Нулевой радиометр

(71) Институт рники АН АрмССР(56) Джон Д.мия. М.: Сов.рис, 7, 16. Радиоа1983, с роноаус дио 39,ится к измежет быть исРВ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изобретение отрительной технике и пользовано для измерения среднеймощности слабого радиоизлученияшумового характера в радиоастрономии, народном хозяйстве и медицине.Изобретение позволяет упростить процесс измерений путем исключения операций настройки в процессе эксплуатации и переключения антенного входав процессе единичного измерения, повысить точность измерения .путем осуществления термокомпенсациидрейфаэталонной нагрузки. Повьппение чувствительности устройства достигаетсяобеспечением постоянного балансамощностей эталонного и измеряемогосигналов беэ задержки в цепях инте.граторов. Устройство содержит высокочастотную часть 1, квадратичный детектор 2, источник 3 тока, компаратор 4, генератор 5 опорного напряже,ния, делитель 6 частоты, инверторы7 и 12, элементы И 8-11, источник13 опорного напряжения, интегратор14, цифроаналоговый преобразователь15, двоичный счетчик 16, двоичнодесятичный счетчик 17, переменный Изобретение относится к измерительной технике и предназначено дляизмерения средней мощности слабогорадиоизлучения шумового характерав радиоастрономии, народном хозяйстве и медицине.Целью изобретения является упрощение процесса измерений путем исключения операций настройки в процессе эксплуатации и переключенияантенного входа в процессе единичного измерения, повышение точности путем осуществления термокомпенсациидрейфа эталонной нагрузки и повышение чувствительности путем обеспечения баланса мощностей эталонногосигнала и измеряемого сигнала беззадержки в цепях интегратора,На фиг. 1 показана блок-схеманулевого радиометра; на фиг. 2диаграмма напряжений на элементахустройства.Устройство содержит последовательно соединенные высокочастотнуючасть 1, квадратичный детектор 2,источник 3 тока, управляемый напряжением, компаратор 4, последовательно соедин нные генератор 5 опорногонапряжения, делитель 6 частоты ипервый инвертор 7, первый 8, второй9, третий 10 и четвертый 11 элементы И, второй инвертор 12, источник13 опорного напряжения, интегратор14, цифроаналоговый преобразователь15, к входам управления которогоподключены выходы двоичного счетчика 16, счетный вход которого соединен со счетным входом двоично-десятичного счетчика 17 и подключен квыходу делителя 6 частоты, перемен 5 10 15 20 25 30 35 40 аттенюатор 18, блок 19 вычитания,предварительный 20 и операционный21 усилители, модулятор 22, датчик23 температуры, коммутаторы 24-31,конденсаторы 32-35, резисторы 36-39,эталонную нагрузку 40 и антенныйвыход 41. Устройство обеспечиваетвыход в двоичном и двоично-десятичном кодах и в виде аналогового напряжения, 2 ил. ный аттенюатор 18, к управляющемувходу которого подключен. выход блока19 вычитания, предварительный усилитель 20, операционный усилитель 21,модулятор 22, датчик 23 температуры,первый 24, второй 25, третий 26,четвертый 2, пятый 28, шестой 29,седьмой 30 и восьмой 31 коммутаторы,первый 32, второй 33, третий 34 ичетвертый 35 конденсаторы, первый 36,второй 37, третий 38 и четвертый 39резисторы, эталонную нагрузку 40 иантенный вход 41, при этом выходпервого инвертора 7 соединен с первыми входами второго 9 и четвертого11 элементов И, выход делителя 6частоты соединен с входом первогоинвертора 7 и первыми входами первого 8 и третьего 10 элементов И, авход - с выходом генератора 5 опорной частоты, вторыми входами третьего1 О и четвертого 11 элементов И и входом второго инвертора 12, выходкоторого соединен с вторыми входами первого 8 и второго 9 элементов И, первые обкладки кондесаторов 32-35соединены с земляной шиной, первыйконтакт первого коммутатора 24соединен с второй обкладкой первогоконденсатора 32, а вход управления -с выходом делителя 6 частоты, первыйконтакт второго .