книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

При измерении очень больших интервалов времени основной составляющей погрешности становится погрешность образцовой меры, т. е. погрешность кварцевого генератора (рис. 4.6).

Основной составляющей при измерении малых интервалов яв­ ляется погрешность дискретности, т. е. в этом случае можно счи­ тать, что

± 1i n .

Зная частоту следования счетных импульсов F0 (ее выбирают возможно большей для уменьшения погрешности дискретности, причем сверху величина F0 ограничивается быстродействием счет­ чика), можно рассчитать минимальную величину интервала, ко­ торый может быть измерен с заданной погрешностью дискретности:

^х мин = 1 /Ьд F0 = Т0/Ь1.

Примером современного цифрового измерителя временных ин­ тервалов может служить прибор И2-23, который измеряет интер

валы от 1 мкс до 1 с с абсолютной погрешностью + 10~ѴХ± 1 ед. счета.

70

измерительной техники. В современной радиоэлектронике, радио­ физике, автоматике, телемеханике и других областях науки и техники используются сигналы самых разнообразных частот — от инфранизких до сверхвысоких.

Наиболее известными методами измерения частоты являются резонансный, гетеродинный, сравнения с помощью осциллографа, заряда и разряда конденсатора. Каждый из этих методов эффек­ тивен в определенном диапазоне частот при определенной требуе­ мой точности измерений.

Особо следует отметить метод дискретного счета, который в на­ стоящее время получает очень широкое распространение. Метод характеризуется высокой объективностью и точностью результатов измерения, высокой степенью автоматизации процесса измерения, большим быстродействием и т. п. Сочетание этого метода с гете­ родинным позволяет обеспечить измерения в чрезвычайно широ­ ком диапазоне частот: с помощью одного прибора с очень высокой точностью можно измерять частоты, отличающиеся на 12—13 по­ рядков (например, от 0,01 Гц до 10 ГГц).

В диапазоне СВЧ иногда измеряют не частоту, а длину волны,

волны в частоту следует учитывать, что точное значение скорости распространения электромагнитных колебаний в свободном про­ странстве с= (2,99776±0,00004)-1010 см/с и лишь приближенно можно считать, что с= ЗЧ010 см/с.

Метрологические характеристики измерителей частоты вклю­ чают:

—диапазон измеряемых частот;

—допустимую погрешность измерения;

71

— чувствительность, т. е. минимальную величину напряжения или мощности измеряемого сигнала, которые нужно подать на вход прибора для измерения любой частоты диапазона с допусти­ мой погрешностью.

§ 5.2. МЕТОД ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

Метод дискретного счета основан на подсчете количества пе­ риодов измеряемого сигнала за точно известный калиброванный интервал времени Тк. Такая задача обратна задаче измерения временного интервала. Рис. 5.1 иллюстрирует измерение частоты следования импульсов Fx ^ l; T x. Очевидно, что число импульсов N, попадающих в калиброванные «временные ворота» длитель­ ностью Тк, определяется формулой

Если, например, Тк 1 с, то

FX"= N, 1/с.

Для измерения этим методом частоты / х гармонического на­ пряжения последнее необходимо предварительно преобразовать в периодическую последовательность коротких импульсов с перио­ дом Тх =-= 1//х. Положение этих импульсов на оси времени обычно определяется моментами времени, в которые гармоническое на-

Метод дискретного счета реализуется в приборах, называемых электронносчетными частотомерами. Структурная схема частото­ мера приведена на рис. 5.3.

Сигнал, частота которого подлежит измерению, поступает на

пульсы поступают на вход 1 временного селектора. Они проходят на электронный счетчик лишь тогда, когда на входе II селектора действует прямоугольный импульс временных ворот длительно­ стью Тк.

72

В состав генератора калиброванных интервалов времени вхо­ дят кварцевый генератор, формирователь коротких импульсов, де­ кадный делитель частоты этих импульсов и триггер, формирующий импульс временных ворот.

Рис. 5.3.

Нужная длительность временных ворот определяется частотой кварцевого генератора и коэффициентом деления делителя частоты, который делит частоту / к в в 10s раз (s= 1,2,3, ...). Длитель­ ность Тк обычно лежит в пределах от 0,001 до 10 с.

