книги из ГПНТБ / Генике, А. А. Геодезические фазовые дальномеры

а

лt-

реагирует только на разность между средними значениями напря­ жений TJсрх и С/ср2 на анодах пентодов.

Если J7cPl = С/ср2, то показания прибора будут равны нулю. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы /щ Rax — J a 2 Ra„. Ho так как Rax выбирается равным Да2і то необходимо, чтобы — = /а2. Величина анодного тока зависит от величины напряжений на управляющей сетке. При одинаковых параметрах ламп анодные токи /ах и /а2 будут равны в том случае, если амплитуды напряжений на управляющих сетках в течение каждого полупериода равны, что имеет место при сдвиге фаз между напряжениями Ü\ и на 90° (см. рис. 85).

Приведенная схема балансного детектора обладает весьма вы­ сокой чувствительностью.

В заключение данного параграфа заметим, что измеряемая в дальномерных устройствах разность фаз зависит как от величины ис­ комого расстояния, так и от частоты используемых колебаний. В связи с этим при использовании компенсационных методов заданное фазовое соотношение, регистрируемое индикаторным устройством, можно получить не только с помощью фазовращателя, но и за счет плавного изменения частоты используемых колебаний.

§ 21. ЧАСТОТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Во всех фазовых дальномерах в момент измерения расстояний необходимо знать масштабную частоту с относительной точностью от 2-10“6 до 2 -ІО-7.

В связи с необходимостью измерения частот с такой высокой степенью точности отпадает возможность использования в дально­ мерах частотомеров низкой и средней точности, которые широко применяются при обычных радиотехнических измерениях.

Другая особенность, с которой приходится встречаться при изме­ рении частот в дальномерах, состоит в том, что масштабные колеба­ ния являются высокочастотными. Поэтому необходимо или исполь­ зовать высокоскоростные частотомеры или принять специальные меры для понижения измеряемых частот.

Методы измерения частот, применяемые в дальномерах, можно разбить на две основные группы:

а) измерение частот диапазонных генераторов, т. е. генераторов, у которых частота может плавно изменяться в определенных пре­ делах;

б) измерение частот генераторов, работающих на фиксирован­ ных частотах, ѵ

Поскольку в диапазонных генераторах не удается обеспечить требуемую высокую стабильность частоты в течение длительного времени, то частота в таких генераторах определяется непосредст­ венно в момент измерения расстояний. Поэтому в дальномерах с плавным изменением масштабных частот частотомер входит непо­ средственно в комплект дальномера. В этих случаях к частотомерам

предъявляются жесткие требования в отношении веса, габаритов и потребляемой мощности.

Если же в дальномере используются фиксированные масштабные частоты, то схемы генераторов имеют, как правило, кварцевую ста­ билизацию. Требуемая стабильность частоты таких генераторов может обеспечиваться в течение длительного времени. В таких слу­ чаях частота ■генераторов периодически проверяется с помощью сигналов эталонных частот, передаваемых в эфир. Эталонирование частот кварцевых генераторов может производиться не только в ста­ ционарных условиях, но и в полевых.

Вданном параграфе рассмотрим принципы действия только тех частотомеров, которые применяются в полевых условиях, причем рассмотрение начнем с частотоизмерительных устройств, исполь­ зуемых для измерения частот диапазонных генераторов.

1.Электронно-счетные частотомеры

Вчастотомерах электронно-счетного типа производится непо­ средственный счет числа периодов колебаний за единицу времени.

Блок-схема такого частотомера приведена на рис. 87.

Рис. 87

Синусоидальные колебания, частоту которых требуется изме­ рить, преобразуются с помощью специального формирующего устрой­ ства в короткие импульсы, причем каждому периоду колебаний соответствует один импульс. С выхода формирующего устройства непрерывная последовательность коротких импульсов поступает в специальный каскад, называемый электронным ключом. Работой электронного ключа управляют кварцевые часы, которые периоди­ чески открывают электронный ключ, например, на 1 с , а затем закрывают его.