коммутатора 25 соединен с второй обкладкой второго конденсатора 33, а вход управления - свыходом первого инвертора 7, контактытретьего коммутатора 26 соединены собкладками первого конденсатора 32, авход управления - с выходом второгоэлемента И 9, контакты четвертогокоммутатора 27 соединены с обкладка 1330588ми второго конденсатора 33, а входуправления - с выходом первого элемента И 8, первый контакт пятогокоммутатора 28 соединен с второй обкладкой третьего конденсатора 34,второй контакт - с второй обкладкойпервого конденсатора 32, а вход управления - с выходом четвертого элемента И 11, первый контакт шестогокоммутатора 29 соединен с второй обкладкой четвертого конденсатора 35,второй контакт - с второй обкладкойвторого конденсатора 33, а вход управления - с выходом третьего элемента И 10, неинвертирующий вход компаратора 4 соединен с второй обкладкойтретьего конденсатора 34, а инвертирующий вход - с второй обкладкойчетвертого конденсатора 35, выходкомпаратора 4 подключен к входу управления модулем счета счетчиков 16и 17. Нулевой радиометр работает следующим образом.На выходе генератора 5 формируются прямоугольные импульсы (фиг. 2,о),которые поступают на входы делителя6 частоты, второго инвертора 12, третьего 10 и четвертого 11 элементов И.На выходе делителя 6 частоты форми. -руются прямоугольные импульсы (фиг,2,8 ), период и длительность которыхв два раза превышает период и длительность импульсов генератора 5. Импульсы на выходе первого инвертора 7находятся. в противофазе с импульсамиделителя частоты (фиг. 2, 5 ). Импульсы с выхода делителя 6 частоты и пер; вого инвертора 7 управляют замыканием коммутаторов 24 и 25 соответственно и прохождением импульсов генератора 5 и второго инвертора 12 черезэлементы И 8, 10 и 9, 11 соответственно (фиг. 2, г, д, е, ж ),Модулятор 22 производит переключе,ние входа предварительного усилителя20 с входа антенны 41 на эталоннуюнагрузку 40, Предварительный усилитель 20 обеспечивает минимальное усиление, при котором возможно выравнивание уровней мощности эталона и антенны, с учетом того, что аттенюатор18, производящий выравнивание, находится при температуре эталонной нагрузки и исключена возможность снижения мощности ниже собственной температуры аттенюатора.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Сигнал с выхода аттенюатора 18 поступает в высокочастотную часть 1 и после нее на квадратичный детектор 2, на выходе которого формируется напряжение, модулированное по амплитуде, каждый полупериод которого пропорционален мощности антенного сигнала или эталонной нагрузки.Источник 3 тока, управляемый напряжением, компаратор 4, конденсаторы 32-35 и коммутаторы 24-29 предназначены для сравнения напряжений в полу- периодах выходного напряжения квадратичного детектора 2. При этом выходное напряжение квадратичного детектора 2 преобразуется в источнике 3 тока в ток, который, попеременно подключаясь через коммутаторы 24 и 25 к конденсаторам ЗЪ и 33 соответственно, линейно заряжает их, вследствие чего каждый из конденсаторов к моменту размыкания соответствующего ему коммутатора заряжается до значения, пропорционального среднему значению шумового сигнала на временном интервале заряда конденсатора, Таким образом, на конденсаторе 32 напряжение соответствует среднему значению сигнала антенны, а на конденсаторе 33, заряд которого происходит в течение полупериода, когда в тракте радиометра присутствует эталонная мощноогь, напряжение соответствует среднему значению мощности эталонной нагрузки, После отключения коммутатора 24 в течение полупериода модуляции, когда замкнут коммутатор 25, сначала замыкается коммутатор 28, и напряжение конденсатора 32 запоминается на конденсаторе 34, а после замыкается коммутатор 36, разряжая конденсатор 32 и подготавливая его к следующему такту накопления антенного сигнала. Аналогичный процесс происходит в канале выделения среднего значения эталонного сигнала посредством коммутаторов 29 и 27. Таким образом на входах компаратора 4в течение каждого полупериода модуляции формируются напряжения, соответствующие среднему значению мощностей антенны и эталона в данном периоде модуляции.При антенном сигнале, большем эталонного, компаратор 4 находится в единичном состоянии и на входы М управления модулем счета счетчиков 16 и 17 задается режим суммирования, в5 13305 обратном случае счетчики производят вычитание. На счетные входы счетчиков поступают импульсы делителя 6 частоты, период которых задает период модуляции, поэтому каждый результат сравнения мощностей полупериодов на компараторе 4 определяет суммирование или вычитание одного импульса в счетчиках 1.6 и 17.