Электрорадиоизмерения (В. И. Винокуров) (554136), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Измерение сверхвысоких частот. Конечное быстродействие универсальных счетчиков ограничивает верхний предел частот, измеряемых цифровыми частотомерами. В серийно выпускаемых приборах эта граница не превосходит 150 — 200 МГц. Вместе с тем широкое использование в народном хозяйстве спутниковых систем связи и навигации, телевидения и радиолокации настоятельно тре- 154 бует расширения диапазона измеряемых частот в сторону СВЧ. При данной элементной базе эта задача решается: 1) путем предварительного деления частоты; 2) введением в схему прибора гетеродинного преобразователя (переносчика) измеряемой частоты.
В первом случае младшая (первая) декада счетчика включает две пересчетные схемы (см. гл. 3) с коэффициентами деления 2 и б. Первое деление частоты осуществляется простым триггером, быстродействие которого выше, чем быстродействие декадного счетчика, имеющего дополнительные обратные связи. бчевидно, что изменение структурной схемы младшей декады вызовет изменение схемы последующего дешифратора.
Прием позволяет сместить верхнюю границу измеряемых частот до 600 МГц. Рис. 7.9. Структурная схема лискретного гетеродинного преобразо- вателя частоты (7.13) 155 Во втором случае расширение предела измерения до '10— 12 ГГц достигается за счет предварительного переноса измеряемой частоты 1„ в область более низких частот.
Этот перенос частоты осуществляют посредством: 1) дискретного гетеродинного преобразования; 2) путем гетеродиниого переноса. В случае преобразования высокая стабильность частоты гете- родина достигается за счет применения кварцевого генератора с последующим формированием сетки опорных частот или за счет использования сннтеаатора частот. В случае' переноса требуемая стабильность частоты достигается введением в схему гетеродииа системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ) .
Структурная схема (рис. 7.9) устройства дискретного гетеродинного преобразования частоты 1„дополняющего схему цифрового частотомера, включает генератор гармоник (нелинейный элемент), перестраиваемый фильтр (объемный резонатор со шкалой), смеситель и УПЧ с ограниченной полосой частот. Напряжение кварцевого генератора цифрового частотомера поступает на генератор гармоник, который формирует сетку дискретных частот л)а, где л — целые числа. Перестраиваемый фильтр выделит колебание частоты пго, которая сместит измеряемую частоту 1 в область промежуточных частот, усиливаемых УПЧ.
Затем частота этих колебаний (1 — 4о) или (лао — 1„) фиксируется цифровым частотомером с ограниченным верхним пределом измеряемых частот. Результат измерения находят из соотношения Х =л,ус+ ~,ч; где и — номер гармоники (определяют по шкале объемнога резистора);г'ч †показан цифрового частотомера. Для исключения ошибок из-за неоднозначности единичного реаультата измерение неизвестной частоты 1„ следует повторить дважды при двух соседних значениях гармоник п1о и (а-+-1)1е.
.При атом правильные результаты двух измерений 'совпадают. На- 1!!йййй!!!Ь~. Рнс. 7.!О. Частотомер с дискретным преобрааоаанием иамеряемой частоты: а — структурная схема; б — анаграмма напряженна пример, пусть измеряемая частота 1 =983,25 МГц, ближайшие гаРмоники сетки опоРных частот л1о=980 МГц и (и+1)1о= =1000 МГц.
Допустим, что при настройке фильтра иа 980 МГц счетчик частотомера зафиксировал 3,25 МГц, а при настройке на частоту 1000 в 15,75 МГц. Очевидно, что за результат измерения следует принять 7„=980+3,25=1000 — 15,75=983,25 МГц. Так как для переноса измеряемой частоты и для формирования строб-импульсов в приборе используется общий источник образцового напряжении, результирующая погрешность измерения 1„ определяется погрешностью из-за нестабильности частоты кварцевого генератора частотомера и погрешностью дискретности.
Рассмотрим частотомер с дискретным преобразованием измеряемой частоты 1„, у которого гетероднном служит программноуправляемый синтезатор частот (рис. 7.10). Прибор предназначен 166 для измерения частоты несущих колебаний импульсно-модулированных СВЧ-сигналов. Наличие встроенного микропроцессора позволяет полностью автоматизировать выполнение всех измерительных и вычислительных операций. Программное обеспечение микропроцессора при каждом включении производит проверку исправности прибора и калибровку его точности. При нарушении работоспособности прибора отмечается процедура выявления неисправности. При подготовке к измерению анализируется форма огибающей импульсов СВЧ для определения времени счета Т, й" рсниллррра1ру Рнс.
7.11. Частотомер с гетеродннным переносом частоты: и — структураая свела; б — ивобрвжеине нв внране осииллогнафв и задержки 1„обеспечивающих максимальную точность измерения. В процессе измерения по заданной программе осуществляется автоматический выбор оптимальной частоты синтезатора и номера ее гармоники, а также вычисление неизвестной частоты: .г л П.г свн — ~со где à — частота синтезатора; а — номер гармоники; Ä— показание счетчика. Рейультат измерения воспроизводится на цифровом индикато-. ре. Пифровые частотомеры с программно-управляемыми синтезаторами частот и встроенными микропроцессорами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот и удобству включения' в автоматизированные измерительные системы являются перспективными измерительными приборами.
Частотомер с гетеродиниым переносом частоты (рис. 7.11) осуществляет непрерывное и точное сравнение измеряемой частоты 1н С И-й ГаРМОНИКОй НаПРЯжЕНИЯ ПЕРЕСтРаИВаЕМОГО ГЕНЕРатОРа (гетеродина). Высокая точность измерений обеспечивается применением для сравнения частот кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и цифрового частотомера для прямого отсчета текущего значения частоты генератора. Наличие в кольце ФАПЧ частотного дискриминатора и фазового детектора позволяет осуществлять автоматическое отслеживание любых изменений частоты. Последнее, в свою очередь, обеспечивает возможность нзмере- 157 нпя частоты колебаний, модулированных по частоте или фазе.
