Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №9

Измерение амплитудно-частотных характеристик радиотехнических устройств, обеспечивающих минимальную динамическую погрешность

Сытько Иван


Получено уравнение измерения полосы пропускания амплитудно-частотных характеристик радиотехнических устройств, связывающее скорость изменения частоты генератора качающейся частоты, количество и частоту счетных импульсов. Предложена техническая реализация измерителя, обеспечивающая измерения полосы пропускания дискретным способом с минимальными динамическими погрешностями.

В современной радиоэлектронике и радиотехнике значение радиотехнических и радиоэлектронных измерений все более возрастает. Среди них важное место занимает и измерение частотных характеристик различных радиотехнических устройств (РТУ), которые представляют собой зависимость тех или иных параметров РТУ от частоты.

Измерители амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) являются необходимыми инструментами исследователей, конструкторов радиоэлектронных устройств и систем, получают широкое применение в производстве, эксплуатации и метрологическом обслуживании радиотехнических устройств и систем. В частности, показатели качества приемных устройств напрямую зависят от их АЧХ и влияют на качество обработки и обнаружения полезных сигналов на фоне как естественных, так и искусственных помех.

Методы и средства измерений частотных характеристик обладают широкими функциональными возможностями и имеют ряд особенностей: измерения производятся в динамическом режиме; измеряют не величины, а характеристики; на индикаторе отображается не статическая, а динамическая характеристика; измерения выполняются в широком частотном диапазоне и полосе качания; производится измерение как узкополосных, так и широкополосных избирательных систем РТУ.

Один из распространенных методов измерения АЧХ сводится к получению на экране индикатора частотной характеристики некоторой избирательной системы. АЧХ избирательной системы получают путем подачи входного сигнала и измерения выходного сигнала.

Вопросы измерения АЧХ и определения параметров частотной избирательности измеряемых РТУ достаточно полно рассмотрены в [13]. Однако они не в полной мере касаются контроля и исключения динамических погрешностей при измерении АЧХ, автоматического измерения полосы пропускания, нормирования наблюдаемой на экране индикатора АЧХ и определения опорной частоты.

Суть предложенного метода заключается в контроле динамической погрешности измерения путем модуляции частоты генератора качающейся частоты по треугольному закону — симметричной линейной частотной модуляции.

Причиной возникновения динамической погрешности является конечная скорость изменения частоты генератора в пределах полосы пропускания измеряемого объекта [2]. В рассматриваемом методе измерения динамическую погрешность исключают или уменьшают до предельно малых значений. При этом исключено влияние частотного коэффициента передачи измеряемого объекта на вертикальные размеры изображения на экране индикатора. Погрешность воспроизведения формы АЧХ не влияет на точность измерения полосы пропускания.

Структурная схема измерителя и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, приведены на рис. 1 и 2. Принцип работы измерителя заключается в следующем. Высокочастотное колебание с выхода генератора (1) поступает одновременно на объединенные входы преобразователя частоты (7) в напряжение и измеряемый объект (2). В качестве измеряемого объекта используют избирательную систему РТУ, АЧХ которой подлежит измерению. Высокочастотное колебание генератора изменяется по треугольному закону. Такое изменение частоты, воздействуя на измеряемый объект, вызывает на его выходе изменение амплитуды напряжения высокочастотных колебаний, соответствующее закону изменения АЧХ объекта. В динамическом режиме работы форма АЧХ показана на рис. 2. Сигнал с выхода измеряемого объекта поступает на вход амплитудного детектора (3). Форма сигнала на выходе амплитудного детектора пропорциональна АЧХ объекта.

Структурная схема измерителя

Рис. 1. Структурная схема измерителя
Временные диаграммы, поясняющие принцип работы измерителя

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы измерителя

С выхода измеряемого объекта сигнал поступает также на формирователь опорного сигнала (5), выделяющий и запоминающий уровень входного сигнала опорной частоты, относительно которой производится нормирование АЧХ. Сигнал на выходе делителя (4) является нормированным. При этом огибающая сигнала пропорциональна измеряемой АЧХ и равна отношению сигнала на выходе амплитудного детектора к уровню сигнала на опорной частоте, поступающего с выхода формирователя опорного сигнала.

Формирователь опорного сигнала посредством преобразователя частоты (11) в код формирует импульсы в моменты прохождения входного сигнала через нуль, подсчитывает число импульсов в заданном интервале времени, определяемом формирователем интервалов. Первый дешифратор (12) выдает управляющий сигнал на первый вход блока хранения (13) и выборки в момент времени, когда текущая частота сигнала достигает заданной опорной частоты. Блок хранения и выборки выделяет из входного сигнала и запоминает уровень на опорной частоте, который подается на первый вход делителя (4).

Таким образом, огибающая сигнала на выходе делителя пропорциональна измеряемой АЧХ, является нормированной, изменяется от 0 до 1, независимо от амплитуды сигнала на выходе амплитудного детектора и коэффициента передачи измеряемого объекта.

