Измерение физических величин цифровыми приборами (90

лектор открывается импульсом, формируемым из напряжения измеряемого периода, а считаются так называемые метки времени – импульсы, полученные из напряжения генератора с кварцевой стабилизацией (рис. 16, б).

Рис. 16. К измерению периода электронно-счётным частотомером

Если на счетчик прошло N меток времени при частоте генератора fкв, то измеряемый период

Например, при fкв = 106 Гц и N = 105 период Tx = 0,1 с и частота fx = 10 Гц.

Относительная погрешность измерения периода определяется аналогично формулам (23) и (24):

31

Из этих формул следует, что выполнять измерение периода вместо измерения частоты целесообразно только тогда, когда на счетчик за время счета, равное измеряемому периоду Тх, поступает большое число меток времени, т. е. когда fкв >> fx. Для получения этого неравенства частота кварцевого генератора с помощью умножителей частоты УЧ умножается в 10m (m = 1, 2, 3) раз. С учетом умножения частоты формулы (17а) и (18a) принимают вид

Погрешности при измерении частоты и периода одинаковы только на некоторой одной граничной частоте fгр. Значение fгр определяется приравниванием правых частей формул (16) и (19) при заданной частоте кварцевого генератора и максимальных коэффициентах деления nмакс и умножения mмакс частоты:

откуда граничная частота

Если измеряемая частота fx > fгр, то следует измерять частоту, если fx < fгр, то нужно измерять период и по нему определять час-

тоту. Значение граничной частоты для практических данных

(fкв = 1 МГц, mмакс =2 и nмакс =7) составляет fгр = 106 ·102.5 = 3160 Гц.

32

Формула (18) справедлива, если можно пренебречь погрешностью срабатывания δср формирующего устройства ФУ (рис. 15), которая возникает под влиянием помех, поступающих вместе с полезным сигналом на вход периодомера. С учетом этой погрешности формула (17) принимает вид

Погрешность срабатывания изменяет измеряемый интервал времени (период), и ее значение определяется отношением напряжения сигнала к напряжению помехи: δcp = Uп /(Ucπ), где Uп и Uс – напряжения помехи и сигнала соответственно.

Электронно-счетные частотомеры применяются не только для измерения частоты и периода. С их помощью можно измерять число импульсов, интервалы времени, отношение двух частот, а используя предварительное преобразование физических величин в частоту или интервалы времени, – скорость, давление, температуру.

Понятие о стандартах частоты и времени. Стандартом частоты называется устройство, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы частоты – герца. Под воспроизведением (воспроизводимостью) понимают точность, с которой будет получаться одна и та же частота при каждом включении данного стандарта или стандартов при переходе от образца к образцу данного кипа. Хранением частоты (времени) называют совокупность средств и действий, обеспечивающих возможность получения значения частоты (времени) в любой момент. Стандарты частоты и времени являются образцовыми мерами и по метрологической иерархии занимают второе место после первичного эталона. Они используются в качестве рабочих эталонов и эталонов-копий.

До 50-х годов текущего столетия в качестве мер частоты использовались генераторы с кварцевой стабилизацией – так называемые кварцевые часы. Частота генерируемых ими колебаний систематически сверялась с периодом обращения Земли вокруг своей оси, который принимался за естественный абсолютный эталон времени. Секунда, основанная на этом эталоне, принимается равной 1/86400 средних солнечных суток на меридиане Гринвича. Время, основанное на астрономических наблюдениях

33

кажущегося движения светил по небосводу, называется всемир-

ным временем (TU-1).

Сверка генераторов с кварцевой стабилизацией осуществлялась по сигналам астрономического времени с помощью встроенных в генератор синхронных часов. Основная частота генератора (обычно 100 кГц) делилась до 1 кГц, и напряжением этой частоты питался синхронный мотор, приводящий в движение стрелки (часовую, минутную, секундную и совершающую 10 оборотов в секунду), расположенные на часовом циферблате. Значение и знак «ухода» часов относительно сигналов астрономического времени определяли значение и знак «ухода» частоты генератора. Длительные и тщательные сравнения результатов астрономических наблюдений с показаниями высокостабильных кварцевых часов в конце 1940-х годов доказали неравномерность вращения Земли вокруг своей оси и, следовательно, непостоянство продолжительности средних солнечных суток и секунды всемирного времени. Непостоянство обнаруживается при нестабильности частоты кварцевого генератора, меньшей 1·10 8.

В1956 году был принят в качестве абсолютного эталона времени тропический год, т. е. период обращения Земли вокруг Солнца. Это равномерно текущее время – эфемеридное время (TU-2), значительно более стабильно, чем всемирное (TU-1), так как оно усреднено за большой интервал времени. Однако оно связано с длительными астрономическими наблюдениями, трудно воспроизводимо и неудобно для практического использования.

В1971 году введена новая система времени – всемирное координированное время (TUC), основанная на принятом в 1967 году атомном определении секунды. Систему времени TUC часто называют атомной системой времени (AT).