Управление аттенюатором 18, вы равнивающим мощности антенны и эталона, производится с выхода вычитаю- щего блока 19, при этом величина аттенюации возрастает линейно с увеличением управляющего напряжения. На 15 неинвертирующий вход вычитающего блока 19 подается напряжение со средней точки третьего резистора 38, на котором делится напряжение опорного источника 13. От этого напряжения 20 отсчитываются напряжений, поступающие на инвертирующий вход вычитаю- щего блока 19 и задающие величину аттенюации, т.е. при повьппении напряжения инвертирующего входа вычи тающего блока 19 до напряжения средней точки резистора 38 его выходное напряжение и, соответственно, ослабление аттенюатора 18 понижается до нуля. В периоды прохождения по 30 тракту радиометра сигнальной мощности синхронно с первым коммутатором 24 замыкается седьмой коммутатор 30 и на инвертирующий вход вычитающего блока 19 подается фиксированное напряжение со средней точки четвертого резистора 39, которое меньше напряжения средней точки резистора 38, При .этом на выходе вычитающего блока 19 формируется положительное напряжение, 40 которое остается неизменным в каждом полупериоде прохождения сигнальной Мощности и задает ей фиксированную аттенюацию, что позволяет измерять мощность как меньшую, так и большую 45 эталонног. В периоды прохождения по трактурадиометра эталонной мощности синхронно с вторым коммутатором 25 замыкается восьмой коммутатор 31 и величина аттенюации определяется 50 выходным напряжением операционного усилителя 21, который управляется с выхода цифроаналогового преобразователя 15, управляемого кодом двоичного счетчика 16. 55 Если антенный сигнал возрос, то:компаратор 4 переходит в единичноесостояние и код счетчиков 16 и 17 начинает нарастать. При этом соответственно нарастает выходное напряжениеоперационного усилителя 21, вследствие чего напряжение на выходе вычитающего блока 19 начинает убывать,аттенюация уменьшается и уровень мощности эталона возрастает до выравнивания с антенной мощностью, что будет зафиксировано компаратором 4,и устройство перейдет в режим отслеживания баланса с изменением кодасчетчиков 16 и 17 от периода к периоду в пределах младшего разряда.Обратный процесс происходит приуменьшении сигнальной мощности, т.е.большему сигналу соответствует больший код счетчиков и меньшая аттенюация эталонной мощности и, наоборот,меньшему сигналу соответствует меньший код и большая аттенюация, Таккак в начальный момент при включенииустройства счетчики 16 и 17 находятся в нулевом состоянии, а при работеони заполняются и управляются синхронно, то числа, записанные в нихв каждый момент времени, равны, нопредставлены соответственно в двоичном и двоично-десятичном коде. При .введении: аттенюации в мощ- . ность эталонной нагрузки уменыпается не только ее общий уровень, но и ее температурный дрейф, который йеобходимо компенсировать, т.е. если при нулевой аттенюации 1 К дрейфа эталонной нагрузки приводит к изменению выходного сигнала на 1 К, то при ос лаблении мощности эталона, например, в два раза 1 К дрейфа эталонной нагрузки будет изменять выходной сигнал на 0,5 К. Таким образом, для полной компенсации температурного дрейфа эталона сигнал термокомпенсации не только должен отслеживать его температуру, но и линейно менять свою крутизну в зависимости от уровня ослабления, заданного аттенюатору от цифроаналогового преобразователя, поэтому напряжение с выхода датчика 23 температуры подается на вход опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 15, который производит деление этого напряжения согласно поступающему на его вход коду. При этом делится не только общий уровень выходного напряжения датчика 23 температуры, но и его крутизна отслеживания температуры, что позволяет связать схемотехнически крутизну сиг 133058825 нала термокомпенсации с уровнем ослабления, задаваемым аттенюатору в зависимости от величины сигнальной мощности. Напряжение на выходе дат 5 чика 23 температуры имеет отрицатель- . ную полярность и убывает по абсолютной величине при возрастании температуры. При этом возрастание температуры эталонной нагрузки вызовет 10 уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя 21, что увелиличит напряжение на выходе вычитаю- щего блока 19 и аттенюацию аттенюатора 18 в периодах прохождения мощности эталона и восстановит баланс, который был нарушен согреванием эталонной нагрузки и возрастанием ее шумовой мощности, без изменения кода счетчиков. При большем антенном сигнале счетчики имеют больший код, т.