Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



резисторов, установленных на двух переключателях и одного переменного резистора, который обеспечивает устойчивую регулировку в пределах 1:3000. Такая регулировка необходима для реализации чувствительности балансного вольтметра, который с погрешностью 1:3000 отмечает равенство напряжений на входе и выходе квадратурного усилителя. Погрешность фазоврашателя, вызванная неравенством уравнивания, в худшем случае, при ф=45°, составит 0,01°.

Сложение двух находящихся в квадратуре напряжений производится с помощью суммирукяцего устройства, состоящего из двух усилителей с обратной связью и повторителей с низкоомным выходом. Благодаря высокому входному сопротивлению и нгоко-му сопротивлению делителей напряжения суммирующее устройство практически не вносит погрешности. Усилители нагружены на два точно подобранных резистора, с общей точки которых напряжение подается на высокоомный вход следующего каскада. Балансный вольтметр имеет два одинаковых канала, каждый из которых состоит из усилителя с обратной связью. Выходные усилители представляют собой двухтактные усилители с обратной связью, осуществляемой с помошью повторителей, имеющих непосредственную связь для исключения фазового сдвига при низких частотах.

Фазочувствительные индикаторы представляют собой кольцевые детекторы. По одному из них производится отсчет малых сдвигов фаз, которые не могут быть скомпенсированы калиброванным фазовращателем. С помощью другого определяют квадрат измеряемой разности фаз.

Общая погрешность такого фазометра на низких частотах составляет 0,Г при чувствительности 0,06°.

Фазовращатели. Простейшими фазовращателями являются дифференцирующие и интегрирующие ЛС-цепи. Для фазовращателя, представляющего собой дифференцирующую ДС-цепь, модуль выходного напряжения, фазовый угол и погрешность определяются следующими выражениями:

UmRC

j/T+wC

Ф = arctg (l/coKC); AU2=RC {dU/dt).

Для фазовращателя, построенного на основе интегрирующей ДС-цепи,

Усилитель

Рис. 8.16. Схема фазовращателя с интегрирующим усилителем

Ф = -arctg(вСК; AU =

В первом случае, если постоянная времени ЛС-цепи достаточно мала по сравнению с интервалом времени, за который происходит заметное изменение [/„ погрешность можно не принимать во внимание.

Во втором случае погрешностью пренебрегают, когда постоянная времени КС-цепи достаточно велика по сравнению с интервалами изменения напряжения между его минимальными и максимальными значениями.

Фазовращатели ДС-типа используются для получения фиксированного (обычно 90°) и плавно изменяющегося фазового сдвига в области низких частот. Минимальная погрешность может быть получена при малых изменениях фазовых углов. Анализ погрешности фазовращателя с пределами 2° показывает, что вполне реально получение погрешности от 0,1 до 0,01°, если использовать питающие напряжения с коэффициентом нелинейных искажений выходных напряжений 0,2% и нестабильностью частоты 10"*.

На практике получили распространение фазовращатели, в которых для уменьшения затухания используются усилители с отрицательной обратной связью. При дифференцировании параллельно электронному усилителю включается резистор, а при интегрировании - конденсатор. Такие устройства обычно называют дифференцирующими, интегрирующими или квадратурными усилителями. Применение их совместно с суммирующими устройствами и переключателями позволяет получить плавное изменение фазового угла в диапазоне 0-180°.

Интегрирующий усилитель (рис. 8.16)


Rj фС R

Рис. 8.17. Схема мостового фазовращателя




2706Jex

Рис. 8.18. Схема фазовращателя на кольцевом реостате

состоит из контура RC, усилителя и цепи обратной связи. Если на всех частотах рабочего диапазона фазовращателя выполнять условие RC = 1, то напряжения на входе и выходе будут равны друг другу. Для соблюдения этого условия на каждой частоте необходимо поддерживать равными активное и емкостное сопротивления в цепи обратной связи:

R = 1/С.

Основными источниками погрешности квадратурного фазовращателя являются погрешности интегрирующего усилителя и суммирующего устройства, которые обусловлены конечньпы значением коэффициента усиления и потерями конденсатора и реактивности резистора.

На низких частотах широко применяют мостовые фазовращатели на ?C-элeмeнтax (рис. 8.17). Они отличаются широким диапазоном изменения фазы и постоянством выходного напряжения.

Схема фазовращателя представляет собой неуравновешенный четырехплечий мост. Входная диагональ моста соединяется с входным каскадом фазовращателя через разделительный трансформатор Тр. Три плеча содержат резисторы, а четвертое конденсатор. Активные сопротивления резисторов R, и являются постоянными. Конденсатор С и резистор R - переменные. Одна из вершин выходной диагонали моста заземлена, поэтому нагрузка на выходе фазовращателя может быть несимметричной относительно земли; Зависимость угла сдвига фаз от параметров мостовой схемы имеет вид: Ф =2arctgcoCR.

Общая погрешность мостовых фазовращателей не превышает десятых долей градуса и имеет максимальное значение при 90°.

