Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

( nfг − fп = fПЧ1 ), где ее отделить от полезного сигнала уже нельзя. Обра-

зуется «зеркальный» канал прохождения помехи. Подавить его можно, выбрав достаточно высокую промежуточную частоту УПЧ и тем самым отодвинув частоту зеркального канала за пределы рабочего диапазона прибора. Перед первым преобразователем ставят полосовой фильтр, выделяющий измеряемый сигнал и подавляющий сигналы помех с частотой зеркального канала. Однако на высокой первой ПЧ измерение фазового сдвига вызывает затруднения. Используют преобразование на вторую, более низкую (порядка сотен килогерц) ПЧ, на которой и производят измерение фазового сдвига методом преобразованиявовременной интервал.

Погрешность измерения фазового сдвига с преобразованием частоты составляет единицы градусов и определяется нестабильностью параметров каналов, смесителей, точностью измерителя фазового сдвига на НЧ. Важно обеспечить идентичность фазочастотных характеристик каналов.

Другая проблема фазовых измерений – это низкая точность определения малых фазовых сдвигов на низких частотах. В этом случае используют умножение частоты входных сигналов в n раз. Умножитель частоты содержит нелинейный элемент и фильтр гармоник, который выделяет на выходе гармонический сигнал увеличенной частоты. (рис. 11.21).

Рис. 11.21. Метод умножения частоты для измерения малых фазовых сдвигов

Полная фаза выделяемой гармоники (и, естественно, ее частота) точно в n раз выше входной. Следовательно, при умножении частоты фазовый сдвиг между гармониками будет увеличен также в n раз. Величина n известна и стабильна, поэтому погрешность измерения фазового сдвига при умножении частоты не увеличивается. Однако чрезмерное увеличение

273

частоты сигналов может вызвать затруднения при измерении фазового сдвига преобразованных сигналов. В этом случае используют комбинацию умножения частоты (см. рис. 11.21) и преобразования частоты вниз (см. рис. 11.18). Подобным способом удается повысить точность измерения малых фазовых сдвигов путем умножения частоты в сотни и тысячи раз с последующим преобразованием в удобный для измерений частотный диапазон. В частности, можно сохранить исходную частоту входных сигналов при умножении измеряемого фазового сдвига.

Измерение группового времени запаздывания

Измерение фазового сдвига наиболее часто применяется при снятии фазочастотных характеристик (ФЧХ) различных радиочастотных устройств. Однако при большой электрической длине устройства (в диапазонах ВЧ и СВЧ) частотная зависимость вносимого фазового сдвига имеет большую крутизну. Учитывая, что фазовый сдвиг определен в диа-

пазоне 0…360°, результирующая ФЧХ имеет вид пилообразной зависи-

мости со скачками в точках перехода 360°–0°. Точность измерения фазы при большой крутизне ФЧХ оказывается недостаточной. В этих случаях более информативным является групповое время запаздывания (ГВЗ, Group Delay). Этот параметр определяется как скорость изменения фазочастотной характеристики устройства

Постоянство частотной зависимости ГВЗ (фиксированный наклон ФЧХ устройства) означает постоянное время задержки сигнала сложной формы. Каждая гармоника сигнала будет сдвинута на разный фазовый угол, но на одинаковое время, поэтому форма выходного сигнала сохраняется. Если же частотная ГВЗ непостоянна в диапазоне частот, то будут наблюдаться искажения формы сигнала на выходе устройства.

Измерение ГВЗ можно сделать по точкам, используя любые методы определения фазового сдвига на двух близких частотах. Однако этот способ имеет низкую производительность. Его используют в автоматизированных анализаторах цепей, где расчет частотной характеристики ГВЗ делают по результатам измеренияФЧХвбольшом количествечастотныхточек.

Более совершенным является метод с использованием модулированных сигналов (метод Найквиста). Рассмотрим вариант метода с АМ сигналом и гармоническим сигналом модуляции. Суть метода заключается в сравнении фазового сдвига огибающих АМ сигналов на входе и выходе исследуемого устройства. На рис. 11.22 приведена упрощенная структурная схема прибора, реализующего данный метод.

274

АМ

Внеш.

