Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 26

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 26)

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты используют различные спо­собы и приемы измерения, основанные на методах сравнения и не­посредственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и осциллографический) измеряемую частоту сравнивают с частотой ис­точника образцовых колебаний. Эти методы применяют в основ­ном для градуировки генераторов измерительных приборов. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот.

К осциллографическим методам относят:

• определение частоты методом фигур Лиссажу;

• определение интервалов времени (периода, длительности импульса или пачки импульсов и т.д.) с использованием калиброванной развертки осциллографа;

• определение частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке.

Первые два из этих методов рассмотрены в гл. 5. Третий реализуется при условии, что неизвестная частота f_x больше образцовой f₀ в целое число раз. Круговая развертка создается при под­ведении к входам Y и X осциллографа гармонических сигналов образцовой частоты f₀, сдвинутых взаимно по фазе на 90°. Подавая гармонический сигнал с измеряемой частотой f_x на вход Z модуляции яркости луча осциллографа и регулируя частоту f₀, можно получить практически непод­вижную модулированную по яр­кости круговую развертку (рис. 6.1). Если N — число ярких дуг (или темных промежутков между дуга­ми) на круговой развертке, то часто­та f₀ = Nf₀ (см. рис. 6.1 ,. f₀ = 8 f₀).

Все осциллографические ме­тоды имеют невысокую точность (относительная погрешность изме­рений порядка 0,1-0,05). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 500 МГц.

К приборам, работающим по методу непосредственной оценки, относятся резонансные частотомеры и измерители часто­ты, использующие метод заряда и разряда конденсатора. Совре­менное измерение частоты методом непосредственной оценки главным образом выполняется электронно-счетным, или цифро­вым, (дискретного счета) методом, в основе которого лежат цифровые (или электронно-счетные — ЭСЧ) частотомеры. К дос­тоинствам этого метода относится высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых частот, возможность обработки результатов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.). Цифро­вые частотомеры позволяют измерять не только частоту колеба­ний, но и интервалы времени.

6.2. Резонансный и гетеродинный методы измерения частоты

Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты f_x с собственной резонансной частотой f_p гра­дуированного колебательного контура или резонатора. Измеритель­ные приборы, работающие на основе этого метода, называются резо­нансными частотомерами; их об общенная структурная схема при­ведена на рис. 6.2.

Перестраиваемая колебательная система через входное уст­ройство возбуждается сигналом источника измеряемой частоты u(f_x). Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса, т.е. при f_x = f_р. Данный момент фиксируется индикатором резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты f_x считывается с градуи­рованной шкалы механизма настройки. В качестве колебательной системы на частотах до сотен мегагерц используют колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц — контуры с распределенными па­раметрами (отрезки коаксиальной линии); на частотах свыше 1 ГГц — объемные резонаторы.

На рис. 6.3 приведена упрощенная структурная схема резо­нансного частотомера (на СВЧ его называют волномером) с объ­емным резонатором.

Линейный размер резонатора l в момент настройки в резо­нанс однозначно связан с длиной волны λ возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине ре­зонатора l = пλ/2, где п = 1, 2, 3 и т.д. Поэтому, перемещая плун­жер 5 до момента получения первого резонанса, а затем следую­щего и оценивая по отсчетной шкале разность Δl = l₁ – l₂ = λ/2, можно определить длину волны λ, где l₁ и l₂ — показания отсчет­ной шкалы в момент 1- и 2-го резонансов. Измеренную частоту f_x вычисляют по формуле f_x = с/λ, где с — скорость распростране­ния света в вакууме. Чтобы увеличить точность измерений часто­ты, необходимо повышать добротность Q резонаторов. Для этого их внутренние поверхности полируют и серебрят, доводя величи­ну Q до значения (5-10)10³.

Р езонансные частотомеры имеют сравнительно простое уст­ройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10^-3-10^-4. Основными источниками погрешностей измерения частоты являются погрешность настройки в резонанс резонатора, погрешность отсчетной шкалы и погрешность считы­вания данных.

Гетеродинный метод является одной из разновидностей ме­тодов сравнения измеряемой частоты f_x с частотой эталонного ге­нератора — гетеродина. Этот метод использует принцип по­строения измерительных схем с нулевыми биениями. Упрощен­ная структурная схема гетеродинного частотомера представлена на рис. 6.4. Она содержит: входное устройство, кварцевый гене­ратор, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и индика­тор (нулевых биений). Действие гетеродинного частотомера сво­дится к простому принципу: при переводе ключа К в положение 1 производят калибровку шкалы гетеродина; при положении 2 — измерение частоты f_x, подаваемой на входное устройство.