Сигнал с выхода генератора поступает также на вход преобразователя частоты в напряжение, на выходе которого напряжение изменяется пропорционально частоте входного сигнала, имеет треугольную форму и поступает на вход дифференциатора (8). На выходе дифференциатора формируются двухполярные импульсы прямоугольной формы типа меандр, которые поступают на первый вход первого компаратора (9), второй вход которого соединен с общей шиной. Первый компаратор предназначен для обострения фронтов импульса, формируемого дифференциатором. Выход первого компаратора подключен одновременно к пятому входу блока (11) нормирования и второму входу коммутатора (10).

С выхода формирователя опорного сигнала уровень сигнала опорной частоты, относительно которой производится нормирование АЧХ, также поступает на первый вход блока нормирования. Он формирует уровень сигнала, относительно которого измеряется полоса пропускания АЧХ измеряемого объекта.

Информационный вход коммутатора соединен с выходом делителя, а управляющий вход соединен с выходом первого компаратора. Коммутатор посредством управляющего сигнала типа меандр попеременно подключает выход делителя ко второму входу блока нормирования, когда скорость изменения частоты на выходе генератора положительная. При отрицательной скорости изменения частоты на выходе генератора коммутатор подключает выход делителя к третьему входу бока нормирования. Блок нормирования вырабатывает прямоугольные импульсы единичной амплитуды, длительность которых соответствует интервалам времени, когда нормированные огибающие сигналов превышают уровень сигнала, относительно которого измеряется полоса пропускания АЧХ измеряемого объекта.

Длительность прямоугольных импульсов единичной амплитуды, которые вырабатывает блок нормирования, прямо пропорциональна полосе пропускания АЧХ измеряемого объекта и обратно пропорциональна скорости изменения частоты генератора соответственно при положительной и отрицательной скорости изменения частоты (рис. 2) и определяется по формуле:

где VГКЧ = Δfкач/Tp — скорость изменения частоты генератора (1); ΔF — полоса пропускания АЧХ измеряемого объекта (2); Δfкач — полоса качания генератора (1); Tp — период развертки, равный половине периода напряжения треугольной формы.

Полоса качания генератора и период развертки показаны на рис. 2.

Сигнал с выхода делителя подается также на первый вход индикатора (6). На экране индикатора отображается АЧХ измеряемого объекта. АЧХ является нормированной. Вертикальные размеры изображения не только занимают оптимальную рабочую площадь экрана, но и остаются постоянными независимо от частотного коэффициента передачи измеряемого объекта. Так как изменение частоты генератора и напряжения развертки производится по треугольному закону, то луч прочерчивает на экране индикатора две АЧХ: одну при возрастании частоты, а другую — при убывании. Следствием наличия динамических погрешностей при измерениях является то, что на экране индикатора наблюдаются две АЧХ, которые будут несимметрично смещены в противоположные стороны относительно статической АЧХ (рис. 2).

Рассмотрим процесс контроля динамических погрешностей измерения АЧХ в первой и второй половине цикла измерения.

В первой половине цикла измерения, когда скорость изменения частоты генератора положительная, блок нормирования производит измерение временного интервала между спадом сигнала единичной амплитуды и опорным импульсом. Положение опорного импульса соответствует максимальной амплитуде модулирующего напряжения треугольной формы.

Во второй половине цикла измерения, когда скорость изменения частоты генератора отрицательная, блок нормирования производит измерение временного интервала между опорным импульсом и фронтом сигнала единичной амплитуды. Длительность временных интервалов в первой и второй половинах цикла измерения пропорциональна количеству счетных импульсов, следующих с периодом повторения Tсч. Счетные импульсы поступают на четвертый вход блока нормирования, который подключен к входной шине.

Первый выход блока нормирования подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика (12), на который поступает последовательность импульсов, количество которых пропорционально временному интервалу между спадом сигнала единичной амплитуды и опорным импульсом.

Второй выход блока нормирования подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика, на который поступает последовательность импульсов, количество которых пропорционально временному интервалу между опорным импульсом и фронтом сигнала единичной амплитуды.

При наличии динамических погрешностей количество импульсов, поступающих соответственно на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика, не равно между собой.

Выход реверсивного счетчика подключен к управляющему входу второго компаратора (14). Второй вход компаратора соединен со входной шиной, на которую подается пороговое значение (в двоичном коде). Если двоичное число на первом входе меньше, чем на втором, тогда на выходе компаратора вырабатывается пропорциональный логической единице управляющий сигнал, который поступает на первый вход ключа (15) и открывает его. Второй вход ключа соединен с третьим выходом блока нормирования, на который поступает сигнал единичной амплитуды, длительность которого пропорциональна полосе пропускания АЧХ измеряемого объекта.

