Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских(22) Заявлено 170381, (21) 3262342/18-21 рцМ К 1 з с присоединением заявки МГосударственный комитет СССР но дедам изобретений и открытий(71) Заявитель омельскнй государственный университеГ 54) УСТРОЙСТВО. ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВоИзобретение относится к области " радиоизмерительной техники, а точнее к устройствам для измерения амплитуды переменного напряжения в диа. пазоне,частот, и может быть использо 5 вано в качестве циФрового управляемого преобразователя в составе автоматизированного измерительного комолекса., ОИзвестен преобразователь измерения амплитуды, содержащий элемент сравнения, усилитель постоянного тока, ам.плитудный детектор, буФерный усили тель, и цепь опорного канала ( 13,В устройстве происходит сравнение 15 . амплитуд входных сигналов с компенсационным напряжением, по величине ко- торого определяется измеряемое входное напряжение. В тех случаях, когда входное переменное напряжение содержит постоянную составляющую, например, за счет наводки во .входных цепях, то ее амплитуда определяется с учетом величины этой наводки, Таким образом, точность измерения в известных устройствах значительно снижается при наличии постоянной составляющей напряжения на входе, при этом ограничи" вается применимость подобных уст-. ройств. Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является компенсационный вольтметр, состоящийиз регулируемого источйика постоянного напряжения, диода, двух резисто"ров, конденсатора и компаратора (магнитоэлектрического гальванометра),причем анод диода присоединен к первой входной шине, а катод через конденсатор подключен к второй входнойшине к одному выводу первого резистора, параллельно которому подключенисточник напряжения постоянного тока,а между катодом диода н шиной источника напряжения подключен компаратор Е 21,В известном вольтметре после проведения начальной калибровки производят измерение амплитуды входного сигнала путем регулирования компенсаци;онного напряжения до момента срабатывания компаратора (отсутствия тока вгальванометре) и по значению величины компенсационного напряжения в момент срабатывания определяют значениВамплитуды измеряемого сигнала.(;Известный компенсационный вольтМетр работает по схеме последователь"ного детектирования (вольтметр с открытьм входом), При этом на входевольтметра отсутствует разделительный конденсатор и ток детектирования протекает через цепь измеряемого напряжения, что ограничивает применимость вольтметров, так как их нельзя испольэовать для измерений напряжения переменного тока в цепях с постоянной составляющей, При измерениях, производимых при наличии постоянной составляющей(например, наводки на входных цепях), точность определения амплитуды переменного сигнала значительно снижается, так как измеренное значение соответствует максимальному значению суммарного напряжения на входе.Целью изобретения является повышение точности и расширение Функциональных возможностей устройства.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов, содержащее регулируемый источник постоянного напряжения, первый компаратор и первый конденсатор, один вывод которого подключен к катоду первого диода, анод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина подключена к первому выводу первого резистора, введены блок сложения, два регистра три резисторавторые компаратор и диод, конденсатор, первый вывод которого подключен к аноду второго диода, катод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина через второй резистор, по величине равный первому, подключена к второму выводу второго Нэнденсатора и первому выводу второго дросселя, а второй вывод первого резистора присоединен к второму выводу первого конденсатора и первому выводу первого дросселя, а выводы первого и второго конденсаторов подключены соответст веонно к входам первого и второго компараторов,параллельно которым подключены третий и.четвертый резисторы,выход первого компаратора подключен к разрешающему входу первого регистора, выход второго компаратора подклю" чен к разрешающему входу второго регистра, информационные входы одинаковых разрядов первого и второго регистров подключены к соответствующим выходным разрядннм шинам регулируемого источника постоянного напряжения, первая и вторая выходные шины которого подключены к вторым выводам первого и второго дросселей, а тактовые выходы присоединены к стробирующим входам компараторов,.-выходные разрядные шины первого и второго регистров подключены к разрядным входам блока сложения.