Измеритель добротности колебательных систем

)5 601 В 27 2 45НИЯ ИДЕТЕЛЬСТВ ВТОРСКО роитель 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗО(71) Севастопольский приборост ный институт(56) Авторское свидетельство СССР М 519650, кл, 0 01 й 27/26, 1975.Авторское свидетельство СССР М 750389, кл. 6.01 й 27/26, 1977.(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ(57) Изобретение относится к радиоизмерениям и может быть использовано для измерения добротности объемных резонаторов в СВЧ-диапазоне, а также колебательных систем в радиочастотном диапазоне. Целью изобретения является повышение точности измерения добротности колебательных систем. Измеритель добротности колебательных систем содержит перестраиваемый генератор 1 высокой частоты, колебательную систему 3, первый амплитудный детектор 4, перестраиваемый генератор 10 низкой частоты, блок 13 отношения частот, блок 15 управления. Введение в измеритель амплитудного модулятора 2, фильтра 5, низкочастотного детектора 6, электронного коммутатора 7, аналого-цифрового преобразователя 8, цифроаналогового преобразователя 9, делителя 11 частоты, второго амплитудного детектора 12, блока 14 индикации позволяет обеспечить повышение точности эа счет исключения операции взятия второй производной иэ измерительного процесса, а также эв счет исключения по- З грешностей, обусловленных неравномерностью в диапазоне амплитудно-частотной характеристики амплитудного детектора 4 и неравномерностью в диапазоне частот выходного уровня перестраиваемого генератора 1 высокой частоты, 5 ил.51015 20 25 30 40 50 Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использованодля измерения добротности объемных резонаторов в СВЧ-диапазоне, а также колебательных систем в радиочастотномдиапазоне.Известно устройство для измерения добротности колебательных контуров, содержащее измерительный контур, входной ивыходной согласующие элементы, широкополосные усилители блок автоматическойрегулировки амплитуды, блок регистрации. момента возбуждения и ключи,Недостатком устройства является большая погрешность измерения из-за значительной погрешности определения полосыпропускания,Наиболее близким по техническому решению к изобретению является устройстводля измерения добротности колебательныхконтуров, содержащее перестраиваемые генераторы высокой и низкой частоты, выходы которых соединены с блоком отношениячастот и выходами частотного модулятора, ауправляющие входы через запоминающиеустройства и нуль-органы подключены к выходам блоков выделения первой и второйпроизводной, причем выход блока выделения первой производной также соединен свходом блока выделения второй производной, а вход блока выделения первой производной через амплитудный детектор иизмеряемый контур - с выходом частотногомодулятора.Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения добротности из-за значительной погрешностиопределения полосы пропускания, особенно для высокодобротных колебательных систем (объемных и коаксиальныхрезонаторов в СВЧ-диапазоне, кварцевыхрезонаторов в радиочастотном диапазоне),При определении резонансной частотыи полосы пропускания используются блокивыделения первой и второй производнойсоответственно, включенные последовательно. Каждый из указанных блоков вноситсоответствующую погрешность, При определении второй производной погрешностьизмерения полосы пропускания существенно возрастает, так как в этом случае производная берется от функции, определенной спогрешностью. Кроме того, погрешность измерения резонансной частоты также значительна за счет собственной неравномерности выходного уровня сигнала перестраиваемого генератора высокой частоты и неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) амплитудного детектора,Цель изобретения - повышение точности измерения добротности,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения добротности колебательных контуров введены второй амплитудный детектор, блок