МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО «КубГУ»)
Физико-технический факультет
Кафедра оптоэлектроники
Допустить к защите в ГЭК
_____ . _____ . 2016 г.
Заведующий кафедрой
д-р техн. наук, профессор
_______________Н. А. Яковенко
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
БАКАЛАВРА
РАЗРАБОТКА ВЕКТОРНОГО ВОЛЬТМЕТРА
Работу выполнил _______________________ Моисейкин Евгений Васильевич
Направление 11.03.01 Радиотехника
Научный руководитель
преподаватель___________________________________________ Д. Р. Фролов
Нормоконтролер инженер______________________________ И. А. Прохорова
Краснодар 2016
Реферат
Выпускная квалификационная работа 69 с., 24 рис., 2 табл., 29 источников, 4 прил.
ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР, ИЗМЕРЕНИЕ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, КОМПЛЕКСНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ
Объектом разработки данной выпускной квалификационной работы является векторный вольтметр, устройство для измерения комплексного коэффициента передачи по напряжению четырехполюсников.
Целью работы является разработка векторного вольтметра, измеряющего комплексный коэффициент передачи по напряжению четырехполюсников на частоте 278 кГц.
Областью применения разработанного векторного вольтметра является измерение комплексных коэффициентов передачи в устройстве для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения нелинейных СВЧ-устройств с преобразованием частоты.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы были разработаны структурная, принципиальная схемы и печатная плата векторного вольтметра, написана управляющая программа для микроконтроллера, создан виртуальный прибор в среде LABView, сконструирован действующий макет и проведены испытания.
Содержание
Обозначения и сокращения
АЦП
|
аналогово-цифровой преобразователь
|
ВФИ
|
внешний физический интерфейс
|
ГКЧ
|
генератор качающейся частоты
|
ККП
|
комплексный коэффициент передачи
|
ЛУ
|
логарифмический усилитель
|
МК
|
микроконтроллер
|
ОУ
|
операционный усилитель
|
ФВ
|
фазовращатель
|
ФД
|
фазовый детектор
|
ФНЧ
|
фильтр низкой частоты
|
|
измеренное значение отношения амплитуд двух исследуемых сигналов
|
|
измеренное значение разности фаз между двумя исследуемыми сигналами
|
Введение
Радиосигналы СВЧ-диапазона с фазовой модуляцией и детектированием широко применяются для навигации и наведения летательных аппаратов, т.е. при создании фазированных антенных решеток и в системах радиолокации, использующих эффект Доплера. В радиосистемах СВЧ, использующих фазовые методы управления и передачи информации, в подавляющем большинстве случаев применяют гетеродинное преобразование частоты. Главным элементом устройств для преобразования частоты является их нелинейный элемент – СВЧ-смеситель, который вносит амплитудно-фазовые искажения в преобразуемые с его помощью радиосигналы, несущие информацию. Такие искажения невозможно оценить и устранить без знания фазовых сдвигов, вносимых СВЧ-смесителем в преобразуемый по частоте входной СВЧ-сигнал. Однако этот сигнал и выходной сигнал промежуточной частоты СВЧ-смесителя лежат в разных диапазонах частот, следовательно, никакими традиционными способами измерить их фазовый сдвиг невозможно.
В последнее время широкое распространение получили способы и реализующие их приборы для измерений комплексных коэффициентов передачи таких СВЧ-устройств с гетеродинным преобразованием частоты. Из-за нелинейности вольтамперной характеристики смесительного элемента (полупроводникового диода) в нем возникают нелинейные сдвиги фаз, существенно искажающие преобразованный сигнал промежуточной частоты. Широкое применения для измерений и вычислений фазовых сдвигов СВЧ-смесителей получили способы, основанные на измерении суммы и разности сдвигов фаз двух смесителей, и суммы сдвигов фаз трех смесителей, один из которых испытуемый, с последующим вычислением истинного сдвига фаз этого смесителя. Однако в обоих способах для реализации рабочих режимов измерений требуется делать до восьми переключений в диапазоне СВЧ. При этом каждое такое переключение вносит погрешность в измерения, что приводит к существенным ошибкам. [1]
Поиски путей повышения точности измерений ККП СВЧ-смесителей привели к разработке нового метода, основанного на использовании анализатора СВЧ-цепей, разработанного в Кубанском государственном университете [2,3]. Принцип работы анализатора СВЧ-цепей известен и заключается в попарном сравнении в векторном вольтметре амплитуд и фаз сигналов, поступающих с выходов вторичных каналов направленных ответвителей [4]. Такое построение анализатора позволяет измерять коэффициенты передачи и отражения любого испытуемого СВЧ-четырехполюсника. Устройство, построенное на таком методе, позволяет измерять полный комплект S-параметров испытуемых четырехполюсников, таких как СВЧ-смесители. К тому же, по сравнению с аналогичными способами, данный метод имеет существенно меньшие погрешности и более высокую точность за счет исключения СВЧ переключений и пересоединений в процессе измерений. [5]
Целью данной работы является изучение принципов работы и разработка векторного вольтметра – устройства для измерения ККП по напряжению четырехполюсников – для использования в составе разрабатываемого в Кубанском государственном университете устройства для измерения ККП и отражения нелинейных СВЧ-устройств с преобразованием частоты.
При этом необходимо решить следующие задачи:
– Рассмотреть методы измерения разности фаз и отношения амплитуд;
– Разработать схему векторного вольтметра;
– Собрать и испытать макет векторного вольтметра.