Причем, регулируемый источник постоянного напряжения включает счетчик импульсов, выходные разрядные шины которого соответственно подключены к выходным разрядным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, входам первого элемента Ии управляющим входам цифро-аналогового преобразователя, выход которогоподключен к выходным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, счетный вход счетчика импуль- ),сов подключен к выходу второго элемента И и тактовЫм выходам регулируемого источника постоянного напряжения, первый вход второго элементаИ присоединен к выходу генератора 15 тактовых импульсов, а второй входподключен к прямому выходу триггера,инверсный выход которого присоединен к установочному входу счетчикаимпульсов, при этом прямой вход триггера подключен к шине установочноговхода триггера, а инверсный вход подключен к выходу первого элемента И.На чертежепредставлена схемапредлагаемого устройства для изме рения амплитуды высокочастотных сигналов.Устройство содержит конденсатор 1,диод 2, первую входную шину 3, вторуювходную шину 4, резистор 5, дроссель щ 6, конденсатор 7, диод 8 резистор 9,дроссель 10, компаратор 11 и 12, резисторы 13 и 14, регистры 15 и 16,информационные входы 17 регистров,регулируемый источник 18 постоянного напряжения, блок 19 сложения,счетчик 20 импульсов, элемент 21 И,цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП) 22, элемент 23 И, генератор 24тактовых импульсов, триггер 25, шину 26 установочного входа триггера.Устройство для измерения амплитудывысокочастотныхсигналов работаетследующим образом.При подаче пускового импульса на. шину 26 установочного входа тригге ра на выходных шинах регулируемогоисточника 18 постоянного напряженияпоявляется напряжение, возрастающеево времени по линейно-ступенчатомузакону, причем каждый скачок напряже ния соответствует определенному шагуквантования. Одновременно с этим навыходных разрядных шинах регулируемого источника 18 постоянного напряжения появляется двоичный цифровой 55 код, причем в каждый момент времени величина напряжения на выходныхклеммах регулируемого источника 18в четыре раза больше значения, которое определяется цифровым кодом навыходных разрядных шинах, т.е.С.- Ъыхгде . й,;- циФровое значение напряжения, определяемое ко дом в момент времениО- величина напряжения наИЬЩник 18 постоянного напряжения возвравыходных клеммах в момент щаетс,я в исходное состояние.времени с, Указанный режим работы осуществляК - постоянный коэффициент ется следующим образом.преобразования. Пусковой импульс поступает на шиИзмеряемое входное напряжение Ох, ну 26, триггер 25 опрокидывается и5, приложенное к входным клеммам 3 и 4, своим сигналом с прямого восхода разскладывается с линейно-ступенчаты- решает прохождение импульсов с выми напряжениямина резисторах 5 и 9,рав- хода генератора 24 тактовых импульн и соотв вени 1 О 1 ов чеРез второйэлемент И на счетный2 К 1 и 2 К 1" Реэуль О вход счетчика 20 рпщульсов и стробитирующие напряженияО иО приклады- рующие входы компараторов 11 и 12.ваются соответственно между като- На выходе счетчика 20 появляется дом второго диода 2 и выводом конден- цифРовой код, котоРый возРастает по сатора 7, и между анодом первого дио- мере поступления тактовых импУльсов. да 2 и выводом конденсатора 1, кото Цифровой код с выхода счетчика 20 рые образуют два амплитудных детек- поступает на выходные разрядные шитора. Полярность диодов 2 и 8 выбра- ны, подключенные к информационным на таким образом, что напряжение на входам регистров 15 и 16, и на уппервом конденсаторе 1 О равно поло- равляющие входы цифро-аналогового жительной амплитуде результирующего 20 преобразователя 22, на выходе которо- напряжения Ор, а напряжение на кон- го появляется соответствующее наденсаторе 7 О равно отрицательнойпряжение, величина. которого связана амплитуде результирующего напряже- соотношением (1) с цифровым кодом ния ОВ процессе увеличения напря- на его входах. При заполнении счетжеОия на входе регулирующего линейночика 20 на выходе первого элемента ступенчатого источника 18 напряже И появляется сигнал, который возния продетектированные напряжения вращает триггер 26 в исходное сосч0 и Ос - на конденсаторах 1 и 7 тояние, при этом прекращается посту- уменьшаются. К моменту с величина О ,пление тактовых импульсов на счетКоказывается равной нулю . Зо ный вход счетчика 20 и строС= =(-0+О 1+ Ф 4 к С, (2) бирующие входы компараторов 11 и 12,а сигнал с инверсного выхода триггеПри этом выключается компаратор 12 ра 25 производит сброс счетчика 20 и в регистре 16 фиксируется цифровойв нулевое состояние. кодо н = - ;, О1нк35 Измерение входного напряжения происходит следующим образом.К моменту с, величина О; оказы+ Н а входные шины 3 и 4 поступает вается равной нулю 0 = О =(О +О )" измеРяемое напряжение, имеющее в обр, ООц.Щем случае постоянную составляющуюили Он,= 2. О +ОоПри этом выключается компаратор 11 их=От Миан, Ох=От о в регистре 15 фиксируется код М где О - напряжение на входных шишинах 3 и 4;О - амплитуда измеряемого напря 45Результирующий код на выходе блока Оо - постоянная составляющая на сложения й Ьм= М + Н соответству-сиЬмпряжения. ет значениюВходные цепи, образованные из первогодиода 2 и первого конденсатора 1,"ф о д 5 О ра 7, представляют собой два.