Лабораторная работа №9 <измерение частоты> (Лабораторная работа №9 «измерение частоты»)

Г л а в а II. ЧАСТОТОМЕРЫОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯВ радиоэлектронике измерение частоты является одним из самых главныхвидов измерений. На высоких частотах наибольшее распространениеполучили следующие три метода измерения: резонансный, гетеродинный идискретного счета. В резонансном методе измеряемая частота сравнивается сизвестной резонансной частотой колебательной системы (контура илирезонатора). В гетеродинном методе измеряемая частота сравнивается сизвестной частотой ста6ильно работающего генератора, причем дляиндикации равенства частот используется явление нулевых 6иеннй.В методе дискретного счета тоже происходит сравнение измеряемой частотыс точно известной частотой, но это сравнение производится путемнепосредственного счета числа периодов неизвестной частоты в течениекалиброванного интервала времени, вырабатываемого путем деления –частоты стабилизированного генератора.Приборы для измерения частоты называются частотомерами или волномерами.

Резонансные частотомеры — самые простые по устройству иобращению, не содержат источников высокочастотных колебаний, нетребуют питания, имеют меньший вес, они дешевле частотомеров другихтипов, но уступают им по точности и чувствительности.Гетеродинные частотомеры на 1—2 порядка точнее и чувствительнеерезонансных, по устройству сложнее резонансных и проще электронносчетных, но процесс измерения частоты с их помощью трудоемок.Электронно-счетные частотомеры, основанные на методе дискретногосчета, на 1—2 порядка точнее гетеродинных, имеют примерно такую жечувствительность и весьма удобны в обращении.

Несмотря на оченьбольшую сложность устройства и дороговизну, электронно-счетныечастотомеры за прошедшее десятилетие прочно внедрились в техникуизмерения частоты и существенно потеснили гетеродинные частотомеры намонопольно занимаемых ими ранее позициях.Однако это еще не говорит о бесперспективности гетеродинного методаизмерения частоты вообще. Сочетание его с методом дискретного счетапозволило расширить границы применения электронно-счетныхчастотомеров в область сверхвысоких частот, в результате чего оказалосьвозможным с помощью одного и того же прибора измерять частоты от долейгерца до десятков гигагерц.39РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ § 2.1Принцип действия резонансного частотомераВнешне резонанс проявляется двояко.

С одной стороны, при резонансеамплитуда колебаний в колебательной системе достигает максимума, а сдругой — колебательная система отбирает от источника колебаний(«отсасывает») наибольшую мощность. Соответственно этому резонансныечастотомеры можно разделить на две группы: проходные и поглотительные(реактивные).Принцип действия проходного частотомера показан на рис. 2.1.Колебательный контур L0 C 0 посредством катушек L1 и L2 связан систочником колебаний измеряемой частоты и с индикатором резонанса.Последний обычно состоит из детектора и микроамперметра.Изменением емкости С 0 контур может быть настроен в резонанс на частотуf X . Когда резонансная частота контура f будет близка к f X , ток в контуредостигнет максимума, что можно заметить по наибольшему отклонениюстрелки микроамперметраα Р0(рис.

2.2).Рис. 2.3 поясняет работу поглотительного резонансного частотомера насверхвысоких частотах. Резонатор, условно показанный в40виде колебательного контура, связан посредством емкости с линией,нагрузкой которой служит индикатор. Сопротивление емкости связидостаточно велико, и при большой расстройке контура шунтирующеедействие ветви емкость связи — контур незначительно. С6ответсгвующейрегулировкой мощности генератора или чувствительности индикатораможно добиться, чтобы стрелка индикатора отклонилась на удобный дляотсчета угол α 0 (рис.

2.4). Когда частота последовательного резонанса ветвиемкость связи - контур станет равной f X , сопротивление этой ветви упадет,отчего индикатор покажет минимум.Ход кривой около минимума имеетвид перевернутой резонанснойкривой.Значения резонансной частоты вобоих случаях отсчитываются пошкале настройки колебательнойсистемы (конденсатора С0 на рис.2. 1)непосредственно, если она градуи–рована в значениях f , либо спомощью графика или таблицыперевода делений шкалы в частоту.

