов, а также изменение параметров фильтров вызывают по- грешность измерений разности фаз. Измерение разности фаз за счет её преобразования во временнóй ин- тервал может быть реализовано измерениями в цифровой форме периода измерительного и опорного сигналов и их временно́го сдвига. Необходи- мые расчёты выполняет МПС. Существует одно- и двухполупериодное преобразование разности фаз в постоянное напряжение. Двухполупериодное преобразование устой- чиво к уходам уровней формирования в каналах. Измерение разности фаз сравнением её с образцовой разностью фаз в зависимости от применяемого индикатора разности фаз и измерительно- го фазовращателя может быть реализовано в широком диапазоне частот, вплоть до СВЧ. Контрольные вопросы 1. Какой смысл вложен в понятие «фаза» сигнала? 2. Что называется фазовым сдвигом двух сигналов? 3. Перечислите основные методы измерения фазового сдвига. 4. Как работает фазометр с преобразованием фазы в интервал вре- мени? 5. На каком принципе работают компенсационные фазометры? 6. Поясните принцип действия цифрового фазометра, измеряющего среднее значение фазы. 7. Как действует фазометр с гетеродинным преобразованием частоты? 8. В каких случаях применяются фазометры с умножением частоты? 9. Поясните принцип измерения сдвига фазы фазовым детектором. Глава 8. Измерение спектров 295 Глава 8. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ 8.1. Общие сведения об измерении спектра Использование в различных радиотехнических устройствах импульс- ных сигналов и сложных видов модуляции поставило перед измерительной техникой задачу исследования спектров таких сигналов. Как известно, с по- мощью осциллографа исследуется зависимость напряжения от времени. Спектральное представление дает более полную информацию о форме сиг- нала и дополнительную – о качестве тракта прохождения сигнала. Известно, что периодическое колебание может быть представлено суммой гармонических колебаний, описываемых рядом Фурье: 0 0 1 1 1 sin cos cos n n n n n n n U t A A n t B n t A C n t ,(8.1) где 2 2 ω n n n C A B – спектр амплитуд, а ω arctg n n n A B – спектр фаз. Из формулы (8.1) можно сделать вывод, что спектры периодической последовательности сигналов являются дискретными. Форма огибающей спектра зависит от формы сигнала и не зависит от периода повторения Т х Если Т х →+∞, то в предельном случае спектральные линии сближаются и образуют сплошной спектр. Спектр непериодических сигналов (в част- ности, одиночных импульсов) описывается интегралом Фурье: 1 2 j t U t S j e d , (8.2) где S (jω) – комплексный аналитический спектр сигнала U (t), который может быть представлен в следующем виде: S (jω) = S 1 (ω) + jS 2 (ω). Тогда спектр амплитуд непериодического сигнала (одиночного импульса) опре- деляют по формуле 2 2 1 2 ω C S S , (8.3) а спектр фаз – 2 1 ω arctg n S S (8.4) Формула (8.2) соответствует обратному преобразованию Фурье и по- зволяет при известных значениях S (ω) и φ (ω) или S 1 (ω) и S 2 (ω) восстано- Раздел 2. Измерительная техника 296 вить исследуемый сигнал U (t).Для определения комплексного спектра можно воспользоваться прямым преобразованием Фурье: j t S j U t e dt (8.5) Спектры периодических и непериодических сигналов бесконечны, а при аппаратурной реализации анализ спектра ограничен во времени Т a В этом случае определяется так называемый аппаратурный спектр и фор- мула (8.5) принимает вид a a 0 T j t T S j U t e dt , (8.6) а его составляющие a a 1 2 0 0 cos ; sin T T S U t t dt S U t tdt (8.7) Следовательно, аппаратурный спектр зависит не только от частоты, но и от времени анализа Т а и поэтому его называют текущим спектром. Очевидно, что чем больше при аппаратурной реализации время анализа, тем ближе текущий спектр к аналитическому. 8.2. Методы измерения спектров Существует несколько основных методов анализа спектров сигналов (рис. 8.1): дисперсионно-временнóй метод, рециркуляционный (интерфе- ренционный), цифровой метод (дискретного преобразования Фурье), метод фильтрации. Рис. 8.1. Классификация методов анализа спектров сигналов |