1Базовая теория векторного вольтметра
Векторным вольтметром называется устройство для измерения ККП по напряжению четырехполюсников. ККП по напряжению называется отношение выходного комплексного напряжения четырехполюсника ко входному комплексному напряжению. Известно [6], что комплексным напряжением называется представление амплитуды и мгновенной фазы гармонического сигнала с помощью комплексного числа.
Мгновенные значения комплексных напряжений входного  и выходного  сигналов с одинаковой круговой частотой  в показательной форме имеют вид:
|
|
(1)
|
где  – амплитуды входного и выходного сигналов,
 – их начальные фазы.
Тогда, согласно определению, ККП  можно вычислить по формуле:
|
|
(2)
|
Таким образом, для нахождения ККП при заданной круговой частоте достаточно измерить отношение амплитуд сигналов и разность фаз между ними. Модулем ККП является отношение действительных амплитуд сигналов, а аргументом ККП – разность их фаз. При измерении ККП в диапазоне частот модуль  называется амплитудно-частотной характеристикой, аргумент – фазочастотной характеристикой. [7]
Для удобства вычислений, амплитуды сигналов представляют в логарифмическом масштабе (в децибелах), что, как известно, позволяет упростить арифметические операции, заменяя операции умножения и деления на операции сложения и вычитания. Тогда формула (2) примет вид
|
|
(3)
|
ККП, как и комплексные амплитуды сигналов, может быть представлен на векторной диаграмме (см. рисунок 1).
– вектор ККП по напряжению, и – вектора входного и выходного комплексного напряжения четырехполюсника с круговой частотой в произвольный момент времени,  – разница фаз между ними.
Векторная диаграмма ККП в логарифмическом масштабе
2Методы измерения разности фаз и отношения амплитуд двух сигналов
2.1Методы измерения разности фаз
Значение разности фаз используется для количественной оценки времени запаздывания при прохождении сигнала через электрическую цепь, т.к. фаза и время линейно зависимы. Точность измерений разности фаз, в зависимости от поставленной задачи, может быть весьма различной: от грубых измерений с погрешностью в несколько градусов, до весьма точных измерений с погрешностью около сотой части градуса.
Обычно измерение разности фаз проводят для двух гармонических сигналов с одинаковыми частотами. Сигналы называются синфазными если разница фаз между ними равна нулю, противофазными, если равна  и находящимися в квадратуре, если равна  . Для измерения разности фаз используются приборы, называемые фазометрами.
Для измерения разности фаз используют методы измерений следующих типов: цифровые, с преобразованием частоты, осциллографические, компенсационные, преобразующие разницу фаз во временной интервал, по геометрический сумме и разности напряжений. [8] Измерения разности фаз с использованием различных методов могут проводиться в диапазоне от инфразвуковых до высоких частот.
Метод линейной развертки используется при наблюдении на экране одновременно двух сигналов. Сигналы подаются на оба канала осциллографа, а затем с экрана снимаются осциллографа период и сдвиг сигналов во времени и вычисляют разницу фаз по отношению сдвига сигналов к их периоду.
Погрешность при данном времени составляет  и вызвана нелинейностью развертки, неточностью замера интервалов, а также ошибками определения положения оси времени.
Метод синусоидальной развертки или эллипса реализуется с помощью однолучевого осциллографа при подаче одного сигнала на вход Y, а второго – на вход X отклонения луча. При этом генератор развертки осциллографа должен быть выключен. На экране осциллографа будет наблюдаться прямая линия, если разность фаз равна нулю, и эллипс, если разность фаз отличная от нуля. Для указанного эллипса находят значение  в точке пересечения с осью  и амплитуду (максимальное отклонение луча по оси , обозначаемую как  . Искомая разница фаз в радианах будет равна арксинусу отношения  и .
Погрешность измерения разности фаз данным методом составляет  и зависит от точности измерения длин отрезков, размера осциллограммы и точности фокусировки луча на экране осциллографа. Чем ближе измеряемый сдвиг фаз к нулю или к  , тем больше их влияние.
Метод круговой развертки позволяет измерять разницу фаз практически в пределах  . Генератор развертки осциллографа предварительно выключается, и на входы Y и X подаются первый исследуемый сигнал и сигнал, сдвинутый относительно первого на 90° с помощью ФВ. При одинаковом отклонении электронного луча на экране осциллографа будет наблюдаться осциллограмма в виде окружности. Исследуемые сигналы подаются на входы идентичных формирователей, выдающих короткие импульсы при прохождении напряжения колебания через нулевое значение при его возрастании, которые затем объединяются друг с другом с помощью логического элемента ИЛИ. Объединенный импульсный сигнал подается на вход Z управления яркостью луча осциллографа. В результате на окружности осциллографа появляются две точки повышенной яркости. Затем, используя, например, транспортир, измеряют угол между этими двумя точками относительно центра окружности, что и будет искомой разностью фаз.
На погрешность измерения разности фаз таким методом влияет точность формирования окружности, точность определения ее центра, степень идентичности порога срабатывания формирователей и точность измерения угла с помощью транспортира.
Компенсационный метод также называется нулевым методом измерений и является разновидностью метода сравнения. Измеряемая разность фаз сравнивается с известным фазовым сдвигом, создаваемым мерой – образцовым ФВ. ФВ соединяется последовательно с индикатором равенства фаз (например, с осциллографом с отключенным генератором развертки). С помощью образцового ФВ вносится дополнительный сдвиг до тех пор, пока фазы сигналов не окажутся равны. Затем искомая разность фаз считывается со шкалы образцового ФВ.
Компенсационный метод имеет высокую точность измерений. Погрешность измерений зависит в основном от погрешности шкалы образцового ФВ и составляет (0,1…0,2)°.
|