Если электронный ключ открыт, то импульсы с выхода форми­ рующего устройства проходят через этот ключ и поступают на счет­ чик, который считает количество пришедших импульсов. При закры­ том электронном ключе счет числа импульсов прекращается.

132

Рассмотрим вкратце принцип действия отдельных узлов элект­ ронно-счетного частотомера.

Преобразование колебаний в импульсы чаще всего решается с помощью триггера, дифференцирующей цепочки и ограничитель-

o'

ного диода. В качестве примера рассмотрим схему несимметричного триггера с катодной связью (рис, 88, а).

В этой схеме первый каскад, собранный на лампе Лг, предста­ вляет собой обычный резистивный усилитель. Но связь этого кас­ када со вторым осуществляется с помощью параллельно соединен­

133

ных конденсатора С и резистора R. При наличии такой связи поло­ жительное напряжение от источника анодного питания Еа попадает на управляющую сетку лампы Л 2• Для компенсации этого положи­ тельного напряжения в цепь управляющей сетки лампы Л 2 включен источник отрицательного смещения — Ес. Второй каскад триггера связан с первым через общий резистор R K, включенный в цепь катода.

В схеме подбираются такие напряжения смещения на лампах Лх и Л 2, чтобы при отсутствии входного сигнала лампа Л і была заперта, а лампа Л 2 открыта.

Если на вход такой схемы подать синусоидальное напряжение UBX, то при определенной положительной величине этого напряже­ ния лампа Л х отопрется, через нее потечет анодный ток іпг. Напря­ жение на аноде лампы Лх , а следовательно, и напряжение иа упра­ вляющей сетке лампы Л 2 при этом уменьшается, что приводит к уменьшению тока іа2. Это в свою очередь приводит к уменьшению напряжения £/вх и увеличению тока іа1: что способствует более быст­ рому отпиранию лампы Лх- Этот лавинообразный процесс заканчи­ вается тем, что лампа Л 2 в течение очень короткого интервала вре­ мени запирается, а лампа Лх отпирается. Напряжение на аноде лампы Л 2 скачком увеличивается до величины Еп. Когда входное напряжение UBX уменьшается, то происходит обратный лавино­ образный процесс, приводящий к запиранию лампы Л г и к отпира­ нию лампы Л 2.

Таким образом, нри подаче иа вход триггера синусоидального напряжения с выхода его снимается напряжение Ua„ прямоуголь­ ной формы (рис. 88, б).

Формирование импульсных сигналов из напряжения прямоуголь­ ной формы производится с помощью дифференцирующей цепочки,

Для того чтобы на выходе остались импульсы только одной поляр­ ности, как показано на графике 4 рис. 88, 6, параллельно резистору R d включается диод D х, обладающий односторонней проводимостью. Для импульсов одной полярности этот диод оказывается закрытым.

Другим важным узлом электронно-счетного частотомера явля­ ются кварцевые часы, которые задают интервал времени счета. Этот интервал чаще всего выбирается равным одной секунде.

Основным узлом кварцевых часов является кварцевый генератор, создающий высокостабильные электрические колебания. Однако получить непосредственно на выходе такого генератора колебания с частотой 1 Гц не представляется возможным. Поэтому кварцевые генераторы на частоты ниже 1000 Гц не изготавливаются. Чаще же всего в частотомерах применяются кварцевые генераторы, работаю­ щие на частотах от 5 до 1000 кГц.

Для получения колебаний с частотой 1 Гц используются специ­ альные каскады, называемые делителями частоты. Большинство используемых в частотомерах делителей частоты работает от импульс-

134

ыых сигналов. В связи с этим гармонические колебания, создавае­ мые кварцевым генератором, преобразуются в импульсные сигналы с помощью рассмотренных выше устройств, состоящих из триггера, дифференцирующей цепочки и ограничительного диода.