Управляющим напряжением для гетеродина служит сумма выходных напряжений частотного дискриминатора и фазового детектора. В режиме захвата и удержания частоты („— л(г=(о, где (с— частота кварцевого генератора цифрового частотомера, напряжение на выходе частотного дискриминатора равно нулю. Так как кольцо ФАПЧ содержит интегрирующее звено (система с астатизмом первого порядка), то равенство нулю напряжения на выходе фазового детектора возможно лишь в установившемся режиме при отсутствии изменений измеряемой частоты. нх "сз и ам' "и ця Ф иу~ з с ир рх 6 Рис. 7Л2. Измерение нитернаиа времени цифровым частотомером: а — сгрукхурпая схеме; б — диаграммы напряжений Недостаток цифровых частотомеров с переносом частоты связан с неопределенностью номера гармоники и.
Если значение ~, приблизительно известно, то номер гармоники определяется одновременно с вычислением ) из соотношения (я=(с+пгг. При неизвестном значении ~ определение а требует дополнительного измерения (, при работе генератора на гармониках, соседних с п. Это может быть устранено за счет дополнительного усложнения схемы прибора. ф 7.4. Измерители интервалов времени Интервал времени (Ь( ) — зто время между моментами двух последовательных событий.
Практически приходится измерять как очень малые (единицы пикосекунд), так и очень большие (сотнн секунд) интервалы времени. Кроме того, интервалы времени могут быть не только повторяющимися, но и однократными. Различают два основных способа измерения интервалов времени М„: 1) осциллографический; 2) цифровой. Измерение суг с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки.
Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая поЯ58 грешность измерения бд составляет единицы процентов. Погрешность измерения из-за нелинейности развертки можно исключить, применив цифровую приставку. При измерении, оператор совмещает яркостные метки с характерными точками осциллограммы„ после чего значение временибго интервала считывается с цифрового отсчетного устройства приставки. Измерение интервалов времени с помощью цифровых частотомеров.
Серийные цифровые частотомеры позволяют измерять интервалы времени в широких пределах. Так, например, частотомер Вгпд1 рормаругр агее уапрпй евдо Генератор д Селекворсчетныу ныи импупасод каскад 1 Счетчик. оснодной и, Гриееер Аешаррпвор йосародпй анотгптор и' г, м иг( Сеемп и, содппденай Гриееер Дешайгрпвор 5 йо Счетчик нониус- ный Вкв11 уормарумисее аг уопроасвдо Селеквор- ный каскад С Генератор 4 нониуснык ампула сод Рнс. 7.13. Ноннусный способ измерения интервалов времени: а — струятуриая схема: б — янаграммм напряжений ЧЗ-54 обеспечивает измерение Лй„от 10 ' до 10 ' с. Для этого в приборе (рис. 7.12) предусмотрены устройства, формирующие опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют начало и конец измеряемого интервала времени И„.
Выбор характерных точек на исследуемом напряжении осуществляется изменением уровней напряжений, подаваемых на формирующее устройство. В свою очередь, импульсы, воздействуя на устройство управления, определяют время счета Т, кратковременных импульсов, формируемых из напряжения образцового генератора Возможности применения цифровых частотомеров для измерения интервалов времени ограничены в основном из-за погрешности дискретности. Высокая точность имеет место лишь при условии С11 ".рТо.
В случае повторяющихся интервалов погрешность может быть снижена увеличением в т раз времени счета импульсов. Для этого в приборах предусматривают делитель частоты. Однако и этот путь ограничен, а в случае однократных импульсов неприменим. В измерителях интервалов времени применяют дополнительные способы расширения рабочего диапазона в сторону малых значений И . Основным из них явлиется нониусный. Этот способ позволяет снизить погрешность дискретности, которая становится недо- 1бз где Л1 — погрешность. Для исключения погрешности' дискретности Лг интервальный импульс одновременно с закрытием селекторного каскада 1 запускает генератор нониусных импульсов и открывает селекторный каскад 2.
В результате начинается счет нониусных импульсов, которые вместе с основными счетными импульсами поступают на схему совпадений. Так как период следования нониусных импульз — 1 сов Тв выбран исходя из соотношения Т„'= — То (обычно А А= 10 или 100), то спустя некоторое время произойдет совпадение импульсов нониусного и основного генераторов. При этом сработает схема совпадений, ее импульс «сброса» зафиксирует число импульсов и„, поступивших на нониусный счетчик, и вернет всю схему в исходное состояние. Зная число и„, погрешность дискретизации определим из следующего соотношения (рис.
7.13, б): М=п,҄— п,Т„=п„҄— и„— Т,= — ~ .. (7.15) ь ' ь Следовательно, результат измерения интервала времени Т.= (И„+"— "-) Т,. (7.16) Показания счетчиков объединяют в отсчатном устройстве. При этом Ф„фиксируют в старших разрядах,.а п„— в младших. Погрешность измерения Т определяется длительностью нониусных и основных счетных импульсов, а также неполнотой их совпадения. Обычно нониусные и счетные импульсы формируют из синусоидального напряжения. Из-за случайных отклонений моментов формирования (см. 5 3.5) периоды счетных и нониусных пустимо большой прн измерении коротких (десятки наносекунд) интервалов времени. С этим приходится иметь дело, например, при измерении длительности фронта импульсных сигналов. Практическая реализация нониусного способа (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
