цифровой измеритель проходящей мощности и коэффициента бегущей волны

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОХОДЯЩЕЙ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, содержащий измерительные каналы падающей и отраженной волн, в каждый из которых входят направленный ответвитель и детектор, а также вычислительное устройство, первый и второй входы которого подключены к первым выходам измерительных каналов соответственно, отличающийся тем, что в него введены генератор тактовой частоты, блок измерения частоты, блок управления и в каждый измерительный канал последовательно соединенные схема сравнения и преобразователь временной интервал код, выход которого является выходом измерительного канала, а также управляемый источник тока, первый, второй и третий управляемые ключи и интегратор, первый выход которого подключен к первому контакту второго управляемого ключа, а вход соединен с вторым контактом первого управляемого ключа, первый контакт которого подключен к выходу детектора, причем управляющие входы одноименных ключей измерительных каналов через соответствующие первый, второй и третий входы измерительных каналов соединены и подключены соответственно к одноименным выходам блока управления, четвертый выход которого через четвертый вход измерительного канала соединен с токозадающими входами управляемых источников тока обоих измерительных каналов, выход управляемого источника тока каждого канала соединен с входом схемы сравнения, вторым контактом второго управляемого ключа и первым контактом третьего управляемого ключа, второй контакт которого соединен с вторым выходом интегратора, выход направленного ответвителя подключен к входу детектора, при этом первый вход блока измерения частоты через второй выход измерительного канала подключен к выходу направленного ответвителя одного из измерительных каналов, второй вход соединен с входом синхронизации измерителя и первым входом блока управления, второй вход которого подключен к выходу блока измерения частоты, а выход генератора тактовой частоты соединен через пятый вход измерительного канала с тактовыми входами преобразователей временной интервал код каждого канала и третьим входом блока управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоизмерений и, в частности, может быть использовано для измерения проходящей мощности и коэффициента бегущей волны (КБВ) в антенно-фидерных трактах передающих устройств.

Известно устройство для измерения мощности, содержащее направленные ответвители падающей и отраженных волн, нагруженные на встречно-параллельно включенные диоды, выходы которых соединены с соответствующими обкладками конденсаторов и с соответствующими выводами переменных резисторов, и вольтметр, подключенный к подвижным контактам переменных резисторов [1]

Недостатками аналога являются: невозможность измерения проходящей мощности при работе генератора в импульсном режиме; низкая точность измерений в диапазоне частот; невозможность использования для измерения КБВ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является измеритель проходящей мощности, содержащий рефлектометр и коммутатор нагрузок, к двум выходам которого подключены реальная нагрузка и ее согласованный эквивалент, а к каждому из двух направленных ответвителей рефлектометра, один из которых ориентирован на выделение напряжения падающей волны, а другой на выделение напряжения отраженной волны, подключены последовательно соединенные частотный выравниватель и детектор, а выходы обоих детекторов и выход кода частоты генератора, являющегося источником измеряемой мощности, подключены к соответствующим входам микроЭВМ, и эталонный детектор, вход которого соединен с выходом генератора, а выход с дополнительным входом микроЭВМ, и коммутатор направленного рефлектометра, первый выход которого подключен к выходу генератора, второй выход к коммутатору нагрузок, а остальные два выхода к двум выходам рефлектометра.

Недостатками этого измерителя проходящей мощности являются:

1) невозможность прямого измерения быстро меняющейся проходящей мощности при работе генератора в режиме импульсной и широкополосной амплитудной модуляции, в особенности при модуляции одиночными импульсами (схема не обеспечивает измерения в строго определенные моменты времени и в течение коротких временных интервалов);

2) невозможность измерения проходящей мощности при отсутствии у генератора выхода кода рабочей частоты (коррекция АЧХ измерительных каналов осуществляется по коду рабочей частоты, поступающему на измеритель проходящей мощности с выхода генератора).