е. напряжение датчика 23 температуры делится в цифроаналоговом преобразователе в меньшее число раз и, соответственно, в меньшее число раз делится его крутизна отслеживания температуры, т.е. меньшим аттенюациям соответствует большая крутизна отслеживания по температуре, что является необходимым условием того, чтобы условие баланса не зависело от температурного дрейфа эталонной нагрузки как при малых,так и при больших значениях аттенюации и достигалось только в зависимости от сигнальной мощности и кода .счетчиков.1Выходное напряжение датчика 23 температуры подается на вход опорного напряжения цифроаналогового пре образователя 15 через расщепитель тока на резисторах 36 и 37, которые представляют эквивалент постоянно замкнутого старшего разряда цифроаналогового преобразователя, т,е. 45 при нулевом коде на входе цифроаналогового преобразователя его выход-, ное напряжение не падает до нуля, а определяется делением тока на резисторах 36 и 37. Таким образом, при 50 нулевом сигнале на выходе операционного усилителя 21 сохраняется термозависимое напряжение датчика 23 температуры, позволяющее компенсировать .температурный дрейф эталона, который сохраняется независимо от величины антенного сигнала.Для работы устройства в режиме соответствия кода счетчиков значению антенного сигнала и компенсации температурного дрейфа эталонной нагрузки требуется предварительная настройка, которая основана на линейности зависимости кода счетчиков от величины антенного сигнала, а также линейности зависимости сигнала термокомпенсации от величины аттенюации, и производится в следующем порядке;на вход устройства подается максимальный сигнал из диапазона измерений устройства, регулировкой сдвига нуля выходного напряжения датчика 23 температуры достигается соответствие кода счетчиков значению максимального сигнала, после чего регулировкой усиления датчика 23 температуры достигается независимость кода. счетчиков от изменений температуры эталона;на вход устройства подается сигнал известной величины, регулировкой резистора 38 код счетчиков приводится в соответствие значению входногоФсигнала, а резистором 37 достигается независимость кода счетчиков от изменений температуры эталона;при повторном подключении максимального сигнала проверяется соответствие его значения коду счетчиков и независимость этого кода от изменений температуры эталона. При необходимости первые две операции настройки повторяются.Таким образом, линейные зависимости кода счетчиков от величины, антенного сигнала и сигнала термокомпенсации от величины аттенюации настроены согласно требованиям работы устройства в двух точках своего диапазона изменения. Это является необходимым требованием того, чтобы код счетчиков соответствовал значению антенного сигнала и не зависел от температурного дрейфа эталона при произвольном значении антенного сигнала.После однократной настройки устройство не требует ее повторения при дальнейшей эксплуатации, так как выполнение непрерывного баланса исключает влияние нестабильности усиления, дрейфа нуля и нелинейности элементов устройства, а обратная связь по температуре исключает нестабильность эталонной нагрузки.При этом устройство обеспечивает выход в двоичном коде, двоично-десятичном коде и в виде аналогового напряжения, также пропорциональногоантенному сигналу, которое снимаетсяс выхода операционного усилителя 21 и подается на выход через интегратор 14. Напряжение аналогового выхода может быть подано на самопищущий прибор, информация с цифровых выходов устройства подается на цифровой индикатор или по накалу межприборной связи на ЭВМ для дальнейшей обработки или усреднения на более длительном интервалечем период модуляции.