Сравнивая, видим, что в волномерепроходного типа колебательная система должна иметь два элемента связи —входной и выходной, а в поглотительном только один, что несколькоупрощает конструкцию колебательной системы.В проходном частотомере индикатор показывает только вблизи резонанса,когда достигает максимума мощность, проходящая через колебательнуюсистему на детектор, и если в процессе измерений долго не удается найтирезонанс, то может возникнутъ сомнение в исправности измерительнойустановки. При пользовании поглотительным частотомером независимо отего настройки сразу видно, работает ли исследуемый генератор, так какиндикатор здесь выполняет две функции: при расстройке он служитуказателем высокочастотной мощности, а при измерении частоты —указателем резонанса. Это преимущество широко используется в такихустройствах, где резонансный частотомер является встроенным элементомконтроля, например, в измерительных генераторах, анализаторах спектра,гетеродинных частотомерах и др.Итак, резонансный частотомер состоит из следующих основныхэлементов: колебательной системы, приспособления для настройки и отсчетарезонансной частоты, элементов связи и указателя резонанса.

Их тип иконструкция выбираются в соответствии с диапазоном измеряемых частот, взависимости от величины перекрываемого участка диапазона и допустимойпогрешности измерения. Последние два требования противоречивы ивыполняются путем компромисса: частотомеры малой точности позволяютвести41измерение в широком участке диапазона частот, а приборы, имеющие болеевысокую точность, могут быть сделаны лишь с небольшим перекрытиемчастотного диапазона.при отношении диаметров (с.м. [4], с. 450):§ 2.2. Колебательная система резонансного частотомераКолебательная система резонансного частотомера должна иметь высокуюдобротность, так как от нее зависит острота резонансной кривой и точностьнастройки в резонанс.В частотомерах диапазона 100 кГц — 300 МГц в качестве колебательнойсистемы применяются колебательные контуры с сосредоточеннымипостоянными L0 , C 0 .

Конденсатор переменной емкости дает приблизительноИз высших типов колебаний в коаксиальной линии H 11 имеет наибольшуюкритическую длину волнытрехкратное перекрытие по частоте. Расширение диапазона измеряемых частотполучают сменой катушек с помощью переключателя.Добротность колебательного контура, с сосредоточенными постоянными насредних и коротких волнах достигает 200—300, а на частотах свыше 300 МГцсильно падает.Диапазон частот 250—1200 МГц легко перекрывается контуром типа«бабочка» [1, 3]. Добротность таких контуров составляет 300—800.На более высоких частотах используются коаксиальные и объемныерезонаторы.

Коаксиальный резонатор представляет собой отрезоккоаксиальной линии, закороченной на обоих концах или закороченной наодном конце и разомкнутой на другом. В первом случае резонанс наступает,когда длина отрезка линии равна целому числу полуволн, а во втором —нечетному числу четвертой волны. Отсюда название резонаторов;полуволновые и четвертьволновые.

Объемный резонатор можно рассматриватькак отрезок волновода, замкнутый на обоих концах.Отличительная особенность коаксиальных и объемных резона–торов состоит в том, что в них может быть несколько типов волн инесколько резонансов. Для частотомера многорезонансность недопустима, таккак явилась бы причиной неоднозначности отсчета.

Поэтому при разработкерезонатора принимаются меры, чтобы во всем рабочем диапазоне частотомеравозбуждался лишь один тип колебаний и на каждой частоте диапазона былтолько один резонанс.Добротность резонатора тем выше, чем больше у него отношение объема квнутренней поверхности (см., например, [4], с. 433). Следовательно, чтобыповысить добротность, желательно увеличить размеры резонатора, а этогонельзя допускать из-за возможного появления колебаний высших типов.Коаксиальные резонаторыВыбор внешнего D и внутреннего d диаметров проводников коаксиальногорезонатора производится следующим образом. Из–42D= 3,6dλH =11π2(D + d ).(2.1)(2.2)Следовательно, частоту колебаний ТЕМ в коаксиальной линии можнообеспечить выбирая длину минимальной рабочей волны резонатора:λmin λ H11 .(2.3)Из выражений (2.