Управляющее устройство содержит схему управления длитель­ ностью временных ворот, схему времени индикации и схему сбро­ са на нуль показаний цифрового индикатора. Обычно предусмат­ ривается разовый и автоматический пуск прибора. При работе в автоматическом режиме частотомер периодически с интервалами

казания читались в единицах частоты (Гц, кГц, МГц). Погрешности измерения частоты имеют ту же природу, что и

погрешности измерения интервалов времени методом дискретного счета. Относительная погрешность длительности Тк временных во­ рот определяется нестабильностью 8КВ кварцевого генератора, из колебаний которого формируются ворота, а относительная по­ грешность дискретности равна

погрешность дискретности резко возрастает.

Полная относительная погрешность измерения частоты опреде­ ляется выражением

73

а полная абсолютная погрешность — выражением

способа ограничены. Например, чтобы измерить частоту 10 Гц с погрешностью не более 0,001%, длительность импульса временных

Таким образом, диапазон измеряемых частот с помощью рас­ смотренного метода ограничен снизу временем измерения. Можно,

конечно, умножить измеряемую низкую частоту (например, в 10 пли 100 раз) и соответственно сократить время измерения. Однако

более приемлемым является другой путь: переход от измерения частоты низкочастотных напряжений к измерению их периода. Из­

мерение периода принципиально не отличается от измерения интер­ валов времени, как это показано в § 4.2.

Обычно в одном приборе совмещаются функции измерителя частоты и измерителя периодов. Для повышения точности измере­

ния периода в генераторе калиброванных интервалов времени на­ ряду с делителями частоты кварцевого генератора применяются

умножители. Сверху диапазон измеряемых частот ограничен быст­ родействием счетчика. Обычно / X м а к с —50 МГц.

Современные цифровые частотомеры, помимо измерения часто­

74

2)использование в качестве счетчика импульсов с ручным и автоматическим сбросом показаний;

3)использование в качестве источника колебаний стабильных частот, для чего на специальные гнезда выводятся напряжения ос­ новной частоты кварцевого генератора, а также напряжения с вы­ ходов делителей и умножителей частоты кварцевого генератора;

4)применение в качестве делителя частоты внешнего сигнала, для чего на переднюю панель выводятся гнезда входа и выхода делителя частоты, имеющегося в генераторе калиброванных ин­

тервалов времени.

сформированные в результате деления частоты кварцевого гене­ ратора, заполняются импульсами, которые также формируются из колебаний кварцевого генератора после умножения его частоты в

цифровых приборов для измерения частоты, периода и отношения частот относятся: диапазоны измеряемых частот, периодов и вре­ менных интервалов, погрешности измерения этих величин, быстро­ действие (время счета), чувствительность, входное сопротивление и входная емкость.

Примером современного цифрового измерителя частоты и пе­ риода является прибор 43-24, имеющий следующие основные ха­ рактеристики:

— диапазон измеряемых частот 10 Гц—50 МГц;

75

биений, фиксируемых индикатором. Индикатор может быть тональ­ ным (телефоны) или визуальным (индикаторная электронная лам­ па, стрелочный прибор, осциллограф). После получения нулевых биений по шкале гетеродина определяют его частоту, и, следова­ тельно, / х, так как при нулевых биениях /* —/ г. Погрешность из­ мерения частоты таким простейшим прибором зависит от точности образцовой меры, т. е. от стабильности частоты и постоянства гра­ дуировки гетеродина, а также от точности фиксации нулевых бие­ ний.

Так как создание высокостабильных генераторов, перестраи­ ваемых в широком диапазоне частот, связано с большими труднос­ тями, в схему измерителя вводят образцовый кварцевый генератор. Генератор создает спектр фиксированных частот (гармоник). С помощью образцового генератора проверяется и корректируется градуировка шкалы гетеродина перед измерением. Для расшире­ ния диапазона измеряемых частот используется не только основная частота гетеродина, но и ряд ее гармоник. При использовании гар­ моник во избежание грубых ошибок нужно знать примерное зна­ чение частоты / х. Структурная схема гетеродинного измерителя частоты с кварцевым калибратором приведена на рис. 5.7.

Перед измерением переключатель П устанавливается в поло­ жение «К» (коррекция). При этом к смесителю подводятся коле­ бания гетеродина и колебания кварцевого генератора. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, которое соответст*

76

вует ближайшей к измеряемой частоте / х «.кварцевой повероч­ ной точке». Индикатор фиксирует наличие биений, которые с по­ мощью плавного изменения в небольших пределах частоты гете­ родина доводятся до нуле­ вых. После коррекции гра­ дуировки гетеродина можно приступать к измерению / х.