формула из об ре тенияНулевой радиометр, содержащий антеннцй вход, эталонную нагрузку, модулятор, у которого первый вход соединен с антенным входом, а второй - с эталонной нагрузкой, высокочастотную часть, переменный аттенюатор, квадратичный детектор, интегратор, генератор опорного напряжения, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения процесса измерения и увеличения точности и чувствительности, в него введены предварительный усилитель, у которого вход соединен с выходом модулятора, а выход - с входом переменного аттенюатора, выход которого соединен с входом высокочастотной части, выход которой соединен с входом квадратичного детектора, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый инвертор, выход которого соединен с первыми входами второго и четвертого элементов И, второй инвертор, делитель частоты, выход которого соединен с входом первого инвертора и первыми входами первого и третьего элементов И, а вход - с выходом генератора опорной частоты, вторыми входами третьего и четвертого элементов И и ВхОДОм Второго инвертора ВыхоД кОтО- рого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, первые обкладки которых соединены с земляной шиной, первый коммутатор, у которого первый контакт соединен с второй обкладкой первого конденсатора, а вход управления - с выходом делителя частоты, второй коммутатор, у которого первый контакт соединен с второй обкладкой второго конденсатора, а вход управления - с выходом первого инвертора, третий коммутатор, у которого контак 45 50 55 двоичного реверсивного счетчика,вход опорного напряжения - с вторымвыводом первого резистора, первыйвыход - с неинвертирующим входом операционного усилителя,и с землянойшиной, второй выход - с инвертирующим входом операционного усилителя и вторым выводом второго переменного резистора, а вход обратной связи - с выходом операционного усилителя и входом интегратора, источник опорного напряжения, третий и четвертый переменные резисторы, у которых первые выводы соединены с выходом источника опорного напряжения, а вторые выводы в . с земляной шиной, вычитаюты соединены с обкладками первогоконденсатора, а вход управления - свыходом второго элемента И, четвертыйкоммутатор, у которого контакты соединены с обкладками второго конденсатора, а вход управления - с выходом первого элемента И, пятый коммутатор, у которого первый контактсоединен с второй обкладкой третьегоконденсатора, второй контакт - свторой обкладкой первого конденсатора, а вход управления - с выходомчетвертого элемента И, шестой коммутатор, у которого первый контактсоединен с второй обкладкой четвертого конденсатора, второй контактс второй обкладкой второго конденсатора, а вход управления - с выходомтретьего элемента И, источник тока,управляющий напряжением, у котороговход соединен с выходом квадратичного детектора, а выход - с вторымиконтактами первого и второго коммутаторов, компаратор, у которого неинвертирующий вход соединен с второйобкладкой третьего конденсатора, аинвертирующий вход - с второй обкладкой четвертого конденсатора, двоичный и двоично-десятичный реверсивные 30счетчики, у которых счетные входысоединены с выходом делителя частоты, а входы управления модулем.счеф та - с выходом компаратора, датчиктемпературы, конструктивно совмещен ный с эталонной нагрузкой, первыйрезистор, второй переменный резистор,у которого средняя точка и первыйвывод соединены с первым выводомпервого резистора и выходом датчика 40. температуры, операционный усилитель,цифроаналоговый преобразователь, укоторого входы разрядов соединеныс выходами соответствующих разрядовоставитель Н, Михалехред В.Кадар Лежни Редак ректор Л ескид каз 3579 Тираж 730 ИИПИ Государств о делам изобре , Москва, ЖПодписнокомитета СССРоткрытийкая наб., д. В ог ни Ра 1130 4/ Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектн 1113 щий блок, у которого выход соединен с управляющим входом переменного аттенюатора, а неинвертирующий вход - со средней точкой третьего переменного резистора, седьмой коммутатор, у которого первый контакт соединен со средней точкой четвертого переменного резистора, а вход управления - с выходом делителя частоты, восьмой коммутатор, у которого первый контакт соединен с выходом операционного усилителя, второй контакт - с инверти 30588 12рующим входом вычитающего блока ивторым контактом седьмого коммутатора, а вход управления - с выходом 5первого инвертора и входом управления модулятора, выход интегратораявляется аналоговым выходом устройства, выходы разрядов двоично-десятичного реверсивного счетчика - выходом на цифровой индикатор, авыходыразрядов двоичного реверсивного счетчика - выходом в канал межприборнойсвязи.