CC BY
33
ТЕХН1КА ТА ПРИСТРО1 НВЧ Д1АПАЗОНУ.
АНТЕННА ТЕХН1КА
УДК 621.317.7(088.8)
МЕТОД П1ДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТ1 КАЛОРИМЕТРИЧНОГО ВИМ1РЮВАЧА НВЧ ПОТУЖНОСТ1
Водотовка В.1., Свко 1.Г.
Розглянуто один 1з перспективных шлях1в тдвищення точност1 калориметрично-го вим1рювача НВЧ потужност1. Наведена конкретна реалгзацгя калориметра НВЧ, який працюе за даним методом.
Вступ
Для вимiрювання НВЧ потужност одночасно з шструментальними за-собами вимiрювань застосовуються калориметри, в яких використовуеться ПЕОМ для корекци похибок аналiтичними методами та управлшня вимi-рювальним процесом.
Так, наприклад, метод цiлеспрямованих впливiв вимiрювання фiзич-них величин, який використовуе вщ'емний зворотний зв'язок, вимiрювану величину урiвноважуе величиною, яка рiвна 11 зворотно перетвореному значенню. Перевагою цього методу, як вщомо, е зменшення мультиплжа-тивно! похибки прямого перетворення. Але, адитивна похибка при цьому не зменшуеться. Крiм того, умова стшкост в багатьох випадках може стати межею збiльшення значення добутку чутливостей прямого та зворотно-го перетворення для корекци мультиплжативно! похибки. Деяк фiзичнi величини, що не мають векторно! спрямованостi, не можуть вимiрюватися даним методом, оскiльки для них не можна виконати операщю вщшман-ня. Так, наприклад, в методах запропонованих в [1] не придшяеться нале-жно! уваги компенсаци втрат потужностi через випромiнювання та конве-кцiю в оточуюче середовище.
Постановка задачi
Огляд сучасних методiв вимiрювання фiзичних величин показуе, що актуальним е побудова такого методу, який може використовуватись як для вимiрювання фiзичних величин, що мають векторну спрямовашсть, так i для тих величин, що не мають 11, наприклад, НВЧ потужшсть [2,3].
Основна вимога, якiй мае вщповщати такий метод, - швидкодiя вимь рювання повинна бути вищою, нiж швидкiсть впливу фактору, який деста-бiлiзуе функцiю вимiрювального перетворення, на протязi часу вимiрюва-льного циклу.
Сутшсть ви|мшення задачi
Для того, щоб зрозумiти суть методу, розглянемо функщональну схему НВЧ калориметра (див. рис. 1).
Рх
_К2.1 Б2
-1 к2 |—
зпппе:
РАМ
СО
СР
ПЕОМ
Рис.1. Функцiональна схема НВЧ калориметра
Калориметр складаеться iз двох контурiв управлiння, перший з яких, мае загальну гiлку - калориметричне навантаження Н1, послiдовно вклю-ченi диференцшну термопару Т, диференцiйний пiдсилювач ДП1 та шдси-лювач потужностi ПП1, навантажений на термобатарею ТБ. Другий контур, ^м загально! гшки, включае в себе послiдовно включеш параметрич-ний двопозицiйний модулятор М1, який змiнюе свiй коефiцiент передачi за допомогою ланки управлiння - ПЕОМ, загальна шина ЗШ, перемикач £1 i
реле К1, другий диференцшний шдсилювач ДП2, шдсилювач потужностi ПП2, аналого-цифровий перетворювач АЦП1, параметричний двопозицш-ний модулятор М2, який змшюе коефщент передачi за допомогою ланки управлшня ПЕОМ, ЗШ, перемикач Б2 i реле К2, до виходу якого, шдклю-чений електронагрiвач ЕН1 i аналого-цифровий перетворювач АЦП2, в цей контур також входить цифро-аналоговий перетворювач ЦАП1, що за-дае робочу точку термобатаре! ТБ. Вихщним сигналом е напруга на пара-метричному модуляторi М2. Керування ЦАП1, АЦП1, АЦП2 здiйснюеться ПЕОМ через загальну шину.