При создании предлагаемого устройства ставилась задача расширения функциональных возможностей измерителей проходящей мощности, включающая:

1) измерение проходящей мощности и КБВ при работе генератора в режиме импульсной и широкополосной амплитудной модуляции;

2) измерение проходящей мощности и КБВ коротких одиночных радиоимпульсов;

3) исключение необходимости ввода в измерение информации о рабочей частоте измеряемой проходящей мощности и КБВ при проведении измерений в диапазоне частот;

4) возможность получения на выходе устройства цифровых управляющих сигналов с программируемой зависимостью их "мгновенного" значения от КБВ или проходящей мощности для использования в системе автоматического регулирования генераторов в реальном времени.

Поставленная задача решается следующим образом.

В измеритель проходящей мощности, содержащий измерительные каналы падающей и отраженной волн (1, 2), в каждый из которых входят направленный ответвитель 3 (4) и детектор 5 (6), введены блок измерения частоты 9, блок управления 10, генератор тактовой частоты 8 и в каждый измерительный канал падающей 1 и отраженной 2 волн последовательно соединенные схемы сравнения 11 (12), преобразователь временной интервал-код 13 (14), выход которого является выходом измерительного канала 1 (2), а также управляемый источник тока 15 (16), первый, второй и третий ключи 17-19 (20-22) и интегратор 23 (24). Первый выход интегратора 23 (24) является первым выходом накопительного элемента интегратора. Второй выход интегратора 23 (24) является вторым выходом накопительного элемента, который в общем случае подключен к земле внутри интегратора.

Первый выход интегратора 23 (24) подключен к первому контакту второго управляемого ключа 18 (21), а вход соединен с вторым контактом первого управляемого ключа 17 (20), первый контакт которого подключен к выходу детектора 5 (6). Управляющие входы одноименных ключей 17-19 (20-22) измерительных каналов 1, 2 через соответствующие первый, второй и третий входы измерительных каналов соединены и подключены соответственно к одноименным выходам блока управления 10, четвертый выход которого через четвертый вход измерительного канала соединен с токозадающими входами управляемых источников тока 15 (16) обоих измерительных каналов 1, 2. Выход управляемого источника тока 15, 16 каждого измерительного канала 1, 2 соединен с входом схемы сравнения 11, 12, вторым контактом второго управляемого ключа 18, 21 и первым контактом третьего управляемого ключа 19 (22), второй контакт которого соединен с вторым выходом интегратора 23 (24). Выход направленного ответвителя 3 (4) подключен к входу детектора 5 (6), при этом первый вход блока измерения частоты 9 через второй выход измерительного канала 1 (2) подключен к выходу направленного ответвителя 3 (4) одного из измерительных каналов 1 (2), второй вход соединен с входом синхронизации устройства и первым входом блока управления 10, второй вход которого подключен к выходу блока измерения частоты 9, а выход генератора тактовой частоты 8 соединен через пятый вход измерительного канала 1 (2) с тактовыми входами преобразователей временной интервал-код 13 (14) каждого канала 1, 2 и третьим входом блока управления 10.

Измерение проходящей мощности и КБВ при работе генератора 8 в режиме импульсной и широкополосной амплитудной модуляции и при измерении коротких одиночных радиоимпульсов обеспечивается применением схемы выборки запоминания амплитуды, состоящей из введенных детекторов 5 (6), интеграторов 23 (24), управляемых ключей 17-19 (20-22) в сочетании со схемой управления, а также использованием преобразования амплитуда-код, состоящего из управляемых источников тока 15 (16), схем сравнения 11 (12) и преобразователей временной интервал-код 13 (14), работающих по командам от той же схемы управления.

При этом управляемый источник тока 15 (16) по кодам, формируемым блоком управления 10, одновременно с преобразованием амплитуда-код обеспечивает программируемую коррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измерительного канала 1 (2).

Исключение необходимости ввода в предлагаемое устройство извне информации о рабочей частоте проходящей мощности во время выборки-запоминания обеспечивается блоком измерения частоты 9.