Единица времени – секунда – это интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома це- зия-133 при отсутствии возмущений внешними полями. Эта секунда легко воспроизводится в любом месте и в любое время с

помощью стандартов частоты с кварцевой стабилизацией, нестабильность которых в конце 1970-х годов достигла 5·10 9, и более

34

точных – квантовых (атомных) стандартов, нестабильность которых на несколько порядков ниже.

В квантовых стандартах частоты используются квантовые переходы между энергетическими уровнями атомов вещества, которые происходят, если выполняется известное уравнение Бора

где W1 и W2 – энергетические уровни атома; h ≈ 6,626 ·10 34 Дж·с – постоянная Планка. Изменение энергетических уровней вызывают воздействием внешнего электромагнитного поля, частота которого f совпадает с частотой гиромагнитной прецессии электрона μe:

где ħS – механический вращательный момент электрона; Н – напряженность магнитного поля в месте расположения ядра;

ħ= h/(2π); S – спин электрона.

Внастоящее время в качестве рабочего вещества используют цезий, рубидий и водород, поэтому квантовые стандарты частоты называют соответственно цезиевыми, рубидиевыми и водородными. Резонансная частота цезия-133 равна 9 192 631 770 Гц, ру-

бидия-87 – 6 834 682 608 Гц и атомарного водорода – 1 420 405 751,6 Гц. Эти частоты определяются атомными постоянными вещества и потому характеризуются высокими стабильностью, воспроизводимостью и точностью.

Рис. 17. Упрощённая структурная схема квантового стандарта частоты

Квантовый стандарт частоты (рис. 17) содержит три основных узла: генератор с кварцевой стабилизацией Гкв, который создает выходной сигнал и электромагнитное поле для изменения уровней перехода атомов; квантовый стабилизатор КС, сигналами которого стабилизируется частота кварцевого генератора; систему

35

автоподстройки частоты АПЧ. Частота кварцевого генератора, обычно 5 МГц, синтезируется вверх (или умножается) до частоты, близкой к частоте прецессии электрона. Принцип работы цезиевого и рубидиевого стандартов частоты заключается в резонансном поглощении электромагнитных волн сверхвысоких частот в луче атомов цезия или рубидия соответственно. Принцип работы водородного стандарта заключается в возбуждении лучом (пучком) атомов водорода незатухающих колебаний в объемном резонаторе, собственная частота которого равна частоте перехода между энергетическими уровнями атомов водорода. Таким образом, цезиевый и рубидиевый стандарты частоты являются пассивными, а водородный – активным.

Активным квантовым стандартом частоты называется та-

кой стандарт, в котором в качестве опорной используется частота излучения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов; в активном стандарте в качестве стабилизатора используется квантовый генератор.

Пассивным квантовым стандартом частоты называется такой стандарт, в котором в качестве опорной используется частота поглощения электромагнитных волн одного из энергетических переходов атомов; в пассивном стандарте в качестве стабилизатора используется квантовый дискриминатор.

Квантовые генераторы вырабатывают сигналы выходной мощностью не более 10 12–10 11 Вт, поэтому их сначала усиливают с помощью приемника СВЧ, а затем они стабилизируют частоту кварцевого генератора. Выходное напряжение сигнала кварцевого генератора составляет 1 В на нагрузке 50 Ом.

Квантовый стандарт частоты, снабженный часовым блоком, называется синхронометром. В синхронометре формируются сигналы времени и производится индикация текущего времени. Точность таких часов определяется атомными постоянными и потому очень велика. Среднеквадратическая погрешность хранения шкалы времени за сутки синхронометра на базе рубидиевого стандарта составляет 1 мкс, цезиевого – 0,1 мкс и водородного –

0,01 мкс.

Некоторые сведения о серийно выпускаемых стандартах частоты и времени приведены в таблице. Здесь δfср – относительное

36

изменение среднего значения частоты за 1 сут. после 24 ч непрерывной работы; σ – среднеквадратическая относительная случайная вариация частоты за 1 ч.

Понятие об автоматических мостах. Для убыстрения про-

цесса измерения параметров элементов цепей с сосредоточенными постоянными и для повышения точности измерений разработаны и широко используются автоматические мосты с цифровым отсчетом результата измерения в соответствующих единицах измеряемой величины.

Рис. 18. Схема автоматического моста переменного тока с цифровой индикацией по модулю и фазе

Уравновешивание моста постоянного тока осуществляется переключением резисторов в плечах с помощью электронных ключей. Сигналы управления переключателями формируются из напряжения разбаланса моста. При достижении равновесия моста состояние электронных ключей соответствует в некотором коде значению измеренного сопротивления. Этот код преобразуется в единично-десятичный, который используется для управления цифровым индикатором.

37

Уравновешивание моста переменного тока достигается регулировкой двух органов. Сигналы управления формируются из напряжения разбаланса двумя фазовыми детекторами, знаки выходных сигналов которых определяют направления изменения регулировок. Реализация процесса уравновешивания зависит от схемы моста. В мостах, плечи которых состоят из двухполюсников, регулируются сопротивления, а в трансформаторных мостах – число витков. Одна из возможных структурных схем автоматического моста переменного тока приведена на рис. 18.

