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

Индикатор резонанса — это измеритель высокочастотного на­ пряжения или тока. В качестве индикатора обычно используется магнитоэлектрический микроамперметр с полупроводниковым де­ тектором. Значительно реже (в основном в диапазоне высоких частот) применяется электронный вольтметр.

Основным узлом резонансных частотомеров является .колеба­ тельная система, устройство которой зависит от диапазона изме­ ряемых частот. Находят применение колебательные системы с со­ средоточенными постоянными (LC-контуры) и колебательные сис­ темы с распределенными постоянными (коаксиальные и объемные резонаторы). Могут также использоваться колебательные системы

сэлементами переходного типа.

1.Колебательные системы с сосредоточенными постоянными состоят из катушки индуктивности и прецизионного конденсатора

переменной емкости со шкалой настройки. Весь диапазон изме­ ряемых частот обычно разделяется на ряд поддиапазонов. Измене­ ние частоты собственных колебаний в пределах каждого поддиа­ пазона производится изменением емкости конденсатора, а пере­ ход от одного поддиапазона к другому — переключением кату­ шек индуктивности.

Перекрытие по частоте при данной катушке L определяется коэффициентом перекрытия

'де

/.макс —

макс

Погрешность измерения зависит от погрешности градуировки шкалы, стабильности элементов, добротности колебательной сис­ темы и составляет величину +(0,1 —1)%. Такие колебательные системы применяются на частотах до 100 МГц. Для колебательных систем с сосредоточенными постоянными характерна индуктивная связь с источником колебаний.

2. Колебательные системы с распределенными постоянными представляют собой отрезки коаксиальных линий (коаксиальные резонаторы) или объемные резонаторы. Коаксиальные резонато­ ры применяются в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн (примерно до частот порядка 10 ГГц).

В современных волномерах, как правило, в качестве коаксиаль­ ных резонаторов применяют четвертьволновые отрезки, замкнутые

80

контактного соединения. Длина отрезка / регулируется перемеще­ нием центрального стержня при помощи микрометрического вин­

Для связи резонатора с источником колебаний измеряемой час­ тоты и с индикаторным устройством предусмотрены две петли связи, которые обычно помещаются в пучность тока, т. е. у ко­ роткозамкнутого конца линии (магнитная связь). Одна петля представляет собой окончание коаксиального кабеля, соединяю­ щего резонатор с источником колебаний. Исследуемый сигнал может также приниматься антенной (штыревой или рупорной). Вторая петля — индикаторная — связана с детектором, к которо­ му подключен микроамперметр. Непосредственная связь петель ничтожно мала и напряжение на индикаторной петле наводится лишь тогда, когда резонатор настроен в резонанс с возбуждающи­ ми его колебаниями.

Связь с источником колебаний выбирается так, чтобы волно­ мер обладал достаточной чувствительностью. Однако при изме­ рении несущей частоты радиоимпульсов чувствительность может оказаться недостаточной. В этом случае резонансные частотомеры снабжаются усилителями.

Добротность коаксиальных резонаторов достигает величины порядка нескольких тысяч, погрешность измерения частоты со­ ставляет + (0,05—0,1)%. Примерами подобных волномеров служат приборы 42-34 (диапазон измеряемых частот 3,3—4,3 ГГц, погреш­ ность измерения +0,05%, чувствительность 0,2 мВт) и 42-36 (диа­ пазон частот 5,5—7,7 ГГц, погрешность ±0,05%), чувствительность

0,2 мВт).

Объемные резонаторы применяются в сантиметровом и мил­ лиметровом диапазонах волн (обычно на частотах выше 3000 МГц). 4аще всего используются цилиндрические резонаторы. Такой резо­ натор представляет собой отрезок круглого волновода, замкнутый накоротко с обеих сторон. На одном конце отрезка находится не­ подвижная торцевая стенка, на другом — перемещающийся короткозамыкающий поршень (рис. 5.11,6).

При перемещении поршня изменяется длина / резонатора, вследствие чего изменяется частота собственных колебаний. Резо­ нанс наступает при

Л.