Реалiзацiя методу шдвищення точностi калориметричного вимiрювача полягае в наступному. Потужшсть НВЧ сигналу розсшеться в калоримет-ричному навантаженнi Н1. Диференцiйна термопара Т фiксуе рiзницю температур мiж стiнкою калориметричного навантаження i оточуючим сере-довищем, задае через диференцiйний пiдсилювач ДП1 режим роботи шд-силювача потужност ПП1, який навантажений на охолоджувальну термобатарею ТБ. Напруга з ДП1 також йде на ДП2, де вона порiвнюеться з на-пругою управлiння, яка задаеться ЦАП1 за допомогою ПЕОМ. На виходi ДП2 отримуемо рiзницю напруг мiж двома вказаними вище напругами, яка шдсилюеться пiдсилювачем ПП2 i через параметричний модулятор М2 подаеться на електрона^вач ЕН1. АЦП1 слугуе для контролю струму на виходi ПП2, що в свою чергу дае змогу коригування ПЕОМ напруги управлшня через ЦАП1. АЦП2 використовуеться для перетворення напруги, яка розсшеться на опорi електрона^вача ЕН1 Я1. Параметричш моду-лятори М1, М2 представляють собою подiльники з високоточних постш-них резисторiв (рис.2).
в1дДП1
М1
11 I
К2 КЗ
•"б '
до ДП2
Г
М2
до АЦП1
Г
Рис.2. Електрична схема параметричних модуляторiв М1 та М2.
Елементи функщонально! схеми ДП1, М1, ДП2, ПП2, М2 утворюють замкнений контур з позитивним зворотним зв'язком. Коефщенти прямого перетворення цього контуру К,К' i коефщенти зворотного зв'язку в,в',
як вщповщають позищям параметричних модуляторiв М1 i М2 „а" i „б" дорiвнюють:
К = К1 • К 2 • К3 • К 4 • К 5; —
К' = К1 • К 2 К 3—-Чг • К 4 • К5 = Чк ' К ;
—2 + —3
в = = —1 + —5
(1)
Р1 ^ + —5 + —4
— = = ^___+ ^5 = ^ — ,
—1 + —5 + —4 —1 + —5 —1 + —5 + —4 Р
де К1 = Квтр (1 - |Г|2) - коефщент перетворення калориметричного наван-таження Н1, при цьому Квтр - коефщент втрат НВЧ потужностi на стiнках калориметричного навантаження Н1, |Г| - модуль коефщента вiдбиття калориметричного навантаження Н1; К2- коефщент чутливостi диферен-цшно! термопари Т; К3- коефщент пiдсилення диференцiйного шдсилю-
вача ДП1; К4- коефщент пiдсилення диференцiйного пiдсилювача ДП2;
—
К 5 — коефщент передачi пiдсилювача потужностi ПП2; чк =-3--ко-
—2 + —3
ефщент передачi параметричного модулятора М1 в позици „б", при цьому —2,—3 - опiр резисторiв М1 (див. рис.2); Рн- потужнiсть розсшвання еле-
ктронагрiвача ЕН1 в позици „а" параметричного модулятора М2; Р1- вихь
дна потужнiсть пiдсилювача потужност ПП2 в позици „а" параметричного
модулятора М2; Ч—= — = ——1— - коефщент передачi параметричного
— — 5 + — 1
модулятора М2 в позици „б", при цьому —15 —5, —4 - отр резисторiв М2 (див. рис.2).
