4. Методы сравнения с частотой другого источника посредством осциллографа

Методы сравнения применяют главным образом для градуировки и поверки генераторов сигналов, задающих генераторов приборов, калибраторов осциллографов и т. д.

Для сравнения необходимо иметь второй источник сигнала — обычно об­разцовый генератор, точность которого по крайней мере в 5 раз выше точно­сти контролируемого источника, и устройство для сличения частот. Часто та­ким устройством служит осциллограф. Рассмотрим методы сравнения, реали­зуемые с помощью осциллографических индикаторов в диапазоне частот от 110 Гц до 10... 20 МГц.

Метод интерференционных фигур. Для сравнения измеряемой частоты с частотой образцового источника посредством осциллографа напряжение извест­ной частоты f_обр образцового источника подается на один вход осциллографа (например, вход Х), а напряжение измеряемой частоты f_изм — на второй (на­пример, вход У). Частоту образцового генератора перестраивают до получения на экране осциллографа устойчивого изображения простейшей интерференци­онной фигуры: прямой, окружности или эллипса. Появление одной из этих фи­гур свидетельствует о равенстве частот напряжений, поданных на оба входа осциллографа (отношение f_изм: f_обр= 1 : 1) (рис. 4.26).

Если точное равенство частот не достигнуто, т. е. f_изм = f_обр ±Fр, то фигу­ра непрерывно изменяется, принимая форму эллипсов с переменной длиной осей или прямой. При подобных измерениях частоты отчетливо проявляются по­грешность меры — нестабильность образцовой частоты и погрешность сравнения Fр. На низких частотах погрешность сравнения Fр можно определить, сосчитав

число р периодов изменения фигуры за определенный интервал времени Δt. Тогда F_Р=р/Δt.

Когда частоты не равны друг другу, но кратны, на экране осциллографа наблюдаются более сложные фигуры. Вид фигуры при данном соотношении час­тот зависит от начального фазового сдвига напряжений на входах X и У осцил­лографа (рис. 4.26). Еще сложнее фигуры для дробного отношения частот.

Соотношение частот определяется следующим способом. Через изображение фигуры мысленно проводят две прямые линии: горизонтальную и вертикальную (правый столбец на рис. 4.26). Отношение числа т. пересечений горизонтальной прямой с фигурой к числу п пересечений вертикальной прямой с фигурой равно отношению частоты напряжения, поданного на вход канала У, к частоте напря­жения, поданного на вход канала X осциллографа:

При больших т или п пользоваться методом интерференционных фигур трудно.

Подобным способом измеряют также частоту следования импульсов. В этом случае импульсное напряжение подают на вход У осциллографа, а синусоидаль­ное напряжение от источника известной частоты — на вход X. Плавно изменяя частоту синусоидального напряжения, добиваются устойчивого или очень медлен­но перемещающегося изображения одиночного импульса на экране осциллогра­фа. Это свидетельствует о том, что частота следования импульсов Fc равна частоте синусоидального напряжения Fsln или в целое число раз меньше ее. Для установления однозначности измеряемой частоты применяют специальную методику.

Описанный метод рационален при измерении частоты следования импуль­сов периодической последовательности, характеризуемой большой скважностью.

Метод круговой развертки с модуляцией яркости. Этот метод применяют тогда, когда сравниваемые частоты кратны, но отношение их велико.

Если измеряемая частота f_изм выше частоты образцового генератора f_обр, то напряжение частоты f_обр подается одновременно на оба входа осциллографа со сдвигом по фазе на 90°, достигаемым с помощью фазорасщепителя. Усиле­ния обоих каналов регулируют так, чтобы луч вычерчивал на экране окружность. Напряжение измеряемой частоты подают в канал управления яркостью. Частоту образцового источника пере­страивают до получения на экране неподвижного изображения, состоящего из ярких отрезков ок­ружности с одинаковыми темными промежутками между ними (рис. 4.27). Число ярких дуг или темных промежутков между дугами однозначно определяет отношение

(8: 1 на рис. 4.27). При дробно-рациональных отношениях частот вращающийся луч вычерчивает либо сплошь засвеченную окружность, либо штриховую окружность, для которой характерны меньшая яркость дуг и меньшие промежутки между ними, чем при кратных частотах. Число светящихся отрезков равно большему из значений f_изм и f_обр.

Если отношение частот f_изм и f_обр немного отличается от целого числа, т. е. (частота F_p сравнительно мала), то фигура, состоящая из дуг, вращается, причем направление вращения показывает знак расхождения частот. Степень этого расхождения (и обусловленную им погрешность измере­ния частоты) можно определить следующим образом: сосчитать с помощью секундомера число d дуг, пробегающих через определенную радиальную ли­нию на экране за фиксированный промежуток времени Δt. Тогда расхождение F_р может быть найдено из формулы

Аналогичным способом можно измерить и частоту следования импульсов. В этом случае напряжением генератора известной частоты осуществляется кру­говая развертка, а импульсное напряжение измеряемой частоты подается в ка­нал управляющего электрода трубки. Получаемая на экране картина зависит от полярности измеряемых импульсов. Если они положительны, т. е. повыша­ют яркость свечения, то с помощью регулятора яркости гасят изображение окружности круговой развертки и на экране наблюдаются светящиеся точки. Изменением частоты синусоидального напряжения добиваются неподвижного положения точек. Тогда число светящихся точек М определяется отношением

При отрицательных импульсах, амплитуда которых достаточна для гаше­ния луча, на круговой развертке появляются разрывы (темные места), если частота следования импульсов в целое число раз выше частоты синусоидально­го напряжения. Число разрывов В первом варианте подсветка луча возможна многозначность при дробно-рациональном отношении частот; второй вариант гашение луча импульсами, следующими с измеряемой час­тотой, позволяет исключить многозначность: при дробном отношении М раз­рывы наблюдаться не будут, так как полученные при первом обороте луча разрывы засвечиваются при последующих оборотах.

Процесс измерений при гашении луча импульсами становится более эф­фективным, если подавать короткие импульсы на управляющий электрод не не­посредственно, а через интегрирующую цепочку, растягивающую измеряемый импульс. Это увеличивает разрывы и делает их более заметными.

Рассмотренный способ измерения наиболее эффективен при значительных длительностях импульсов и небольших скважностях.