модуляция

Модулятор

Внутр. Г модуляция

Рис. 11.22. Схема измерения группового времени запаздывания

Высокочастотный генератор вырабатывает сигнал, который модулируется по амплитуде низкочастотным сигналом с частотой F от внутреннего либо внешнего источника. АМ сигнал подают на детектор огибающей и на вход исследуемого устройства. После детектора сигнал огибающей используют как опорный для НЧ фазометра. Спектр АМ сигнала содержит гармонику несущей частоты и две боковые гармоники, отстоящие от несущей на величину F. Фазовый сдвиг, вносимый устройством для этих составляющих будет разным, зависящим от наклона ФЧХ. Изменение фазы огибающей выходного сигнала будет соответствовать изменению сдвига фаз на частотах боковых составляющих.

Выходной сигнал детектируют и подают на измерительный канал фазометра. Он показывает фазовый сдвиг между огибающими входного и выходного сигналов, который зависит от наклона ФЧХ, то есть от ГВЗ на частоте несущей:

ϕ = 360° F ГВЗ .

Отсюда находят ГВЗ = 360Δϕ°F . Так как частота модуляции F извест-

на, то шкалу фазометра можно градуировать непосредственно в единицах ГВЗ.

Для автоматического измерения частотной зависимости ГВЗ применяют электронную перестройку частоты генератора (генератор качающейся частоты). В качестве индикатора фазометра используют осциллографический индикатор (панорамный измеритель ГВЗ).

275

Контрольные вопросы

1.Что такое «фазовый сдвиг» двух сигналов? Как фазовый сдвиг связан

свременной задержкой сигналов? Перечислите основные методы измерения фазового сдвига.

2.Какие осциллографические методы применяют для оценки фазового сдвига? Поясните метод эллипса. Какие условия надо соблюдать для снижения погрешности этого метода?

3.Что такое «фазовый детектор»? Как его используют для измерения фазового сдвига? Поясните принцип действия ФД суммарноразностного типа и ФД на основе логического элемента «исключающее ИЛИ».

4.Как реализуют компенсационный метод измерения фазового сдвига? Какие нуль-индикаторы применяют? Опишите конструкции калиброванных фазовращателей. Какие достоинства и недостатки компенсационного метода?

5.Как строят преобразователи фазового сдвига в напряжение? Как сделать так, чтобы напряжение на выходе преобразователя численно совпадало бы с измеряемым фазовым сдвигом?

6.Какие погрешности возникают при преобразовании фазового сдвига в напряжение? Каких уменьшаютв двухтактной схеме преобразователя?

7.Что такое «синхронный детектор», как его используют для измерения фазового сдвига?

8.Как строят фазометры на основе преобразования фазового сдвига во временной интервал? Для чего в схеме цифрового фазометра используют умножение частоты входного сигнала? от чего зависит погрешность измерения?

9.Для чего применяют интегрирующие цифровые фазометры? Поясните их работу. Почему в их схеме используют не один, а два временных селектора? Почему точность и помехоустойчивость интегрирующего фазометра выше?

10.Для чего в СВЧ фазометрах используют два преобразователя частоты

собщим гетеродином?

11.С какой целью при измерении малых фазовых углов применяют преобразование частоты входных сигналов вверх?

12.Что такое групповое время запаздывания? в каких случаях его необходимо измерять? Опишите метод измерения ГВЗ с использованием модулированных сигналов.

276

2.Высокочастотные генераторы сигналов (Г4) – приборы, вырабатывающие гармонические модулированные и немодулированные колебания высоких и сверхвысоких частот (от 0,1 МГц до десятков гигагерц);

3.Генераторы импульсов (Г5) – источники одиночных или периодических видеоимпульсов, обычно прямоугольной формы.

4.Генераторы сигналов специальной формы (Г6). Это функциональные генераторы низких и инфранизких частот, генераторы колоколообразных импульсов. Сюда же относят синтезаторы частоты, которые строятся на основе деления и умножения частоты опорного высокостабильного генератора

5.Генераторы сигналов случайной формы с нормируемыми статистическими параметрами (шумовые генераторы – Г2).