Компаратор (14) предназначен для сравнения двух чисел, представленных в двоичном коде и, соответственно, поступающих на первый и второй входы. Результатом сравнения является обнаружение состояния, когда двоичное число на первом входе меньше, чем на втором, и сигнализирует о том, что динамические погрешности измерения малые.

Для измерения АЧХ, а также и полосы пропускания измеряемого объекта, необходимо скорость изменения частоты генератора (1) установить такой, при которой на экране индикатора (6) наблюдается одна АЧХ измеряемого объекта как при положительной, так и при отрицательной скорости изменения частоты. Это соответствует наименьшим динамическим погрешностям, то есть следует считать, что динамические искажения незначительно малые или отсутствуют.

Компаратор обнаруживает состояние, когда двоичное число на первом входе меньше, чем на втором, вырабатывает управляющий сигнал, который открывает ключ. Сигнал единичной амплитуды, вырабатываемый блоком нормирования, через ключ поступает на первый вход первого временного селектора (16) и открывает его.

Временной селектор открыт в течение времени, равного длительности прямоугольного импульса единичной амплитуды, вырабатываемого блоком нормирования (11). На второй вход временного селектора поступают импульсы, следующие с периодом повторения Tсч. Выход временного селектора подключен ко входу декадного счетчика (17), который осуществляет счет поступающих импульсов Nx и преобразует унитарный код в двоично-десятичный. Выход декадного счетчика подключен ко входу второго дешифратора (18), который осуществляет преобразование двоично-десятичного кода, в котором представлена измерительная информация на выходе декадного счетчика, в сигналы кода используемого индикатора (6). Так как временной селектор открывается на время

то общее число счетных импульсов, поступающих на вход декадного счетчика, определяется по формуле:

Соответственно, результат измерения полосы пропускания измеряемой АЧХ определяется выражением:

Точность измерения полосы пропускания измеряемой АЧХ определяется погрешностью дискретности, которая равна единице младшего разряда и зависит от частоты (периода повторения) счетных импульсов и длительности прямоугольного импульса единичной амплитуды, вырабатываемого блоком нормирования (11).

Достоверность измерения АЧХ зависит от скорости изменения частоты генератора (1) и полосы пропускания измеряемого объекта и определяется выражением:

Приведенное выражение характеризует динамические погрешности. Увеличение параметра μ приводит к тому, что на экране индикатора (6) АЧХ объекта как по параметрам, так и по форме отличается от статической характеристики.

В квазистатическом режиме работы устройства скорость изменения частоты генератора установлена такой, при которой на экране индикатора наблюдается одна АЧХ — как при положительной, так и при отрицательной скорости изменения частоты генератора (4). Совмещение АЧХ соответствует наименьшим динамическим погрешностям и наибольшей достоверности измерения.

Рассмотрим достоинства измерителя, реализующего предложенный метод измерения АЧХ.

  1. Динамическая погрешность контролируется вследствие использования симметричной линейной частотной модуляции генератора. По результатам контроля устанавливают такую девиацию частоты, при которой динамической погрешностью пренебрегают.
  2. На экране индикатора АЧХ объекта является нормированной, а ее вертикальные размеры не зависят от амплитуды сигнала на выходе генератора и частотного коэффициента передачи измеряемого объекта.
  3. Полоса пропускания АЧХ измеряется автоматически цифровым способом в момент времени, когда скорость изменения частоты генератора качающейся частоты установлена такой, при которой динамической погрешностью пренебрегают. При этом погрешность воспроизведения формы АЧХ, вызванная тем, что луч индикатора нестабилен по ширине развертки, не влияет на точность измерения полосы пропускания. Отмеченные особенности предлагаемого метода обеспечивают повышенную точность и достоверность измерения АЧХ и полосы пропускания, малую динамическую погрешность, вызванную скоростью изменения частоты генератора как симметричной, так и несимметричной статической АЧХ измеряемого объекта.
  4. В известных измерителях АЧХ указанная погрешность не контролируется и с увеличением скорости изменения частоты будет возрастать [13].

На основе предложенного метода измерения в среде LabVIEW разработан виртуальный измеритель АЧХ. Его исследования показали, что при работе измерителя в квазистатическом режиме с малыми динамическими погрешностями точность и достоверность измерения возрастают, а АЧХ, наблюдаемая на экране индикатора, соответствует статической.

Литература

  1. Адоменас П., Аронсон Я., Бирманас Е. Измерители АЧХ и их применение. М.: Связь, 1968.
  2. Патент № 2341807 (РФ) Измеритель относительных амплитудно-частотных характеристик / Г. В. Анцев, И. И. Сытько, В. А. Сарычев, Г. П. Соколов // 20.12.2008.
  3. Винокуров В. И. Электрорадиоизмерения / В. И. Винокуров, С. И. Каплин, И. Г. Петелин // Под ред. В. И. Винокурова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа. 1986.

Сообщить об ошибке