Возможность получения на выходе устройства цифровых управляющих сигналов с программируемой зависимостью их "мгновенного" значения от КБВ или проходящей мощности обеспечивается вычислительным устройством 7 путем преобразования "мгновенного" значения кодов на выходах измерительных каналов 1 (2) падающей и отраженной волн по заданному закону.

На фиг.1 изображена структурная схема цифрового измерителя мощности; на фиг. 2 временная диаграмма работы цифрового измерителя мощности; на фиг.3 функциональная схема блока управления, входящего в состав цифрового измерителя мощности; на фиг.4 временная диаграмма работы блока управления.

Цифровой измеритель проходящей мощности и КБВ состоит из измерительных каналов 1 падающей и отраженной 2 волн, вычислительного устройства 7, входы которого подключены к выходам измерительных каналов 1 (2), а также генератора тактовой частоты 8, блока измерения частоты 9 и блока управления 10.

Каждый измерительный канал 1 (2) содержит последовательно соединенные направленный ответвитель 3 (4) и детектор 5 (6) и последовательно соединенные схему сравнения 11 (12) и преобразователь временной интервал-код 13 (14), выход которого является выходом измерительного канала 1 (2), а также управляемый источник тока 15 (16), первый, второй и третий управляемые ключи 17, 18, 19 (20, 21, 22) и интегратор 23 (24), первый выход которого является первым выходом накопительного элемента интегратора, а второй выход вторым выходом накопительного элемента, который в общем случае подключен к земле внутри интегратора 23 (24), при этом первый выход интегратора 23 (24) подключен к первому контакту второго управляемого ключа 18 (21), вход к второму контакту первого управляемого ключа 17 (20), первый контакт которого подключен к выходу детектора 5 (6).

Управляющие входы одноименных ключей 17, 18, 19 (20, 21, 22) измерительных каналов 1 (2) через соответствующие первый, второй и третий входы измерительных каналов соединены и подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам блока управления 10, четвертый выход которого через четвертый вход измерительного канала 1 (2) соединен с токозадающими входами управляемых источников тока 15 (16) обоих измерительных каналов 1 (2), а выход управляемого источника тока 15 (16) каждого канала соединен с входом схемы сравнения 11 (12), вторым контактом второго управляемого ключа 18 (21) и первым контактом третьего управляемого ключа 19 (22), второй контакт которого соединен с вторым входом интегратора 23 (24). Выход направленного ответвителя 3 (4) подключен к входу детектора 5 (6), при этом первый вход блока измерения частоты 9 через второй вход измерительного канала 1 (2) подключен к выходу направленного ответвителя 3 (4) одного из измерительных каналов 1 (2), а второй вход блока измерения частоты 9 соединен с входом синхронизации устройства и первым входом блока управления 10, второй вход которого подключен к выходу блока измерения частоты 9.

Выход генератора тактовой частоты 8 через пятый вход измерительного канала 1 (2) соединен с тактовыми входами преобразователей временной интервал-код 13 (14) каждого измерительного канала 1 (2) и третьим входом блока управления 10.

Блок измерения частоты 9 может быть реализован, например, по схеме электронно-счетного частотомера (см. справочник Измерения в электронике./Под ред. д.т.н. проф. В.А. Кузнецова, М. Энергоатомиздат, 1987, с.258, рис.7.4). При использовании в этой схеме управляемого формирователя времени счета, который запускается внешним синхроимпульсом, или по схеме развертывающего преобразователя с фиксированным приращением фазы сигнала опорной частоты и абсолютной выходной величиной (см. Мартяшин А.И. Шахов Э.К. Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения, М. Энергия, 1976, с.212, 213, рис.4-9).

Управляемые ключи могут быть построены на быстродействующих коммутаторах напряжения, например, на микросхемах серии 590, полевых транзисторах и т.п.

Вычислительное устройство может быть построено на преобразователях кодов, реализованных на микросхемах ПЗУ (см. Пухальский Г.И. Новоильцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах, М. Радио и связь, 1990).