Калибровку шкалы гетеродина осуществляют непосредст­венно перед измерением с помощью дополнительного, кварцево­го генератора. Сигнал, поступающий с генератора, имеет слож­ную форму и содержит ряд гармонических составляющих с кратными частотами: f_{кв 1}, f_{кв 2}, ..., f_{кв i,} ..., f_{кв n}, где п — номер гармоники. Эти частоты называют кварцевыми точками. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответст­вующее ближайшей к измеряемой частоте f_x кварцевой точке (примерное значение измеряемой частоты должно быть известно, иначе процесс измерения очень усложняется). Сигналы с кварце­вого генератора f_{кв i}, и гетеродина f_Г поступают на смеситель, по­этому на его выходе возникают колебания с суммарными, разно­стными и комбинационными частотами. Индикатор фиксирует наличие сигнала биений на минимальной разностной частоте F_б = |f_{кв i} – f_Г| проходящего через усилитель низкой частоты (высоко­частотные составляющие, получающиеся в результате смешения частот кварцевого генератора и гетеродина, через усилитель низ­кой частоты не проходят). Меняя емкость в контуре гетеродина, получают нулевые биения, следовательно, частота гетеродина становится равной частоте кварцевой гармоники f_Г f_{кв i}.

Затем приступают к измерению неизвестной частоты f_x, пе­реводя ключ К в положение 2. Вращая отсчетный лимб гетероди­на, добиваются нулевых биений и по откорректированной шкале гетеродина определяют значение f_x f_Г.

Гетеродинные частотомеры являются достаточно точными измерительными приборами. Их относительная погрешность из­мерения лежит в пределах 10^-3-10^-4. Однако в диапазоне сред­них частот (до 300 МГц и ниже) их вытесняют электронно-счетные частотомеры, которые обеспечивают ту же высокую точ­ность, но значительно проще в эксплуатации.

В диапазоне СВЧ-колебаний гетеродинный метод измерения частоты применяется совместно с цифровыми методами. Расши­рение предела измерения до 10...12 ГГц достигается за счет пе­реноса (преобразования) измеряемой частоты в область более низких частот. Такой перенос можно осуществить, например, с помощью дискретного гетеродинного преобразователя часто­ты, структурная схема которого вместе с цифровым частотоме­ром приведена на рис. 6.5.

В состав цифрового частотомера входит генератор опорной (образцовой) частоты f₀. Эта частота поступает на нелинейный элемент (генератор гармоник), который формирует сетку гар­монических составляющих f_n = nf₀, где п = 1,2, ...— целые числа. С помощью перестраиваемого фильтра (объемный резонатор с отсчетной шкалой) добиваются выделения из них гармоники f_n, ближайшей к измеряемой частоте f_x. При этом на выходе смеси­теля появляется сигнал с разностной частотой Δf = |f_x — nf_o|. Уси­литель промежуточной частоты УПЧ имеет полосу пропускания, соизмеримую с разностной частотой Δf.

Результат измерения неизвестной частоты f_x колебаний вы­числяют по формуле f_x = nf₀ ± Δf, в которой номер гармоники п считывается со шкалы перестраиваемого фильтра. Поскольку по­следнее выражение неоднозначно, то для получения наиболее точного результата проводят второе измерение, выбирая с помо­щью перестраиваемого фильтра гармонику (п ± 1)f₀, соседнюю с гармоникой nf₀. Если результаты вычисления частоты f_x совпали при двух измерениях, то они считаются верными.

6.3. Цифровой метод измерения частоты

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. Эти приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты составляет 10^-6-10^-9).

Поскольку цифровые частотомеры являются многофункциональными измерительными приборами, то в зависимости от ре­жима их работы можно проводить измерение не только частоты и отношения двух частот, но и интервалов времени (периода следо­вания периодических сигналов и интервала, заданного времен­ным положением двух импульсов).

Принцип измерения частоты гармонического сигнала цифро­вым методом поясняет рис. 6.6, где приведены структурная схема цифрового частотомера, работающего в режиме измерения час­тоты, и временные диаграммы к его работе.

Исследуемый сигнал частоты f_x подается на входное уст­ройство ВУ (см. рис. 6.6, а), усиливающее или ослабляющее его до требуемого значения. Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал u₁ (см. рис. 6.6, б) поступает на формирователь импульсов ФИ, преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов u₂, следующих с периодом Т_х = 1/f_x и назы­ваемых счетными. Передние фронты этих импульсов практи­чески совпадают с моментами перехода сигнала u₁, через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схемотехнически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компа­ратора (триггера Шмитта).

Счетные импульсы и₂ поступают на один из входов времен­ного селектора ВС, на второй вход которого от устройства форми­рования и управления УФУ подается строб-импульс u₃ прямо­угольной формы и калиброванной длительности T_о > Т_х. Интервал времени Т_о называют временем счета. Временной селектор от­крывается строб-импульсом u₃, и в течение всей его длительности пропускает группу (пакет) несколько импульсов и₂ на вход счетчика СЧ. В результате с временного селектора на счетчик пос­тупает пакет из N_x импульсов u₄. Первый счетный импульс u₂, по­павший во временные ворота Т_о строб-импульса, запаздывает от­носительно их фронта на время Δt_н, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до этого среза, разделяет интер­вал Δt_к (см. рис. 6.6, б).

Характеристики

Список файлов книги