Автоматическая регулировка осуществляется реверсивными счетчиками PC, управляемыми генераторами счетных импульсов ГСЧ, частота которых изменяется пропорционально напряжению разбаланса, которое получается на выходах двух фазочувствительных детекторов ФД. Направление счета определяется знаком напряжения разбаланса. По мере приближения к состоянию равновесия напряжение разбаланса уменьшается, частота генераторов импульсов уменьшается и скорость уравновешивания замедляется. Процесс уравновешивания прекращается, когда напряжение разбаланса уменьшается до значения, соответствующего отклонению регулирующего органа от состояния равновесия на 0,5 единицы младшего разряда цифрового индикатора ЦИ. Результат измерения представляет собой число импульсов, прошедших через реверсивные счетчики за время уравновешивания моста. Мост питается напряжением генератора Г; для повышения чувствительности напряжение разбаланса усиливается усилителем У. Время измерения составляет 0,03–2 с; погрешность 0,1–0,2%.

Измерение характеристик интегральных схем. В связи с раз-

витием микроэлектроники широко применяются интегральные схемы, представляющие собой комбинацию (сочетание) резисторов, конденсаторов и полупроводниковых приборов. Такие узлы выполняются на основе интегральной технологии и являются неделимыми структурными устройствами, выполняющими различные функции. С точки зрения монтажа интегральная схема является элементом радиотехнической цепи, а с точки зрения назначения– законченным функциональным узлом (усилитель, триггер, умножитель частоты, логическая схема и т. д.). Интегральные схемы ИС характеризуются многими параметрами, которые необходимо измерять для определе-

38

ния работоспособности ИС в условиях ремонта и настройки радиоаппаратуры. Такие измерения (испытания) выполняются с помощью выпускаемыхпромышленностьюиспытателейИС.

Параметры ИС отличаются большими интервалами значений, поэтому испытатель состоит из нескольких измерительных схем, которые коммутируются с выходным прибором (индикатором) при измерении того или другого параметра. Испытатель снабжен сменными многоконтактными адаптерами, с помощью которых включаются ИС с разными корпусами и разным числом выводов.

ИС работают при весьма малых токах (десятые доли микроампера), и перегрузка их цепей недопустима. Поэтому измерение большинства параметров производится при автоматической балансировке измеряемой ИС. Балансировка осуществляется с помощью вспомогательного усилителя, создающего отрицательную обратную связь между выходом и входом измеряемой ИС. При автоматической балансировке измеряются следующие параметры: входные токи и их разности, а также потребляемые токи – по падению напряжения на вспомогательных резисторах; смещение на входе ИС – при нуле напряжения на втором входе ИС. Коэффициент усиления определяется на частоте 1 кГц путем измерения детектированного выходного сигнала и сравнения его с входным сигналом, получаемым от измерительного генератора. Без автоматической балансировки измеряются входные и выходные напряжения и напряжения питания; для этого предусмотрено выключение вспомогательного усилителя обратной связи.

Для массовых измерений и автоматической разбраковки в условиях производства ИС применяется измеритель временных параметров, представляющий собой сложную измерительную установку, обеспечивающую по заданной программе подачу напряжений питания, напряжений статических состояний и тестимпульсов, коммутацию выводов проверяемой ИС, преобразование измеряемых временных параметров в код, сравнение этих параметров с заданными допустимыми значениями, визуальную и цифровую индикацию результатов измерения и классификацию по трем группам – «Группа А», «Группа Б» и «Не годен». Кроме этого, на выходе измерителя предусмотрен сигнал управления внешним автопогрузочным устройством.

39

Выполнение работы

С помощью магазина сопротивлений МСР-60М и образцовых резисторов оценить погрешности измерений цифровым омметром сопротивлений в диапазонах: 1) (1÷10) Ом; 2) (10÷100) Ом; 3) (100÷1000) Ом; 4) (1000÷10000) Ом и объяснить наблюдаемые закономерности.

Контрольные вопросы

1.Каковы физические принципы действия цифровых вольтметров?

2.Каков механизм измерения частоты методом перезарядки конденсатора?

3.Каков механизм измерения частоты методом дискретного

счёта?

4.Каковы стандарты частоты и времени?

5.В чём состоят основные особенности прецизионных измерений частоты и времени?

6.Объяснить принципы действия автоматических мостов при измерении сопротивлений.

Литература

1.Калашников, С. Г. Электричество / С. Г. Калашников. – М.:

Наука, 1985. – 576 с.

2.Кушнир, Ф. В. Электрорадиоизмерения / Ф. В. Кушнир. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с.

3.Зимин, С. П. Физический практикум по электричеству и магнетизму: учеб. пособие / С. П. Зимин. – Ярославль: ЯрГУ, 2010. – 136 с.

40