Вданную классификацию не попадают цифровые генераторы сигналов произвольной формы с прямым цифровым синтезом сигнала (Direct Digital Synthesis – DDS). В настоящее время это наиболее популярная группа измерительных генераторов. Кроме этого, в раздел измеритель-

ных генераторов не попадают измерительные источники постоянного напряжения (подгруппа Б5), которые являются, по сути, генераторами постоянного напряжения с заданными параметрами. Они используются как в качестве блоков питания исследуемых устройств, так и в качестве источников опорного напряжения в измерительных схемах.

Аналоговые измерительные генераторы гармонических сигналов (НЧ и ВЧ) перекрывают диапазон частот от единиц герц до десятков гигагерц. В генераторах ВЧ предусматривают возможность амплитудной (АМ), а в ряде приборов – и частотной (ЧМ) модуляции.

Основным блоком измерительного генератора гармонических колебаний, определяющим частоту и форму выходного сигнала, является задающий генератор. Он представляет собой автогенератор, включающий усилительный каскад и частотозависимую цепь положительной обрат-

ной связи (ПОС) (рис. 12.2, а).

KOC

Рис. 12.2. Обобщенная схема автогенератора гармонических колебаний: а – схема с замкнутой цепью ПОС, б – разомкнутая схема автогенератора

278

Возможность генерации в системе с ПОС определяется выполнением двух условий – баланса фаз и баланса амплитуд в разомкнутой системе рис. 12.2, б. Баланс амплитуд заключается в следующем. На частоте генерации произведение коэффициентов передачи усилителя Kу и цепи об-

ратной связи KОС должно быть равно единице Kу KОС = 1 . Баланс фаз

означает, что суммарный фазовый набег в усилителе и цепи ОС в разомкнутой системе на частоте генерации должен быть равен или кратен 2π:

ϕу + ϕОС = 2πn, n = 0,1, 2...

Для генераторов гармонических колебаний используют резонансные контура в цепи обратной связи, состоящие из LC-элементов (катушек индуктивностей и конденсаторов). Амплитудно и фазочастотные характеристики коэффициента передачи резонансного контура показаны на рис. 12.3.

АЧХ 1

0

/2

0

/2

Рис. 12.3. АЧХ и ФЧХ частотозадающего контура автогенератора

ФЧХ проходит через нуль. Таким образом, на этой частоте выполняется баланс фаз. Подбором коэффициента передачи усилителя компенсируют потери сигнала в цепи обратной связи (баланс амплитуд). Если усилитель имеет нестабильный фазовый сдвиг (вызванный влиянием температуры

279

на активный элемент, уходом питающего напряжения и пр.), то он компенсируется фазовым сдвигом в цепи ПОС. При линейной ФЧХ вблизи резонанса это означает смещение частоты генерации. Поэтому для повышения стабильности частоты требуются контура с крутой ФЧХ, а, следовательно, с высокой добротностью.

В задающих генераторах ВЧ в цепи ПОС используют высокодобротные LC-контура с переключаемыми катушками индуктивности (для смены диапазона частот) и плавной перестройкой переменным конденсатором. Для получения высокой стабильности частоты применяют катушки индуктивности на керамических сердечниках, температурную параметрическую стабилизацию контура, воздушные конденсаторы переменной ёмкости с малыми потерями.

На низких частотах габариты и параметры L и C элементов становятся неприемлемыми. Увеличивается активное сопротивление потерь, растет влияние температуры на индуктивность катушки. Это не позволяет получить высокую добротность LC-контура и, следовательно, стабильность частоты генератора. Поэтому на низких частотах используют фазосдвигающие цепи ПОС в виде RC-цепей различного вида. Стабильность частоты RC-задающих генераторов хуже, чем у LC-генераторов ВЧ диапазона, однако их проще реализовать. В настоящее время для генерации сигналов низкой частоты чаще применяют функциональные генераторы и цифровые генераторы с прямым синтезом формы сигнала.