В диапазоне инфранизких частот в качестве фазовращателей используются коль-

цевые реостаты (рис. 8.18), выполненные в виде кольца из изоляционного материала, на которое плотно намотана обмотка тонкого провода с высоким удельным сопротивлением. В четырех симметричных точках кольца имеются отводы, к которым подаются четыре напряжения, сдвинутые по фазе между собой на угол 90°. По обмотке перемещается движок, обеспечивающий съем напряжения с переменной фазой.

Фазовый сдвиг сигнала, снимаемого с движка потенциометра, определяют по формуле

Ф = а + й(1;/1;ех)/йсх,

где сх - угол поворота движка; 1/вх -напряжение на отводах потенциометра; U - Vsax - - изменение напряжения. Емкостные фазовращатели позволяют создать фазовый сдвиг от О до 360° в широком диапазоне частот за счет изменения емкостей между статорными пластинами конденсатора Sj - S4 и роторной, выполненной в виде эксцентрично посаженной круглой или кардиоидальной пластины (рис. 8.19). Частичные емкости между каждым сегментом статора и роторной пластиной зависят от угла ф поворота ротора:

Ci =Со-1-С8Шф; Сг = Сд + Сосовф;

Сз=Со -Свшф; С4 = Со-СоС08ф.

Зная частичные емкости, нетрудно получить выходное напряжение, амплитуда которого при Zh » 1/соС не зависит от частоты, а фаза определяется углом поворота ротора:

1/вых = (С/2Со) VxBxSmifot - ф).

Погрешность емкостных фазовращателей составляет + (0,5-2)°.

Индукционные фазовращатели в виде вращающихся трансформаторов обладают высоким значением коэффициента передачи и малыми погрешностями, что обусловливает их широкое применение для сдвига фаз в пределах от О до 360°. В индукционном фа-

Ueux -о


Рис. 8.19. Емкостный фазовращатель





Рис. 8.20. Индукционный фазовращатель

зовращателе (рис. 8.20) фаза выходного напряжения равна механическому углу поворота роторной обмотки относительно одной из статорных обмоток, а амплитуда постоянна. При неортогональности составляющих двухфазного напряжения возникают амплитудная и фазовая погрещности индукционного фазовращателя. Фазовая погрешность выходного напряжения

Дф arctg sin 0],

где 4 - погрецшость установки ортогональности; G - yi о. 1 поворота.

Амплитудная погрешность фазовращателя, %, приближенно оценивается соотношением

- и (/l-sin 20 - 1) 100.

В зависимости от частотного диапазона фазовые погрешности индукционных фазовращателей составляют от 2 до 10° даже при малых амплитудных погрешностях, так как коэффициент нелинейных искажений на выходе непостоянен из-за непостоянства магнитных свойств материала статора и ротора по окружности.

В диапазоне СВЧ фазосдвигающими устройствами служат различные цепи с рас-

i Выход

Bxod-i-

Acp=720AL/Ais а)

Вход

Выход

L.-s

A(p=720AL/?Lt

Выход

Вход h

J Acp=720AL/As

1 2 " в)

Рис. 8.21. Фазовращатели отражательного типа:

о - с направленным ответвителем; б - с циркуля-тором; в - с трехдецибельным симметричным гибридным соединением

пределенными постоянными (линии задержки, коаксиальные кабели, измерительные линии и т. п.), с помощью которых обеспечивается получение калиброванной задержки. Фазовый сдвиг в устройствах с распределенными постоянными определяется по формуле

Ф = р/ = ю/1/7,С,

где L и С - индуктивность и емкость цепи на единицу длины; / - длина цепи. Изменяя /, в простейшем случае можно изменять фазовый сдвиг.

При выборе фазовращателя для использования его при измерении фазы на СВЧ прежде всего исходят из допустимой погрешности, рабочего диапазона частот, характеристики потерь и максимального значения фазового сдвига. Наиболее часто применяются следующие группы фазовращателей: отражательного типа, на линиях переменной длины, диэлектрические и электрически управляемые.

Три различнью конструкции фазовращателей отражательного типа показаны на рис 8.21. Во всех трех устройствах выходной сигнал формируется из отраженного. Изменение фазового сдвига осуществляется перемещением короткозамьисателей. В идеальном случае значение фазового сдвига определяется только перемещением короткозамы-кателя и длиной волны в волноводе. На входе фазовращателя с направленным ответвителем (рис. 8.21, а) имеется значительное рассогласование, вызванное тем, что с противоположной стороны подключен коротко-замыкатель. При использовании 10 дБ направленного ответвителя входной коэффициент отражения равен примерно 0,9. Вход и выход фазовращателя должны быть хорошо согласованными, чтобы уменьшить погрешность за счет рассогласования. Фазовый сдвиг определяется по формуле ф = = 720ALAb, где ДЬ - перемещение замыкающей перемычки; - Длина волны в волноводе. Общая погрешность на частоте 10 ГГц не превышает + 1° и зависит от погрешности измерения перемещения коротко-замыкателя, допусков на размеры волновода, частотной нестабильности сигнала СВЧ.

Если направленный ответвитель заменить циркулятором (рис. 8.21,6), то входной коэффициеш отражения фазовращателя снижается, но для получения приемлемых значений погрешностей такой фазовращатель надо применять в хорошо согласованных системах.

Для использования в фазовращателях отражательного типа подходят разно-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 [101] 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0162