индикации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), делитель частоты, фильтр, низкочастотный детектор, электронный коммутатор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с выходом перестраиваемого генератора высокой частоты и входом второго амплитудного детекто ра, выход которого соединен с вторым входом электронного коммутатора, выход которого соединен с входом АЦП, вход-выход которого соединен с соответствующими входами перестраиваемого генератора высокой частоты, блока отношения частот, блока индикации, электронного коммутатора и соответствующими входами-выходами блока управления и цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом перестраиваемого генератора низкой частоты, выход которого соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом амплитудного модулятора, выход которого соединен с входом колебательной системы, выход йервого амплитудного детектора через фильтр соединен с входом. низкочастотного детектора. выход которого соединен с первым входом электронного коммутатора.Сравнение известного устройства с предлагаемым изобретением показь 1 вает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, выраженные в повышении точности измерения резонансной частоть 1 и полосы пропускания за счет исключения из измерительного процесса операции взятия второй производной, коррекции неравномерности уровня выходного сигнала перестраиваемого генератора высокой частоты и исключения влияния на точность измерения неравномерности АЧХ амплитудного детектора,На фиг. 1 приведена структурная схема измерителя добротности колебательных систем," на фиг. 2 - блок-схема программы калибровки измерителя; на фиг, 3 блок-схема программы измерений; на фиг. 4 - амплитудно-.частотная характеристика колебательной системы и спектр амплитудно-модулированного сигнала; на фиг. Б - временные диаграммы: а, б - управляющих напряжений на входах перестраиваемых генераторов высокой и низкой частоты; в -зависимости коэффициента )4, вычисляемого по алгоритму; г - управляющего напряжения на входе электронного коммутатора 7; д - напряжения запуска АЦП, е - напряжения запуска блока отношения частот. 5Измеритель содержит соединенные последовательно перестраиваемый генератор 1 высокой частоты, амплитудный модулятор 2, исследуемую колебательную систему 3, первый амплитудный детектор 4, фильтр 5, 10 низкочастотный детектор 6, электронный коммутатор 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, соединенные последовательно цифроаналоговый преобразователь 9, перестраиваемый генератор 10 низкой 15 частоты и делитель 11 частоты, выходом подключенный к второму (управляющему) входу амплитудного модулятора 2, второй амплитудный детектор 12, входом соединенный с выходом перестраиваемого гене ратора 1 высокой частоты, а выходом подключенный к второму входу электронного коммутатора 7, блок 13 отношения частот, первым входом соединенный с выходом генератора 1, а вторым входом подключен ный к выходу генератора 10, блок 14 индикации, блок 15 управления (функции которого выполняет микроЭВМ 16 с интерфейсом 17), подключенный к управляющим и информационным входам генератора 1, 30 электронного коммутатора 7, АЦП 8, ЦАП 9, блока 13 отношения частот и блока 14 индикации,Измеритель работает следующим образом.Режиму измерения предшествует режим калибровки, когда исследуемая колебательная система 3 исключается, а выход модулятора 2 подключается к входу амплитудного детектора 4.Микро-ЭВМ 16 через интерфейс 17 с 40помощью своих сигналов осуществляет установку генератора 1 на нижнюю частоту Ь рабочего диапазона измерителя, коммутатор 7 в состоянии, когда на вход АЦП 8 поступает сигнал с выхода детектора 6, ус танавливает на выходе ЦАП 9 напряжение управления генератором 10, соответствующее частоте сигнала Гмин, а также запускает АЦП 9.