амплиИз последнего выражения видно, что вы. тудных детектора с открытым входом. бор величины напряжения на выходе ре- Поэтому входное напряжение Ох через гулируемого источника в 4 раза больше первый диод 2 поступает в цепь заряэначения,определяемого кодом на его да первого конденсатора 1,который за,входах, обеспечивает получение резуль 55 Ряжается до максимального значения, тата измерения Мц , непосредственно приблизительно равного (О+О) . равного усредненйой амплитуде входногоПричем наодном вйводепервого конденсаГ"сигнала.сучетом лишь коэффициента пре- тора 1,подключенномк анодудиода 2, при образования (т,е.беэ дополнительного сутствует положительный потенциал. масштабного множителя). 60 Аналогичным образом через диод 8 проНапряжение на выходных клеммах и исходит заряд второго конденсатора 7, величина цифрового кода увеличивают- причем на одном выводе конденсатора ся до максимальных значений, после 7, подключенном к аноду диода 8, чего скачкообраэно уменьшаются до ну- присутствует отрицательный потенциал, левых значений, и регулируемый источприблизительно равный (О-Ос,).Выводы компараторов 11 и 12 подключены к конденсаторам 1 и 7 таким образом, что напряжения на этих конденсаторах указанной полярности вызывают их срабатывание, однако разрешающий сигнал на выходах компарато ров 11 и 12 не появляется, так как на их стробирующие входы не подаются тактовые импульсы. Поскольку входное сопротивление компараторов 11 и 12 велико, (соизмеримо с обратным сопротивлением дйодов 2 и 8), то для обеспечения нормальной работы рассмотренных амплитудных детекторов параллельно входам компараторов 11 и 12 подключаются резисторы 13 и 14, 15 значения которых выбраны из известных соотношений для амплитудных детекторов(,4.ния резисторов 13и 14, Ом.Из неравенства (3) также следует,что включение резисторов 5 и 9, имеющих небольшое сопротивление(соизмеримое с прямым сопротивлением Р диодов 2 и 8), не влияет на процес амплитудного выпрямпения.Непосредственно процесс измеренияначинается подачей пускового импульса на шину 26, после чего линейноступенчатое напрягзние с выходныхшин регулируемого источника 18 переменного напряжения через обмоткидросселей б и 10 оказывается приложенным к двум последовательно включенным и равным по величине резисторам 5 и 9, между которыми напряжение делится по ровну. Эти напряжения на резисторах 5 и 9 с учетом ихзнака складываются с напряжением 01,на входных клеммах 3 и 4 таким образом, что к аноду первого диода 2 идругому выводу конденсатора 1 оказывается приложенным. результирующее напряжение с амплитудой и положительной полярности О, равнойр (Ощ+Оо) "ф.д(4 где О+ - положительная амплитуда результирующего напряженияВ;О . - напряжение на выходных шинах регулируемого источника 18 в момент времени с,МОО - амплитуда измеряемого на;Ъпряжения положительной полярности, В.К аноду второго диода 8 и другому выводу конденсатора 7 в этот же мо- .65 мент времени с приложено результирующее напряжение с амплитудой отрицательной полярности Ор, равнойР=( О+о)+ 2(5)где О - амплитуда измеряемого напряжения отрицательной полярности, В,По мере поступления тактовых импульсов на вход счетчика 20, значение выходного напряжения О и цифрового кода на выходах регулируемогоисточника 18 возрастает, соответственно возрастает и падение напряжения в - на резисторах 5 и 9 что, вОМсвою очередь, вызывает уменьшениеамплитуды положительной полярностинапряжения О+ и уменьшение амплитудыРотрицательйой полярности ОР. Соответственно уменьшается и вйпрямленноенапряжение на конденсаторах 1 и 7равное этим амплитудам.Так как компараторы 11 и 12 находятся во включенном состоянии, топоступление тактовых импульсов на ихстробирующие входы вызывает появлениена их выходах разрешающих сигналов,которые поступают на разрешающиевходы регистров 15 и 16 и обеспечивают занесение в регистры 15 и 16текущих эначсний цифрового кода свыходных разрядных шин регулируемогоисточника 18.В момент времени с когда напряжение на конденсаторе 7 становитсяравным нулю, величина напряжения Она выходе регулируемого источника 18равнаО(О-Оэ)(6).При этом выключается компаратор12, с его выхода прекращается поступление разрешающих сигналов, в регистре 16 фиксируется занесенный цифровойкод Мк, который поступает в момент .времени сс4 Н (7) И- - К(0 -0), (8) где йк - цифровое значение напряжения, определяемое кодом вмомент ск0 - напряжение на выходе источйкника 18 в момент с, . В момент времени с, когда напряжение на конденсаторе 1 становится равным нулю, величина. напряжения Ос на выходе регулируемого источника 18 равна:Йи" ф(9) а цифровой код й в этот же момент времени с учетом выражений (1) (4) и (9) равени к (о+о), (1 ю)где йй - цифровое, значение напряжения, определяемое в моментвремени с,.