1— п ~2

где Л — длина волны в волноводе, связанная с длиной волны в свободном пространстве (длиной волны колебаний источника) однозначной зависимостью (для данного типа колебаний в резона­

энергия в резонаторе имеет максимальное значение. Регулировка степени связи волномера с исследуемым источником осуществляет­ ся изменением расстояния /, изменением длины штыря h либо из­ менением положения штыря относительно направления поляриза­ ции электромагнитных колебаний.

82

Пости, что вызывает изменение размеров резонатора и диэлектри­

с люфтами в механизме перемещения органа настройки и зависит также от цены деления отсчетных устройств. В волномерах ис­ пользуются микрометрические винты и. верньерные устройства с числом делений шкалы до 1000. Эти устройства позволяют опреде­ лять положение элементов настройки с ошибкой в единицы мкм (погрешность измерения частоты составляет тысячные — сотые доли процента в зависимости от длины волны).

Погрешность за счет влияния температуры уменьшают приме­ нением специальных сплавов с малым температурным коэффи­ циентом расширения. Влияние влажности учитывается поправка­ ми, вводимыми с помощью таблиц или номограмм.

84

§5.5. МЕТОД ЗАРЯДА И РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА

Воснову метода заряда и разряда конденсатора положен сле­ дующий принцип. Если конденсатор периодически заряжать от ис­ точника некоторого постоянного напряжения, а затем разряжать его через магнитоэлектрический измерительный прибор, измеряю­ щий среднее значение тока, то отклонение подвижной части при­

бора будет пропорционально частоте перезаряда конденсатора. При этом, конечно, необходимо, чтобы параметры импульсов тока разряда (амплитуда, длительность, форма) были неизменными. Шкала прибора в данном случае может быть проградуирована не­ посредственно в значениях частоты перезаряда конденсатора.

На этом принципе созданы измерители частоты с непосредст­ венным отсчетом, в которых конденсатор переключается напряже­ нием неизвестной частоты. Включение в схему нескольких конден­ саторов с разной емкостью позволяет получить одинаковое макси­ мальное значение то«а через индикаторный прибор при различных значениях частоты, т. е. получить несколько поддиапазонов изме­ рения.

В состав частотомера, основанного на описываемом методе, кроме конденсатора и измерительного прибора, входит ряд эле­ ментов, устраняющих зависимость параметров импульса тока раз­ ряда от частоты перезаряда. Принцип построения схемы такого частотомера, ее работу и назначение отдельных элементов рас­ смотрим, воспользовавшись рис. 5.16 и 5.17.

Входное переменное напряжение (рис. 5.17,а), частоту F кото­ рого нужно измерить, усиливается и ограничивается усилителемограничителем (рис. 5.16), на выходе которого получаются почти прямоугольные импульсы ик различной полярности (рис. 5.17,6), поступающие на вход электронного коммутатора. Под воздейст­ вием положительного импульса ключ К коммутатора замыкается, под воздействием отрицательного импульса — размыкается.

85

Будем считать, что при і= 0 в схеме имеет место установив­ шийся режим, когда конденсатор С заряжен до некоторого напря­ жения Е1. Под воздействием отрицательного импульса ключ К раз­ мыкается и начинается заряд конденсатора С через резистор Ri и диод Ді от источника Ди. Однако до величины Еи конденсатор за­ рядиться не сможет, так как, когда напряжение на конденсаторе

Однако как только напряжение на конденсаторе достигает величи­ ны Еі (потенциал катода лампы Л\), открывается диод Д4 и верх­ ний электрод конденсатора С соединяется с катодом лампы Л1. Разряд конденсатора прекращается и до прихода отрицательного импульса на конденсаторе сохраняется напряжение Е\.

честву электричества, приобретаемому за время заряда), равно

<7Р = С [Ег — Еі).

