Устройство измерения малых фазовых сдвигов

(11) 606142 Союз Советских Социалистических Республик)М.Кл, 6 01 й 25/т присоединением заявки3) Приоритет оеударстввнный комнтвтСовета Мнннстров СССРно двнвм нвобрвтвннйн отнрытнй о 05.05.78.Бю 3) УДК 621. 373.01(43) Опублико тень Рй 17 45) Дата опубликования описания 1904,78 72) Авторы изобретения орлач и Г,Е.Максимо(7 в) Заявите УСТРОгтСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ и вля- диа- ледолост Ю 25 о Изобретение относится к электроизмерительной технике к высокочувствительным фазометрическим усилителям,предназначено для измерения малых фазовых сдвигов между двумя одинаковыми по амплитуде электрическими сигналами, интенсивность и частоты которыхмогут изменяться в широких пределах.Известно устройство для измеренияразности фаз гармонически слабых сигналов, а также сигналов со случайнымипараметрами амплитудно-частотных характеристик, в котором применяетсякорреляционный метод обработки сигналов с помощью перемножителей и нтег раторов.Недостатком этого устройства яется сложность схемы при широкомпазоне частот входных сигналов всствие применения сложного широкопного фазовращателя.Известно также устройство для измерения малых фазовых сдвигов, содержащее генератор накачки, буферный каскад и подключенный к его,выходу Фазовый детектор т 11 .Однако чувствительность данногустройства невелика.Цель изобретения - повышение чувствительности устройства, ЗО Для достижения этой цели в устройство для измерения малых фазовых сдвигов, содержащее генератор накачки, буФерный каскад и подключенный к его выходу фазовый детектор, введены балансный емкостный мост, в двух соседних плечах которого установлены конденсаторы, а в двух других - индуктивность, образцовая индуктивность, две катушки связи, частотный детектор и блок деления, причем индуктивность и образцовая индуктивность подключены соответственно к диагоналям балансного емкостного моста, образуя первый и второй контуры, которые соответственно через первую и вторую катушки связи подключены к генератору накачки и буферному каскаду; выход генератора накачки присоединен ко второму входу фазового детектора и через частотный детектор - к первому входу блока деления, второй вход которого соединен с выходом Фазового детектора.На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.Устройство для измерения малых фазовых сдвигов содержит балансный емкостный мост 1, образованный конденсаторами 2,3 и емкостями варикапов 4,5, генератор накачки б, связанный чвреэ катушку 7 с задающим контуром 8,образованным индуктивностью 9 и емкостью моста 1, контур 10, образованный образцовой индуктивностью 11 и емкостью моста 1, связанный через катушку 12 со входом буферного каскада 13,нагруженного фазовым детектором 14.Второй вход детектора 14 соединен свыходом генератора накачки 6 и входомчастотного детектора 15, выход которо Ого подключен ко входу блока 16 деления двух напряжений . Второй вход блока 16 соединен с выходом фазового детектора 14, Источник 17 является запирающим для варикапов 4 и 5. Выход блока деления двух напряжений является выходом. предлагаемого измерителя,Сигналы Е, ( ) и Е 2 (1), являющиеся когерентными колебаниями и отличающиеся друг от друга лишь относитель -ным фазовым сдвигом,т.е. Е = Е(МЕ(М= Е)прикладываются к варикапам 4 и 5. Изменение запирающих напряжений приводит к изменению емкостей р- и переходовэтих диодов, в результате чего изменяются результирующие емкости моста 1.Изменение емкости между точками подключения индуктивности 9 приводит кчастотной модуляции напряжения накачки,30а между точками подключения индуктивности к модуляции собственной резонансной частоты контура 10 буферногокаскада 3. При этом собственная резонансная частота входного контура 10 35буферного каскада 13 и частота генератора накачки 6 синфазно изменяются позакону, определяемому алгебраическойсуммой переменных составляющих емкостей варикапов 4 и 5. 40Как известно, условие равновесиямоста переменного тока имеет вид;)1 з = Е Х2 чгде Я 1- Еч - комплексные сопротивления 45плеч моста, причем Е и Я, а также Я и ЕЧ - диагонально расположенные сопротивления моста.Для соблюдения этого равенства необ-,ходимо, чтобыэ = 2 ЧЬ=чуравнения (1) представляют собой математическое выражение условия равновесия моста переменного тока по мо-. дулю.и по фазе.Если характеристики варикапов,4 и 5 идентичны и емкости двух других йлеч моста одинаковыусловие (1) равновесия моста выполняется лишь при отсутствии фазового сдвига между входными сигналами, т,е, при (:О. При этом мост сбалансирован, напряжение между точками подключения индуктивности 11 отсутствует, и на выходе фазового детектора 65 14, а также на выходе блока 16 деления двух напряжений напряжение практически равно нулю и определяется собственными шумами устройства и погрешностью балансировки моста.