6.2.3. Метод сравнения.

Измерение частоты по схеме прямого уравновешивания осуществляется методом сравнения. Для реализации этого метода неизвестную частоту сравнивают при помощи устройства сравнения (УС) с известной частотой отградуированного генератора сигналов, выполняющего роль меры . Тип и характеристики генератора сигналов и устройства сравнения определяются требуемой точностью измерений и диапазоном частот.

Сравнение частот с использованием осциллографа в качестве УС можно проводить для любых частот в пределах полосы пропускания осциллографа. Измерения проводят при линейной, синусоидальной и круговой развертках.

При линейной развертке сигнал измеряемой частоты сравнивается с частотой меток времени калибратора длительности. Сравнение производится следующим образом. Напряжение частотой подается на вход Y, а напряжение с выхода калибратора длительности - в канал Z (на модулятор трубки). Генератор развертки включен. Устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и реализуют частоту меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. В этом случае измеряемая частота , где n - число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения.

Синусоидальная развертка получается в том случае, если внутренний генератор развертки выключить и подать напряжение образцовой частоты в канал X, а неизвестной - в канал Y. Изменяя образцовую частоту, добиваются получения осциллограммы в виде неподвижной или медленно меняющейся фигуры Лиссажу. Форма фигуры Лиссажу зависит от амплитудных и фазовых соотношений между напряжениями образцовой и измеряемой частот. Кратность частот определяют по максимальному числу пересечений фигуры прямыми линиями в направлениях осей X и Y. Отношение количества, пересечений служит мерой кратности частот.

Г

етеродинный метод сравнения частот основан на получении сигнала разностной частоты при помощи нелинейного устройства - детектора, модулятора, смесителя. В спектре выходного сигнала нелинейного устройства НУ (рис. 6.14) имеются составляющие с разностной частотой (частотой биений) , между известной частотой генератора и измеряемой . При равенстве частот и частота биений равна нулю, поэтому гетеродинный способ называют способом нулевых биений. В качестве индикатора применяют головные телефоны (наушники). По мере сближения частот тон звука понижается, так что при исчезновении звука можно считать, что в пределах 16...20 Гц частоты и равны. При сравнении высоких частот (более ) относительная погрешность оказывается приемлемой. Если же вместо человеческого уха для индикации нулевых биений применить магнитоэлектрический миллиамперметр, то разрешение разности частот можно увеличить на порядок - до долей герца. Таким образом в гетеродинном методе мерой является частота, выдаваемая гетеродином, устройством сравнения - индикатор с нелинейным элементом, выдающим сигнал разностной частоты.

6.2.4. Гетеродинный частотомер.

Для точных измерений частоты в диапазоне сверхвысоких частот, где ЭСЧ не удается построить в силу ограничений по быстродействию, присущих элементам и узлам для дискретного счета, наибольшее распространение получили гетеродинные частотомеры. Принцип действия гетеродинного частотомера - это выделение разностной частоты между частотой измеряемого сигнала и известной частотой высокостабильного перестраиваемого генератора - гетеродина, и измерение ее при помощи ЭСЧ. Структура гетеродинного частотомера приведена на рис. 6.15а. Обобщенная структурная схема приведена на рис. 6.15б.

ЭСЧ выполняет две функции: 1) содержит в своем составе меру - кварцевый генератор, и выдает известную высокостабильную частоту ; 2) производит операцию измерения разности . Рассмотрим, каким образом производится преобразование и , а также их сравнение. Сигнал, частота которого измеряется, поступает на вход смесителя. На смеситель поступает также сигнал гетеродина. Сигнал гетеродина формируется путем умножения при помощи умножителя частот, который вместе с усилителем представляет собой генератор гармоник и выдает дискретный спектр гармоник , ,...,  . Затем из смеси гармоник при помощи перестраиваемого вручную или автоматически фильтра ФВЧ с отградуированной по частоте шкалой выделяется одна из гармоник , которая и поступает на смеситель в качестве величины . На смесителе образуется разностная частота , которая, измеряется ЭСЧ. Значение определяется сложением частоты гетеродина и частоты, измеренной ЭСЧ, . Правильность измерения частоты (номера) гармоники можно проконтролировать. Для этого перестраивают фильтр на следующую более высокую гармонику опорного сигнала и из показаний по шкале фильтра, которые будут очевидно равны , вычитают , то есть образуют разность

(6.30)

Оба результата должны совпадать. На практике эта процедура однозначна, если всегда перестраивать ФВЧ от более низких к более высоким частотам. Погрешность измерения частоты при использовании гетеродинных преобразователей не превышает погрешности ЭСЧ, которая уже включает как нестабильность , так и погрешности дискретного счета. Систематическая погрешность определяется погрешностью установки номинальной частоты кварцевого генератора и его долговременной нестабильностью, а случайная - кратковременной нестабильностью и погрешностью дискретности.

Другой вариант гетеродинного частотомера - это совокупность ЭСЧ и переносчика частоты с фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ) по частоте измеряемого сигнала. Схема измерения частоты приведена на рис. 6.17.

Это схема преобразования, в которой на устройстве сравнения (смесителе) выделяется разность измеряемой частоты и умноженной в n раз частоты гетеродина. При этом частота гетеродина и номер гармоники n выбираются такими, что их разность равна постоянной величине , равной опорной частоте кварцевого генератора ЭСЧ. Для этого напряжение гетеродина поступает на смеситель, куда поступает и сигнал . Усилитель промежуточной частоты выделяет разностную частоту . Система ФАПЧ, содержащая фазовый детектор, фильтр низких частот, усилитель постоянного тока, перестраивает и поддерживает автоматически такую частоту гетеродина, чтобы . Благодаря этому частота гетеродина синхронизирована с частотой измеряемого сигнала. Режим синхронизации может наступить при двух впадениях частоты гетеродина и , при которых: или , откуда

Гетеродин работает в диапазоне частот, в котором частота может быть измерена при помощи ЭСЧ.

Очевидно, для того, чтобы определить , необходимо установить номера гармоник m и n. Для определения их необходимо знать ориентировочное значение частоты . Значение определяют путем последовательных измерений частоты .

(6.31)

Первое - при настройке на , а второе - при настройке на . Номер гармоники определяют по формуле .

Погрешность измерения частоты данным прибором определяется погрешностью значения и погрешностью автоматического поддержания при помощи ФАПЧ постоянной разности частот соответствующей гармоники гетеродина и измеряемого сигнала.

Подведем итоги.

1. Гетеродинный метод измерения частоты в совокупности с ЭСЧ позволяет расширить диапазон измеряемых с погрешностью частот до 100 ГГц и более.

2. В качестве всегда используется частота кварцевого генератора, входящего в состав ЭОЧ.

3. Основными преобразованиями величины и является умножение на m измеряемой , умножение на n частоты гетеродина при обязательном условии, что разность остается неизменной.