Генератор 1 вырабатывает СВЧ-сигнал 50с частотой Ьн, который подается на ампли. тудный модулятор 2 и второй детектор 12, Под действием сигнала ЦАП 9 генератор 10 устанавливается на частоту Гмин Поделенный по частоте на два, сигнал с выхода де лителя 11 поступает на второй управляющий вход модулятора 2. Модуля-.тор .2 осуществляет амплитудную модуляцию ВЧ.-сигнала, который, и ройдя колебательную систему 3, детектируется детектором 4, В результате на его выходе появляется сигнал04 = К 4 Е (1+ М соз 2 л г гт),где К 4 - коэффициент преобразования детектора 4;М - коэффициент амплитудной модуляции ВЧ-сигнала на частоте модуляции Рг;Е - амплитуда сигнала на выходе генератора 1;Гг = Гмин/2 - частота модулирующего сигнала.Детектор 12 детектирует поступающий с генератора 1 сигнал, в результате на его выходе появляется напряжение012 = К 12 Е,где К 12 - коэффициент преобразования 12,Сигнал.04 поступает на фильтр 5, который выделяет его первую гармонику06 = К 4 КБМЕ сов 2 л Ег, (1) где К 6 - модуль коэффициента передачи фильтра 5,С выхода фильтра 5 сигнал 06 подается на детектор 6, где детектируется. В результате йа его выходе появляется сигнал 06, который через коммутатор 7 поступает на вход АЦП 806 = К 4 КБК 6 МЕ,где К 6 - коэффициент преобразования детектора 6.АЦП 8 преобразует сигнал 06 в цифровой эквивалент И 6, Микро-ЭВМ 16 через интерфейс 17 считывает.и запоминает значение кода й 6.В соответствии с блок-программой, приведенной на фиг. 2, микро-ЭВМ 16 устанавливает коммутатор 17 в состояние, когда на вход АЦП 8 с выхода детектора 12 подается сигнал 012, который преобразуется в АЦП 8 в цифровой эквивалент М 12. МикроЭВМ 16 считывает код 1 ч 12, вычисляет и запоминает значение коэффициента ан12 К 12Й 6 К 4 К 5 К 6 МНа этом калибровка на частоте Ь заканчивается и по сигналу с микро-ЭВМ 16 генератор 1 перестраивается на следующую частоту, Процедура определения ад на этой и других частотах остается прежней. После определения акв на верхней частоте рабочего диапазона калибровка заканчивается и на экране блока индикации 14 появляется текст "Калибровка закончена",В режиме измерения вместо регулярного волновода в тракт ВЧ измерителя включается исследуемая колебательная система 4. Оператор запускает измеритель нажатием кнопки. В соответствии с блок-программой измерения (фиг, 3) микро-ЭВМ 16 через ин 1718144терфейс 17 устанавливает генератор 1 на нижнюю частоту Ь, коммутатор 7 в состоянии, когда на вход АЦП 8 поступает сигнал с детектора 6, устанавливает на выходе ЦАП 9 напряжение управления генератором 10, СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ЧаСтОтЕ Рмин, ОСУЩЕСтВЛЯ- ет сброс в нулевое состояние регистров блока 13 отношения частот и блока 14 индикации, а также осуществляет запуск АНП 8, 10Процедура получения сигналов 04, 05, 06, 012 И ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭффИцИЕНтОВ ан На нижней и других частотах рабочего диапазона генератора 1 в режиме измерения аналогична описанной для режима калибровки 15 Й 6 К 4 К 5 К 6 М КЗ Тн 112 В соответствии с блок-программой измерения(фиг. 3) микро-ЭВМ 16 извлекает из памяти значение коэффициента акн, соот ветствун 3 щее частоте 1 н, вычисляет коэффи.циент ун по алгоритмун =акн аин = КзРн), (2) где Кон) - модуль коэффициента передачи колебательной системы 3 на частоту 1 н; 25 и запоминает его значение,Далее микро-ЭВМ 16 перестраивает генератор 1 на частоту 1 н + К определяет сигналы 04, 05, 06, 012, У где Ь- шаг перестройки генератора 1, и проверяет вы полнение условияр-у О. (3)Процедура перестройки частоты генератора 1, вычисление у 1 и проверка выполнения условия(3) проводятся микро-ЭВМ 16 35 до тех пор, пока оно не будет выполнено, В этом случае генератор оказывается настроенным на резонансную частоту 1 рез колебательной системы 3, и значение 14 максимально. Микро-ЭВМ 16 вычисляет ко эффициент)Ф,5 Гмакс/2 = КЗ макс/2 и запоминает значение его.