Для создания образцовых генераторов (эталонов и мер частоты) в качестве частотозадающего контура в цепи ПОС используют пьезоэлектрический резонатор в виде пластины кварца с металлизированными поверхностями. Благодаря обратному пьезоэффекту кварцевая пластина колеблется при приложении к ней переменного напряжения. Если его частота приближается к частоте механического резонанса пластины, амплитуда механических колебаний резко усиливается. Резонатор ведет себя как колебательный LC-контур с очень высокой (до сотен тысяч и даже миллионов) добротностью. Это позволяет получить нестабильность

кварцевых генераторов порядка 10–4…10–5, при термостатировании квар-

ца – до 10–6…10–8. Однако частота кварцевого резонатора не может перестраиваться в широком диапазоне, что ограничивает область применения кварцевых генераторов источниками фиксированных (опорных) частот.

Аналоговые измерительные генераторы

Типовая структурная схема аналогового LC-генератора гармонических сигналов представлена на рис. 12.4.

Задающий генератор LC-типа определяет форму и частоту выходного сигнала. В качестве частотозадающего элемента используют LC-контур с добротностью от нескольких десятков до сотен. Плавная перестройка

280

частоты производится конденсатором переменной емкости, смена диапазона частот – переключением катушек индуктивности. Усилитель предназначен для увеличения амплитуды сигнала до опорного уровня – максимального выходного напряжения, по которому калибруют выходной аттенюатор. Кроме этого, усилитель обеспечивает заданную величину выходного сопротивления генератора и служит буферным блоком, исключающим влияние внешней нагрузки на задающий генератор. Генераторы ВЧ обычно имеют одно постоянное значение выходного сопротивления (50 или 75 Ом).

Рис. 12.4. Обобщенная структурная схема генератора ВЧ

В усилителе часто предусматривают плавную регулировку опорного уровня, который контролируют с помощью электронного вольтметра. В некоторых генераторах используют автоматическую систему стабилизации опорного уровня, при этом вольтметр не используется.

Установку выходного напряжения генератора ВЧ производят калиброванным аттенюатором (прецизионным пассивным делителем напряжения). Он позволяет уменьшить амплитуду выходного сигнала относительно опорного уровня до необходимого значения (иногда довольно малого – доли микровольта).

Для получения амплитудной модуляции (АМ) в ВЧ генераторах используют электронное управление коэффициентом передачи усилителя. Модулятор генератора является усилителем сигнала модуляции. Используют АМ внешним сигналом или сигналом от внутреннего НЧ генератора синусоидальной формы (обычно 400 или 1000Гц). Электронный вольтметр генератора обычно используют также и для контроля коэффициента модуляции. В ряде генераторов предусмотрен режим частотной модуля-

281

ции (ЧМ). В этом случае сигнал модуляции подают на задающий генератор. В контуре его устанавливают варикап – диод с электрически управляемой емкостью p–n перехода. Он позволяет управлять частотой генерации напряжением модулирующего сигнала.

Генераторы СВЧ диапазона (частотный диапазон более 300 МГц) имеют ряд отличий от генератора на LC-элементах. Вместо колебательных LC-контуров используют резонаторы на отрезках линий передач и объемные резонаторы. В качестве активного элемента автогенератора используют специфические электронные СВЧ компоненты – СВЧ транзисторы, диоды Ганна, клистроны, лампы обратной волны и пр. На СВЧ трудно обеспечить усиление сигнала, поэтому в таких генераторах часто усилитель отсутствует. Сигнал с автогенератора через аттенюатор подают на выход генератора. Точность установки частоты СВЧ генератора контролируют встроенным резонансным или электронно–счетным частотомером, установку опорного уровня сигнала производят измерителем мощности СВЧ. Регулировку выходной мощности производят калиброванным аттенюатором.

Генераторы гармонических сигналов НЧ диапазона имеют похожую структурную схему, однако в них не используют блок модуляции сигнала

(рис. 12.5).

CR

Рис. 12.5. Упрощенная структурная схема НЧ генератора на RC-элементах

В задающем генераторе используют RC-цепи. На рис. 12.5 изображен мост Вина, состоящий из двух пар RC-элементов. Используют также многозвенный фазосдвигающие RC-цепочки. Эти цепи обеспечивают

тель. Переключение диапазона частот осуществляют коммутацией конденсаторов цепей ПОС, плавную перестройку – сдвоенными переменны-

282