Значение цифрового кода й фиксируется в регистре 15,так как - этогомомента выключаетая компаратор 11После того, как выходное напряжениеисточника 18 достигает максимальногозначения, срабатывает триггер 25,который блокирует поступление тактовых импульсов на стробирующие входыкомпараторов и устанавливает источник 18 в исходное состояние,Значения цифровых кодов йи и й,зафиксированные соответственно в ре гистрах 15 и 1 б, поступают на разряд ные входы блока 19 сложения, где осуществляется операция сложения двоичных чисел, заданных в виде кодов й,и й, Результирующее двоичное числойй на выходных шинах блока 19 сложе"20ния оказывается равным"чъМ=КО+0)+К(О)=КО . И 2)Таким образом, в результате одного цикла измерения на выходе блока 19 сложения появляется значение измеряемой амплитуды О, представленной в цифровой Форме. Этот цифровой код й поступает на устройство индикации или вычислительное устройство длязапоминания и обработки (на чертежене изображено).Подключение дросселей б и 10 исключает влияние внутреннего выходного сопротивления регулируемого источника 18 на прохождение высокочастотного входного сигнала. 40Полярность постоянной составляющей напряжения О значения не имеет, так как в процессе сложения кодов (12) она компенсируется (вычитается).В результате измерения происходит 45 осреднение значений положительной и отрицательной амплитуд О и О, изФмеряемого сигнала, что так же повыаает точность измерения.Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с известным заключается в возможности производить измерения амплитуд при наличии постоянной составляющей. При этом сохраняются все достоинства компенсагионно го способа измерения и, более того, повышается точность измерения за счет осреднения значений амплитуд разной полярности. Предварительная калибровка выпрямительных диодов и 60 учет их параметров прн обработке результатов во внешнем вычислительном устройстве позволяют также исключить известную операцию калибровки (" установка нулями). 65,Формула изобретения1. Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов, содержащее регулируемый источник постоянного напряжения, первый компаратор и первый конденсатор, один вывод которого подключен к катоду первого диода, анод которого присое-: динен к входной шине, а вторая входная шина подключена к первому выводу первого резистора, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повыаения точности и расширения функциональных возможностей устройства, в него введены блок сложения, два регистра, три резистора, вторые компаратор и диод, конденсатор, первый вывод которого подключен к аноду второго диода, катод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина через второй резистор, по величине равный Первому, подключена, к второму выводу второго конденсатора и первому выводу второго дросселя, а второй вывод первого резистора присоединен к второму выводу первого конденсатора и первому выводу первого дросселя, а выводы первого и второго конденсаторов подключены соответственно к входам первого и второго компарато-, ров, параллельно которым подключены третий и четвертый резисторы, выход первого компаратора подключен к разрешающему входу первого регистра, выход второго компаратора подключен к разрешающему входу второго регистра информационные входы одинаковых разрядов первого и второго регистров подключены к соответствующим выходным разрядньм шинам регулируемого источника постоянного напряжения, первая и вторая выходные шины которого подключены к вторым выводам первого и второго дросселей, тактовые выходы присоединены к стробирующим входам компараторов, а выходные разрядные шины первого и второго регистров подключены к разрядным входам блока сложения.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что регулируемый источник постоянного напряжения включает счетчик импульсов, выходные разряд:ые шины которого соответственно подключены к выходным разрядным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, входам первого элемента И и управляющим входам цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к выходным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу второго элемента И и тактовыми выходам регулируемого источника постоянного напряжения, первый вход вто 199915511рого элемента И присоединен к выходу генератора тактовых импульсов,а второй вход подключен к прямомувыходу триггера, инверсный выход которого присоединен к установочномувходу счетчика импульсов, при этомпрямой вход триггера подключен к шине установочного входа триггера, аинверсный вход соединен с выходомпервого элемента И,.Ф Источники инФормации,принятые вовнимание при экспертизе1. Мартяшин А.И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М., фЭнергия", 1976, с. 139, рис. 3.7.2, федоров А.М. Диодные компенсационные вольтметры, М., фСтандарты", 1976, с, 12,