Блок управления может быть построен по схеме, изображенной на фиг.3, содержащей ПЗУ 25, три триггера 26, 27, 28, счетчик 29 и дешифратор 30. Вход ПЗУ 25 является вторым входом блока управления 10, а выход четвертым выходом блока управления 10. R-вход счетчика 29 соединен с прямым выходом первого триггера 26, а С-вход является третьим входом блока управления 10, n-выходы соединены с n-входами дешифратора 30, первый выход которого подключен к R-входу второго триггера 27, а второй к R-входам первого 26 и третьего 28 триггеров. Инверсный выход третьего триггера 28 является третьим выходом блока управления 10, а С-вход подключен к инверсному выходу второго триггера 27, который является вторым выходом блока управления 10. Причем прямой выход второго триггера 27 является первым выходом блока управления 10, а его С-вход соединен с С-входом первого триггера 26 и является первым входом блока управления 10.

Предлагаемая схема может быть реализована на микросхемах ТТЛ или ЭСЛ серий.

Цифровой измеритель проходящей мощности и КБВ работает следующим образом и описывается на примере работы измерительного канала 1 падающей волны, так как измерительный канал отраженной волны работает аналогичным образом.

Напряжение с направленного ответвителя 3 (фиг.2 а), с амплитудой, пропорциональной амплитуде напряжения падающей волны в фидерном тракте, поступает на вход детектора 5 и на первый вход блока измерения частоты 9.

Начало измерения задается импульсом СИ (фиг.2 b), поступающим от внешнего устройства на вход синхронизации цифрового измерителя проходящей мощности, а с него на второй вход блока измерения частоты 9 и первый вход блока управления 10. По фронту импульса "СИ" блок управления 10 формирует импульсы, управляющие ключами 17, 18, 19 (фиг.2, с, d, e).

Принцип работы блока управления 10 описан ниже.

На временной диаграмме (фиг.2) уровню управляющего сигнала "лог.1" соответствует замкнутое положение ключа, уровню "лог.0" разомкнутое.

По сигналам с первого и второго выходов блока управления 10 (фиг.2, с, е) первый ключ 17 замыкается, а второй ключ 18 размыкается, и накопительный элемент интегратора 23 начинает заряжаться током с выхода детектора 5 (фиг. 2, f) в течение времени t1, задаваемого блоком управления 10, до уровня, пропорционального амплитуде напряжения на выходе направленного ответвителя 3.

Одновременно с интегрированием сигнала по фронту импульса СИ блок измерения частоты 9 начинает измерение рабочей частоты сигнала на выходе направленного ответвителя 3, по окончании которого значение рабочей частоты с выхода блока измерения частоты 9 поступает на второй вход блока управления 10, которое преобразует его в код коррекции АЧХ измерительного канала 1.

Код коррекции АЧХ с четвертого выхода блока управления 10 поступает на токозадающий вход управляемого источника тока 15.

Через время t₁ от момента начала заряда накопительного элемента интегратора 23 блок управления 10 формирует на первом, втором и третьем выходах сигналы (фиг. 2 c, d, e), по которым первый ключ 17 и третий ключ 19 размыкаются, а второй ключ 18 замыкается. В результате выход интегратора 23 (накопительный элемент) подключается к выходу управляемого источника тока 15 и первому входу схемы сравнения 11, на второй вход которой подается напряжение с уровнем U_пор. При этом, так как уровень напряжения от интегратора на первом входе схемы сравнения 11 превысит уровень U_пор, выход схемы сравнения 11 перейдет из состояния логический "0" в состояние логической "1" (фиг.2, g), формируя фронт выходного импульса преобразователя временной интервал-код 13, а накопительный элемент интегратора 23 начинает разряжаться управляемым источником тока 15. Выходной ток этого источника определяется кодом коррекции АЧХ измерительного канала 1 (фиг.2, f), который формируется до начала разряда накопительного элемента интегратора 23.

В момент, когда напряжение на выходе интегратора 23 становится равным U_пор, схема сравнения 11 переходит из состояния логической "1" в состояние логического "0". Таким образом, формируется срез входного импульса преобразователя временной интервал-код 13 (фиг.2, g). Очевидно, что длительность полученного импульса пропорциональна амплитуде напряжения на входе измерительного канала 1 (амплитуде напряжения падающей волны в фидерном тракте).