При фазовом сдвиге, т.е. при ЧФО, нарушается условие равновесия моста по фазе, и в колебательном контуре 10 появляется балансно-модулированный сигнал. Несущей частотой этого сигнала является частотно-модулированное напряжение генератора накачки, Огибающая указанного амплитудно-частотно-модулированного напряжения изменяется по закону балансно-модулированного сигнала, переходя через нуль в моменты равенства по величине и знаку мгновенных значений емкостей варикапов, так как при Я фО на основании (1) только в эти моменты времени выполняется условие равновесия моста по модулю и по фазе.Амплитуда балансно-модулированного напряжения достигает максимума в моменты наибольшей разбалансировки моста. Как нетрудно убедиться на основании (1), это происходит в моменты, когда мгновенные значения емкостей вари- капов 4 и 5 одинаковы по величине и противоположны по знаку.В то же время частота генератора накачки при ЧО достигает своих экстремальных значений в моменты равенства по величине и знаку мгновенных значений емкостей варикапов 4 и 5,и проходит через свое среднее значение (т.е, через значение частоты при отсутствии входных сигналов)при одинаковых по величине и противоположных по знаку переменных составляющих емкостей варикапов.Таким образом, при фазовом сдвиге между входными сигналами закон изменения частоты генератора накачки и огибающая балансно-модулированного напряжения в контуре проходят свои экстремальные значения с фазовым сдвигом Х/2.При изменении знака измеряемого сдвига фаз между входными сигналами фаза несущей балансно-модулированного сигнала изменяется на КВ результате чего изменяется фаза огибающей на выходе фазового детектора 14. При этом мощность частоты накачки, выделяемая в входном контуре 10 буферного каскада 13, превышает мощность источников входных сигналов, т.е. происходит параметрическое усиление мсщности сигнала фазового рассогласования. Для небольшого сдвига. фаз (9 10+ о+15 ) выходное напряжение частотного детектора 15 не зависит от сдвига фаз, а амплитуда огибающей на выходе фазового детектора 14 связана с фазовым сдвигом зависимостью, близкой к линейной.606142 1 О Формула изобретения Устройство для измерения малых фазовых сдвигов, содержащее генераторнакачки, буферный каскад и подключен ный к его выходу фазовый детектор,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения чувствительности, внего введены балансный емкостный мост,в двух соседних плечах которого уста новлены конденсаторы,а в двух других. варикапы, индуктивность, образцоваяиндуктивность, две катушки связи, частотный детектор и блок деления, причем индуктивность и образцовая индуктивность подключены соответственно кдиагоналям балансного емкостного моста,образуя первый и второй контуры, которые соответственно через первую и вторую катушки связи подключены к генератору .накачки и буферному каскаду,выход генератора накачки присоединенко второму входу фазового детектораи через частотный детектор - к первомувходу блока деления, второй вход которого соединен с выходом фазового деЗд тектора.Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе:1. Авторское свидетельство СССР9 370545, 01 01 Н 25/00, 1974. бык- к 1 Р1 Яй. 7 , 7 ( 1 ИИПИ Заказ 246 Тираж 1112 Подписно ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 или Поэтому для небольшого сдвига фаэ можно принять:Г, = Х,Е (а)Б 2= Х 2 Е (Ъ)где 11, - амплитуда напряжения на выходе фазового детектора 14;)- амплитуда напряжения на выходе частотного детектора 15;У - сдвиг фаз между законами изменения входных напряжений;Е:Е -Е, - амплитудные значения входных сигналов;ки к - коэффициенты передачи соответствующих электронных трактов преобразования и усиления входных сигналов.При гармонических входных сигналах для небольших значений сдвига фаз между ними выходные напряжения фазового детектора 14 и частотного детектора 15 также изменяются по закону, близкому к гармоническому.Тогда выражения для указанных напряжений (2), (3) с учетом фазового сдвига между ними Й/2 можно записать в виде: 0Ч(=УЕ Рч(ЯС фй (М112 (+) = К Е с 05 Я 1, 5) причем Й:0 при Ч0ЛФО при У О,где л- частота входных сигналов.Разделив (4) на (5), получим выражение для выходного напряжения блока 16 деления двух напряжений, т.е. для выходного напряжения предлагаемого устройства:)6 ъу (1 ) 0 при Я01)бык (1 ) (0 при( О.Таким образом, выходное напряжение при малых значениях измеряемого сдвига фаз пропорционально величине фазового сдвига и не зависит от амплитуды входных напряжений.