Замкнений вимiрювальний контур в позици „а" параметричних моду-ляторiв М1, М2 при чК = 1 описуеться математичною залежнiстю, яка вщ-повщае обходу контуру в напрямку: шдсилювач потужносл ПП2, параме-тричний модулятор М2, електронагрiвач ЕН1, диференцiйна термопара Т, диференцшний пiдсилювач ДП1, параметричний модулятор М1, диферен-цiйний пiдсилювач ДП2, (див. рис.1,2,3), i мае вигляд
(РнВЧ + Л ■ в) • Кк + (Рзм + РотоЧ ) • К4 • К5 = Р1, (2)
К ■ К ■ К
де КЕКВ = 1—к1 к2 К в ^ К4 ^ К5 - сумарний коефщент передачу
в1 = К6(П - /ТБ ) - коефiцiент вiд'емного зворотного зв'язку контуру Т-ДП1-ПП1-ТБ; 1ТБ,ЯТБ - струм та отр термобатаре!, вiдповiдно; К6-коефщент пiдсилення ПП1; П - коефщент Пельт'е.
Рис.3. Структурна схема НВЧ калориметра З виразу (2) вихщна потужшсть ПП2 в момент часу дорiвнюе
р(^ ) = кекв ' рнвч + (рзм + р оточ ) ■ к4 ■ К5 (3)
1 - кекв ■ в
Позици „б" параметричного модулятора М1, „а" М2 вщповщае насту-пне значення вихщно! потужностi ПП2 в момент часу t2:
р(+ ) = кекв ' як ' рнвч + (рзм + роточ ) ■ к4 ■ К5 (4)
1-К ■В^Я
1 ^екв Н чк
Позици „а" М1, „б" М2 вщповщае значення вихщно! потужностi ПП2 у момент часу t3:
Р(^ ) = кекв ' рнвч + (рзм + роточ ) ■ к4 ■ К5 (5)
1 - кекв ■в ■
при дк = Яр = я , що виконуеться у випадку, коли
—3 — 1
—2 + —3 —1 + —5
i при умов^ що величини ч, РЗМ, РОТОЧ та величина (К1 • К2 • К3 • К4 • К5) на протязi короткого часу циклу вимiрювання залишаються незмшними, ви-рази (3) - (5) утворюють систему рiвнянь, розв'язком яко! вiдносно вимь рювано! величини РНВЧ е
Р^ = ^ - ^ • •— (6)
нвч Р(^) - р(^) W
З урахуванням того, що значення вихщно! потужностi
Р(^),Р(^2),Р((3) пiдсилювача потужностi ПП2 визначаеться через вщ-
повiднi значення його вихщно! напруги и1,и2,и3 i опорiв його наван-таження [5]
и2 и2 и2
Р(0 = Р(0 = , р{4) = —, (7)
1 —1 + —5 —1 + — 5 я,
а величина РНВЧ, що вимiрюеться з урахуванням (6), (7) дорiвнюе
р = и2(и22 - и3 • ч) (8)
НВЧ и2 - и32 • ч К)
Тобто вимiрювана величина РНВЧ може бути визначена через вимiрянi значення напруги и1,и2,и3 i вiдоме значення ч . Функщя вимiрювального перетворення АЦП2 мае наступний вигляд:
иг = ^ацп2 • к5 • — 1 • чпп1 • чпп2 [К6 • ицап1 (П - 1тб ' —тб ) - рнвч - Р оточ ] ,
де и2 - напруга на виходi АЦП2; бацп2- чутливють АЦП2; чпп 1, чпп2 - ко-
ефiцiенти передачi параметричних модуляторiв М1, М2 вiдповiдно; ицАП1- напруга керування, яка подаеться з ЦАП1; РОТОЧ - сумарнi втрати
потужностi в оточуюче середовище.
До стввщношення (8) не входять нестабшьш параметри перетворення, що визначають мультиплiкативну похибку - чутливiсть диференцшно! термопари, коефiцiенти пiдсилення диференцiйних пiдсилювачiв ДП1 i ДП2, коефiцiент передачi пiдсилювача потужностi ПП2, коефiцiент шдси-лення ПП1, зсув характеристики термоелектричного охолодження РЗМ, а також сумарна потужшсть РОТОЧ.
Вимiрювальний цикл складаеться з трьох таклв, черговiсть i трива-лiсть яких визначаеться послщовшстю керуючих команд вщ ПЕОМ, якi подаються на керуючi перемикачi 51, б2 [5].
