4.7. Широкодиапазонные частотомеры

Верхнюю границу частот, непосредственно измеряемых цифровыми частотомерами, работающими по методу дискретного счета, характеризуют значения от 500 МГц до 1 ГГц. Для измере­ния более высоких значений разработаны различные способы рас­ширения диапазона частот [46, 113].

Сочетание цифрового частотомера и гетеродинного преобразо­вателя частоты. Такое аппаратурное решение существенно рас­ширяет диапазон измеряемых значений частоты. Например, циф­ровой частотомер, непосредственно работающий в диапазоне

0,1 Гц...300 МГц, совместно с комплектом преобразователей ча­стоты измеряет частоты в пределах от 0,1 Гц до 78,33 ГГц.

Преобразователи характеризуются диапазоном преобразуемых частот, чувствительностью по напряжению, погрешностью преобра­зования, способом отсчета результатов измерения, уровнем авто­матизации процедуры измерений. Структурные схемы гетеродин­ных преобразователей разнообразны.

На рис. 4.24 представлен вариант прибора, в котором преобразователь до­полняет цифровой частотомер. Работа прибора сводится к следующему.

При разомкнутом ключе частотомер используется как самостоятельный при­бор. В этом случае напряжение измеряемой частоты f_х подается на вход 1, при­чем пределы измеряемых частот определяются рабочим диапазоном частотоме­ра. Замыканием ключа схема преобразуется в своеобразный гетеродинный час­тотомер. В отличие от обычных в подобном гетеродинном частотомере отсутст­вует кварцевый калибратор, так как основная частота гетеродина не калибру­ется, а измеряется электронно-счетным частотомером. Вследствие использова­ния большого числа гармоник гетеродина становится возможным измерять час­тоты в широком диапазоне.

Методика измерения такова. Сигнал подводят к входу 2. При нулевых биениях между напряжением сигнала и одной из гармоник перестраиваемого гетеродина, фиксируемых индикатором, основную частоту гетеродина измеряют

цифровым частотомером. Измеряемая частота f_х определяется произведе­нием показания счетчика на номер гармоники n. Последний легко найти, если приблизительно известно значение так как f_х = n f_г. Когда f_х не известна, номер гармоники определяют следующим образом. Получив нулевые биения, фиксируют по электронно-счетному частотомеру основную частоту гетеродина f_г1. Если при этом использовалась n-я гармоника гетеродина, то f_х = n f_{г 1}. За­тем плавно уменьшают частоту гетеродина до повторного появления нулевых биений. Теперь уже биения образуются между напряжением сигнала и (n + 1)-й гармоникой гетеродина. Показання счетчика прибора в момент нулевых биений равны f_{г 2.} Измеряемая частота та же, что и в первом случае нулевых биений. Следовательно, Из равенства находим:

Автоматический частотомер на основе микропроцессорной си­стемы и синтезатора частоты. Подобные приборы позволяют про­водить без перестроек измерения частот, значения которых за­ключены в широком диапазоне (например, от 10 Гц до 18 ГГц или от 10 Гц до 32 ГГц), при разрешающей способности 1 Гц.

На рис. 4.25 изображена структурная схема широкодиапазон­ного частотомера с программируемым синтезатором частот, уп­равляемым микропроцессорной системой. Он выполняет роль гете­родина.

Синтезатор частот — это устройство, преобразующее сигнал с фиксированным значением частоты, вырабатываемой образцовым (высокостабильным) источником, в сигнал, дискретные значения частоты которого устанавливаются с требуемым шагом в опреде­ленном диапазоне частот. В схеме частотомера переход от одного

значения частоты к другому осуществляет микропроцессорная си­стема.

Для нахождения значения частоты в поддиапазоне от 10 Гц до 300 МГц напряжение исследуемого сигнала подается на вход 1.

Измерение выполняет непосредственно цифровой частотомер. При более высоких значениях частоты f_изм выход источника сиг­нала соединяется со входом 2 прибора. Работа схемы заключается в следующем.

Напряжение исследуемого сигнала поступает через входной блок на вход 1 смесителя, к входу 2 которого подводится напряже­ние выходного сигнала программируемого синтезатора частот. Микропроцессорная система изменяет значение частоты f_сит снт ВЫХОД­НОГО сигнала синтезатора до тех пор, пока разность значений из­меряемой частоты и п-й гармоники выходного сигнала синтезато­ра примет значение f '_пр, находящееся в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ). При этом детектор, включенный на выходе УПЧ, форми­рует сигнал-команду, по которой микропроцессорная система пре­кращает дальнейшую перестройку частоты синтезатора. Значение f ' _пр измеряется цифровым частотомером и результат измерения направляется в память системы.

Искомое значение частоты определяется по одной из двух фор­мул:

где f ' _cнт — значение основной частоты выходного сигнала синтеза­тора, установленное микропроцессорной системой, а n— номер используемой гармоники.

Определение числа n и того, какая из формул [(4.22) или

(4.23) ] должна быть использована для вычислений, производится автоматически по следующей методике. Микропроцессорная си­стема уменьшает значение основной частоты выходного сигнала синтезатора f '_cнт на Δf (причем Δf << fпр), в результате получает­ся Измерительная процедура повторяется. На вы­ходе УПЧ появляется сигнал разностной частоты, значение которой f"_пр измеряется частотомером. Результат измерения направляется в микропроцессорную систему, которая вычисляет номер гармони­ки по формуле

а также сравнивает значения f "_пр и f '_пр. Если f "_пр> f '_пр, то, как несложно установить, имеет место соотношение и зна­чение f_изм находится по (4.22). Неравенство f '_пр> f "_пр говорит о том, что и соответственно используется (4.23).