9.4.3 Гетеродинный способ измерения частоты

Сущность этого способа состоит в сравнении на основе гетеродинного преобразования частоты измеряемого сигнала с частотой перестраиваемого гетеродина − высокостабильного генератора, частота которого известна.

Измерительные приборы, реализующие гетеродинный способ, называются гетеродинными частотомерами. Структурная схема такого частотомера изображена на рис.9.26.

Рисунок 9.26 — Структурная схема гетеродинного частотомера

На смеситель UZ1 поступают одновременно сигналы измеряемой частоты f_х и частоты гетеродина f_г. Перестраивая гетеродин G, добиваются на выходе смесителя колебаний низкой частоты (нулевых биений), фиксируемых по индикаторному прибору РI (головные телефоны, осциллограф, электронно−световой индикатор, магнитоэлектрический прибор). Измеряемую частоту определяют по шкале гетеродина.

На выходе смесителя, как нелинейного элемента, под действием измеряемой и образцовой частот возникают колебания комбинированных частот вида  mf_х  nf_х, где m и n − целые числа. Перестройкой гетеродина добиваются наиболее низкой частоты Fu, чтобы она могла попасть в полосу индикаторного канала, тогда

m f_х − n f_г = Fu или f_х = n f_г / m + Fu / m.

Часто измерения выполняются на первых гармониках, т.е. при m = n = 1. В этом случае уравнение измерения приобретает вид: f_х = f_г, а способ измерений называют способом нулевых биений.

Погрешность измерения складывается из погрешности гетеродина (непостоянство градуировочной характеристики и нестабильность частоты гетеродина) и погрешности сравнения. Погрешность сравнения ср=Fu определяется полосой пропускания канала индикатора. Для ее уменьшения измерения выполняются методом вилки. Для этого разностная частота устанавливается дважды при двух разных значениях частоты гетеродина − f_г и f_г’, тогда

f_х = (f_г + f_г’)/2.

Абсолютной погрешности сравнения не удается достичь менее 10 Гц.

Для уменьшения влияния погрешностей гетеродина, его шкалу перед измерением калибруют по гармоникам генератора с кварцевой стабилизацией. Нестабильность частоты гетеродина за время от калибровки до измерений может приводить к значительным погрешностям. Это требует частых калибровок, что затрудняет работу с прибором. При очень высоких частотах получить нулевые биения затруднительно, поэтому в индикаторную цепь включают частотомер, чаще всего ЭСЧ, и по нему определяют разностную частоту. Измеряемая частота f_х = f_г + f_р. Для этого ЭСЧ аппаратно дополняются гетеродинными преобразователями частоты (блоками Я3Ч− ), которые бывают двух видов: дискретные преобразователи частоты и переносчики частоты.

Вопросы для самоконтроля

1 Понятия частоты и периода колебаний, их характеристика.

2 Перечислите виды средств измерений частоты.

3 Перечислите способы измерения частоты.

4 Перечислите режимы работы ЭСЧ и параметры, которые он измеряет.

5 Охарактеризуйте принцип действия ЭСЧ в режиме измерения частоты.

6 Охарактеризуйте принцип действия ЭСЧ в режиме измерения периода.

7 Назовите составляющие общей погрешности измерения частоты ЭСЧ и укажите их источники.

8 Назовите погрешности измерения периода и укажите их источники.

9 Назовите основные метрологические характеристики ЭСЧ.

10 Раскройте сущность гетеродинного способа измерения частоты, изобразите его структурную схему.

11 Перечислите источники погрешностей при гетеродинном способе и способы их уменьшения.