В першому робочому такт ПЕОМ встановлюе в позици „а" парамет-ричш модулятори М1, М2 i вносить в свою оперативну пам'ять значення вихщно! напруги АЦП2 и1.
У другому такл ПЕОМ встановлюе М1 в позищю „б". Значення напруги и2 запам'ятовуеться оперативною пам'яттю ПЕОМ. Модулятор М1
встановлюеться в положення „а".
У третьому тактi ПЕОМ встановлюе М2 в позищю „б". Значення напруги из запам'ятовуеться , а модулятор М2 встановлюеться в початкову позищю „а".
Шсля цього ПЕОМ, використовуючи внесет в 11 оперативну пам'ять значення напруг и1,и2,из i внесене в його постшну пам'ять значення ве-личини я , проводить обчислення вимiрюваноl величини РНВЧ i виводить результат на дисплей моштора.
Висновки
У запропонованому пристро1 вирiшена задача пiдвищення точност i швидкоди.
Пiдвищення точностi зумовлено вказаною можливютю точного визна-чення вимiрюваноl величини через кiнцевi прирости ще1 величини, при умовi, що величини д,Рзм,РОТОЧ та величина (К1 ■К2 ■ К3 ■К4 ■ К5) на про-тязi короткого часу циклу вимiрювання залишаються незмшними. З виразу (8), якщо розглянути РНВЧ як функцiю /(и1,и2,и3,д), видно, що РНВЧ величина позитивна i iснуе при всiх значеннях д >0.
Калориметр для вимiрювання НВЧ потужностi, який використовуе да-ний метод, мае таю характеристики: верхнш дiапазон вимiрювань - 3Вт, похибка на верхнш межi вимiрювань менша за ±1,5%, швидкодiя стано-вить 2 вимiрювання за хвилину. Цi показники приблизно в два рази крашд за характеристики вщомих калориметрiв для вимiрювання НВЧ потужнос-тi середнього рiвня.
На базi такого методу можуть бути реалiзованi вимiрювачi ряду фiзи-чних величин (наприклад, напруги, струму), шформащя про якi необхiдна для оргашзаци ефективного технологiчного процесу.
Лггература
1. Волков В. М. Проектирование средств измерения проходящей мощ-ности. -
Харьков: ХТУРЭ, 2000. - 160 с.
2. Земальман М.А. Автоматическая коррекция погрешности измерительных уст-
ройств. - М.: Изд-во стандартов, 1972, с. 48-51.
3. Декларацшний патент на винахщ №66199А, 001Я21/02. Калориметр для вимь
рювання середньо'х' НВЧ-потужносп. Водотовка В.1., Свко 1.Г. Бюл. №9 вщ
15.04.2004.
4. Декларацшний патент на винахщ №38413 А, G01R2/02. Калориметр для вимь
рювання НВЧ-потужностi. Водотовка В.1., Репа Ф.М. Бюл. №3 вщ 30.06.2000.
5. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э., Разработка устройств сопряже-
ния персонального компьютера типа IBM PC. // Под общей ред. Ю.В. Новикова. Практическое пособие - М.: ЭКОМ, 2002. -224 с.
Водотовка В.И., Свко ИГ. Метод повышения точности калориметрического измерителя СВЧ мощности.
Изложен перспективный метод повышения точности калориметрического измерителя СВЧ мощности. Приведена конкретная реализация калориметра СВЧ, работающего по такому методу. Определена функция измерительного преобразования, источники возникновения погрешностей и алгоритм измерительного процесса.
Vodotovka V.I., Evko I.G. Method of increase of accuracy of a calo-rimetric measuring instrument of the UHF power.
The method of increase of accuracy of a calorimetric measuring instrument of the microwave power is stated. Concrete realization of a calorimeter of the microwave working on such method is resulted. Function of measuring transformation, sources of occurrence of errors and algorithm of measuring process is certain.
Надтшла до редакцп 20 квтня 2006року