В дальнейшем генератор 1 остается настРоенным на частотУ 1 рез ДО конЦа измеРи тельного цикла, а микро-ЭВМ 16 перестраивает генератор 10 на частоту Рмин+ ЬР, где Ь Р - шаг перестройки генератора 10. При этом уровень сигнала на выходе фильтра 5 уменьшается прямо 50 пропорционально изменению коэффициента модуляции М(Р) на выходе колебательной системы 3(фиг, 4, поясняющая взаимосвязь уровня сигнала на выходе колебательной системы 3 и частоты Р модулирующего сиг нала).Сигналы на выходе детектора 4, фильтра 5, детекторов 6, 12, а также коэффициенты ан 1 и и определяются в прежнемрмул а. изобретен и ль добротности колебательсодержащий блок отношения правления, колебательную сиамплитудный детектор, переИзмерит ых систем,стот, блок у ему, первы порядке.и описываются следующими выражениями04 = КЗ макс (1 +,М(Рч) Сов 2 ЛРй К 4 Е 2 05 = КЗ макс М (Р) К 4 К 5 Е СОЗ 2 Л РЮ;06 = К 4 мак 2 с М (Р 1) К 4 К 5 К 6 Е;012 = К 12 Е;Й 6 . КЗмакс К 4 К 5 К 6ан =12 К 12у) = аи ан = К М ( Р ),где Кз макс - значение модуля коэффициента передачи резонатора на резонансной часто- ТЕ ТрезК = КЗ макс/М - , ПОСТОЯННЫЙ КозффИЦИ- ент;После каждого шага перестройки микро-ЭВМ 16 определяет у и проверяет выполнение условияИ0,5. (4) При его выполнении с помощью сигнала, вырабатываемого микро-ЭВМ 16, запускается блок 13 отношения частот. На первый его вход поступает сигнал с выхода генератора 1 с частотой.1 рез, на другой - с выхода генератора 10 с частотой Ро 5. Измеритель 13 измеряет отношение .частот 0 = =рез/Ро,5, где Ро,5 - частота сигнала на выходе генератора 10 в момент выполнения условия (4).Микро-Э ВМ 16 считывает с информационного выхода блока 13 отношения частот значение добротности 0 и передает его в блок 14 индикации.Если сигнал остановки измерителя от кнопки, нажатой оператором, не поступил в микро-ЭВМ 16, то она возвращается к началу измерительного цикла, т.е. процесс измерения повторяется,Таким образом, как следует из описания принципа работы измерителя, после введения в него новых элементов и связей он приобретает новое свойство, выраженное в повышении точности измерения добротности. Достижение повышения точности обеспечивается за счет исключения операции взятия второй производной из измерительного процесса, а также за счет исключения погрешностей, обусловленных неравномерностью в диапазоне частот амплитудно-частотйой характеристики амплитудного детектора 4 и неравномерностью в диапазоне частот выходного уровня перестраиваемого генератора высокой частоты.страиваемые генератор высокой частоты и генератор низкой чистоты, выходы которыхо соединены соответственно с первым и вторым входами блока отношения частот, выход колебательной системы соединен с 5 входом первого амплитудного детектора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй амплитудный детектор, блок индикации,. аналого-цифровой преобразо ватель, делитель частоты, фильтр, низкочастотный детектор, электронный коммутатор, цифроаналоговый преобразователь и амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с выходом пере страиваемого генератора высокой частоты и входом второго амплитудного детектора, выход которого соединен с вторым входом электронного коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, вход-выход которого соединен с соответствующими входами перестраиваемого генератора высокой частоты блока отношения частот, блока индикации, электронного коммутатора и соответствующими входами-выходами блока управления и цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом перестраиваемого генератора низкой частоты, выход которого соединен с вторым входом амплитудного модулятора, выход которого соединен с входом колебательнойсистемы, выход первого амплитудного детектора через фильтр соединен с входом низкочастотного детектора, выход которого соединен с первым входом электронного коммутатора.1718144 те ристика вляющиего сигнал.Гагарина, 10 каз 878 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета 113035, Москва, ЖПодписноеизобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР . Раушская наб,; 4/5