80

сти С, можно изменять пределы частот, измеряемых таким часто­ томером. Большее распространение нашел второй вариант. Погреш­ ность таких частотомеров (иногда их называют конденсаторны­ ми) обусловлена в первую очередь нестабильностью емкости конденсатора и непостоянством падения напряжения на стабилиза­ торе, а также непостоянством параметров элементов, входящих в цепи заряда и разряда конденсатора.

Примером частотомера, реализующего метод заряда и разря­ да конденсатора, является прибор типа 43-7. Диапазон измеряемых частот от 10 Гц до 500 кГц разделен на 12 поддиапазонов. По­ грешность прибора лежит в пределах 1,5—2%. Прибор позволяет

Зависимость вида изображения на экране электроннолучевой трубки от формы и частоты напряжений, поступающих на электро­ ды трубки, обусловили широкое применение осциллографа в ка­ честве индикатора совпадения или кратного, отношения частот двух (иногда трех) источников. Наличие трех входов, возможность получения различных по форме кривых на экране электроннолуче­ вой трубки привели к большому разнообразию осциллографических методов измерения частоты. Наибольшее распространение на практике получили два метода: метод фигур Лиссажу и метод круговой развертки с модуляцией яркости.

Метод фигур Лиссажу (метод интерференционных фигур). Ес­ ли на входы каналов вертикального и горизонтального отклонения

87

подать синусоидальные напряжения, частоты .которых относятся как простые целые числа, то в зависимости от соотношения час тот и от сдвига фаз между колебаниями на экране можно наблю­ дать различные кривые, некоторые варианты которых представ­

лены на рис. 5.18.

Отношение частот может быть подсчитано на основании сле­ дующих соображений. За каждый период напряжения, поданного на вход канала вертикального отклонения, луч дважды пересечет горизонтальную ось. Точно также он дважды пересечет вертикаль-

ную ось за период напряжения, поданного на вход канала горизон­ тального отклонения. Поэтому, подсчитав число пересечений кри­

пересечений, можно определить вторую частоту. Чтобы избежать ошибок при подсчете числа пересечений, нужно проводить гори­ зонталь и вертикаль не через узловые точки кривой.

При больших величинах N z и N y использование метода фигур Лиссажу затруднено из-за малой стабильности измеряемой часто­ ты, так как изменение этой частоты относительно второй, образцо­ вой, частоты вызывает движение кривой на экране осциллографа, в результате чего становится трудно подсчитать число пересечений.

88

В этом случае целесообразно применять другие методы измерения

частоты.

Напряжение, частота которого измеряется, можно подавать на управляющий электрод (модулятор) трубки. В этом случае на экране получится линия, образованная более яркими и более тем­ ными участками. При достаточной амплитуде измеряемого напря­ жения луч в отрицательный полупериод запирается и в результа­ те на экране получается четкая пунктирная линия. По числу штрихов пунктирной линии можно определить отношение измеряе­ мой частоты к частоте развертки (для развертки в этом случае используют синусоидальные колебания образцовой частоты).

При использовании этого метода удобно применять круговую развертку, что легко достигается путем подключения генератора образцовой частоты ко входам каналов горизонтального и верти­ кального отклонения осциллографа через фазосдвигающую RC-це­ почку, как это изображено на рис. 3.12. Такой метод измерения частоты получил название метода модуляции изображения по яр­ кости (или метода пунктира). Техника его применения заключа­

на экране вращается, причем направление вращения зависит от зна­ ка расхождения частот. Величину расхождения и обусловленную им погрешность измерения частоты можно определить, сосчитав с помощью секундомера число дуг т, пробегающих за фиксирован­ ный промежуток времени М через определенную радиальную ли­ нию на экране. Расхождение частот г р вычисляется по формуле

Fp = m j\ t.

Соответствие между знаком Fp и направлением вращения про­ ще всего определить экспериментально, фиксируя направление вра­ щения при заведомо установленных соотношениях Fn3Vi > nFa6р и

^"изм ^ ^^~обр*

Метод фигур Лиссажу (метод синусоидальной развертки) и ме­ тод пунктира нашли свое применение и для измерения частот сле­

89