дина. Гетеродин подстраивают на частоту, при которой получаются кулевые биения, и производят отсчет в делениях его лимба, нахо­ дя затем точное значение частоты / х по градуировочной таблице, прилагаемой к измерителю.

На рис. 5.8 иллюстрируется получение широкого диапазона час­ тот гетеродина (125 кГц—20 МГц) за счет использования гармо-

Рис. 5.8.

кик в измерителе частоты 44-1. Гетеродин вырабатывает колеба­ ния в двух поддиапазонах частот основной гармоники: 125—250 кГц и 2—4 МГц, т. е. в каждом из поддиапазонов коэффициент

77

перекрытия равен 2. Если измеряемая частота / х лежит внутри одного из указанных поддиапазонов гетеродина, то она сравнива­ ется при помощи нулевых биений с основной частотой гетеродина. В случаях, когда частота / лежит вне поддиапазонов основной гармоники гетеродина, то она сравнивается с его высшими гармо­ никами: при / х =250—2000 кГц используются 2, 4 или 8-я гармо­ ники первого поддиапазона частот гетеродина; при / х = 4 —20МГц ьспользуются 2, 4 или 5-я гармоники второго поддиапазона гете­ родина.

Подобные измерители применяются на частотах от десятков килогерц до десятков (иногда сотен) мегагерц. На более высоких частотах в схему частотомера вводятся дополнительные генерато­ ры, смесители и устройства для увеличения амплитуд высших гар­ моник. Эти меры позволяют расширить диапазон измеряемых час­ тот до десятков гигагерц.

Недостатками гетеродинных частотомеров являются относитель­ ная сложность процесса измерения и необходимость знать пример­ ное значение измеряемой частоты. Погрешность измерения гетеро­ динным методом определяется погрешностями кварцевого генера­ тора и гетеродина, неточностью градуировки шкалы гетеродина и неточностью фиксации нулевых биений. Относительная погреш­ ность измерения для различных приборов лежит в пределах от

5 -ІО“4 до 5 -ІО"6.

Согласно ГОСТ 9771-61 предусмотрены три класса точности ге теродинных частотомеров, характеризуемые основной относитель­ ной погрешностью: I класс — 5-К Г 6; II класс — 5 -10-5; III класс

— 5 -ІО"4.

Примерами гетеродинных частотомеров являются:

— в диапазоне ВЧ прибор 44-1 (диапазон частот 125 кГц—

20 МГц; относительная погрешность не более 4 -ІО-4);

— в диапазоне СВЧ прибор 44-5 (диапазон частот 2,5—18 ГГц;

Разность частот соседних гармоник выбирается меньшей или рав­ ной максимальной частоте пересчета электронного счетчика. С по-

78

Применение преобразования частоты позволяет расширить диа­ пазон измеряемых частот до 10 ГГц. Погрешность измерения со ставляет такую же величину, что и у обычных гетеродинных час­ тотомеров.

§ 5.4 РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД

Резонансный метод измерения частоты основан на использо­ вании явления резонанса в колебательной системе. Он заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колеба­ ний системы и фиксации равенства этих частот. Метод нашел до­ статочно широкое распространение в радиочастотном диапазоне, особенно в области СВЧ, и пригоден в случаях, когда требования к точности относительно невелики. Из веере методов измерения час­ тоты резонансный метод является наиболее простым. В связи с использованием колебательных систем, размеры которых соизме­ римы с длиной волны исследуемых колебаний, резонансный метод широко используется для измерения непосредственно длины вол­ ны колебаний. Поэтому приборы, реализующие этот метод, часто называют волномерами.

Структурная схема резонансного частотомера (волномера) приведена на рис. 5.10. Входное устройство служит для связи ко-

I— ----1

! Орган 1

'наетройкиі

'(/ отсчета \

> ' ---------- 1

Рис. 5.10.

лебательной системы с источником сигнала измеряемой частоты. Связь должна быть возможно более слабой во избежание влияния подключения волномера на исследуемый источник.

Через элемент связи перестраиваемая колебательная система возбуждается сигналом исследуемого источника. С помощью орга­ на настройки частоту собственных колебаний системы изменяют до наступления резонанса. В момент резонанса, фиксируемого по ин­ дикатору, производят отсчет измеряемой частоты или длины вол­ ны по шкале органа настройки.

79