Затем по команде от блока управления 10 через интервал времени, больший, чем максимально возможная длительность импульсов на входе преобразователя интервал-код 13, третий ключ 19 замыкается, закорачивая накопительный элемент интегратора 23. После его разряда интегратор 23 переходит в исходное состояние.

По фронту импульса с выхода схемы сравнения 11, поступающего на вход преобразователя время-код 13, в нем начинается счет тактовых импульсов, прекращаемый в момент среза этого импульса. Суммарное количество отсчитанных импульсов преобразуется в код падающей волны К_п, значение которого определяется соотношением

К_п R₁U_п, (1) где R₁ коэффициент передачи измерительного канала 1;

U_п амплитуда напряжения падающей волны.

Аналогичным образом на выходе измерительного канала 2 формируется код отраженной волны К_о, значение которого определяется соотношением:

К_о R₂U_о (2) где R₂ коэффициент передачи измерительного канала 2;

U_о амплитуда напряжения отраженной волны.

Код падающей волны К_п с выхода измерительного канала 1 поступает на первый вход вычислительного устройства 7, на второй вход которого поступает код отраженной волны К_о с выхода измерительного канала 2. Вычислительное устройство 7 по кодам, поступающим на его входы, вычисляет значение проходящей мощности (Р) и КБВ по формулам

Р Р_п Р_о, (3) где Р_п мощность падающей волны;

Р_о мощность отраженной волны.

P_п= (4) где R_н сопротивление нагрузки фидерного тракта.

P_o= (5)

P (6)

КБВ

(7)

Очевидно, что при вычислении заданных функциональных зависимостей f(P), f(КБВ) цифровых управляющих сигналов, формулы (6) и (7), по которым происходит обработка информации в вычислительном устройстве 7, заменяются формулами (8) и (9)

f(P) f

(8)

f(КБВ) f

(9)

Функциональная схема блока управления 10 изображена на фиг.3, а временная диаграмма его работы на фиг.4.

Блок управления 10 работает следующим образом.

При включении питания триггеры 26, 27, 28 устанавливаются в положение логического "0" (на функциональной схеме, для упрощения, цепь установки блока управления при включении питания не показана), при котором их прямые выходы находятся в состоянии логического "0".

По переднему фронту импульса СИ (фиг.3, а) первый 26 и второй 27 триггеры записывают логическую "1", подаваемую на их D-входы. В результате на прямых выходах первого 26 и второго 27 триггеров формируются логические "1", а на инверсных выходах логические "0" (фиг.4, b, c, d), и на первом выходе схемы управления формируется сигнал с уровнем логической "1", на втором с уровнем логического "0", а также сигнал с уровнем логической "1" поступает на R-вход счетчика 29 и он начинает считать импульсы, поступающие на его С-вход с третьего входа блока управления 10 (выхода генератора тактовой частоты). Через время t1, после начала счета, когда на выходах счетчика 29 появится соответствующий код, на первом выходе дешифратора 30 появится импульс отрицательной полярности, устанавливающий второй триггер 27 в состояние логического "0" (фиг.4, f).

Таким образом происходит формирование управляющих сигналов на первом и втором выходах блока управления 10.

Также при этом в третьем триггере 28 по фронту импульса, поступающего на него с инверсного выхода второго триггера 27, происходит запись логической "1",

подаваемой на его D-вход (фиг.4, d). В результате на инверсном выходе третьего триггера 28 появляется сигнал с уровнем логического "0".

Через время t1 + t2 (фиг.4, g) после начала счета на втором выходе дешифратора 30 появляется импульс отрицательной полярности, устанавливающий первый 26 и третий 28 триггеры в состояние логического "0".

Таким образом происходит формирование управляющего сигнала на третьем выходе схемы управления и установка схемы в исходное состояние.

Следующий цикл формирования управляющих сигналов схемой управления начнется с приходом очередного импульса СИ.