В качестве делителя частоты также может быть использован триггер. Однако коэффициент деления одной триггерной ячейки мал и равен всего двум. С целью упрощения электрической схемы элект­ ронно-счетных частотомеров в дальномерах наряду с триггерами применяются делители частоты другого типа, работающие на декат­ ронах.

К ол ьц о, соединяю щ ее

Рис. 89

Декатрон представляет собой многоэлектродную газонаполнен­ ную лампу с холодным катодом. Рассмотрим вкратце конструкцию и принцип действия двухимпульсного декатрона, применяемого в дальномерах.

Этот декатрон, внешний вид которого показан на рис. 89, а, состоит из 30 штыреобразных электродов, симметрично расположен­ ных вокруг дискообразного анода (рис. 89, б ) . Все электроды поме­ щены в баллон, наполненный смесью инертных газов. Штыреобраэные электроды объединены в три группы. В первую группу входит 10 симметрично расположенных относительно анода электродов, называемых индикаторными катодами; 9 из 10 электродов электри­ чески соединены между собой с помощью специального кольца и имеют один вывод. Исключение составляет десятый индикаторный катод, называемый нулевым катодом и имеющий отдельный вывод из колбы лампы. Во вторую группу также входит 10 симметрично расположенных по окружности электродов, называемых первыми подкатодами и имеющих один вывод. Третья группа аналогична вто­ рой. Электроды, входящие в третью группу, называются вторыми подкатодами.

135

При включении декатрона в электронную схему, как показано на рис. 90, а, напряжение Еа оказывается приложенным между анодом декатрона и штыреобразными катодами. При этом между анодом и индикаторными катодами разность потенциалов равна Еа, а между анодом и подкатодами эта разность будет меньше и равна Еа — Едоп, так как в цепь подкатодов включен дополнительный источник постоянного напряжения Еяоп.

а.

Если напряжение Еа превосходит напряжение зажигания декат­ рона, то между анодом и одним из индикаторных катодов возникает ионизация газа, называемая разрядом. Характерной особенностью

-разряда в декатронах является то, что он возникает только около одного какого-нибудь индикаторного катода, несмотря на то, что все индикаторные катоды электрически соединены между собой. Этот разряд, воспринимаемый нами как светящееся пятнышко, воз-/ никает в момент включения около того из катодов, где условия для ионизации газа более благоприятны.

Нормальная работа декатрона заключается в том, чтобы при нодаче на его подкатоды двух смещенных относительно друг друга во времени импульсов перенести разряд с одного индикаторного

136

катода на соседний, что визуально воспринимается как перемещение светящегося пятнышка на 7ю часть окружности, обычно в напра­ влении движения часовой стрелки.

Для создания двух сдвинутых во времени импульсов из одного импульса, подаваемого на вход декатронной ячейки, используется специальная управляющая схема. Одна из таких схем, собранная на лампе Л \, приведена на рис. 90, а, с левой стороны.

Если на вход этой схемы поступает одиночный импульс положи­ тельной полярности от какого-либо другого источника, то с помощью лампы Лх этот импульс усиливается, причем полярность при этом изменяется. Возникший в анодной цепи импульс отрицательной полярности через разделительную емкость С2 и цепочку R 3C3 посту­ пает на 1-й подкатод декатрона. При достаточной величине этого импульса разность потенциалов между анодом и первыми подкато­ дами становится больше, чем между анодом и индикаторными като­ дами. Ионизация газа около ближайшего к «горящему» катоду под­ катода увеличивается, в результате чего разряд переносится на уча­ сток анод — 1-й подкатод.

Следует заметить, что отрицательный импульс с анода лампы поступает не только на первые подкатоды, но и на вторые подкатоды через резистор і?4. Время прихода импульса на вторые подкатоды зависит от времени заряда конденсатора С4. Это время, определяемое постоянной времени і?4С4, подбирается с таким расчетом, чтобы импульсный сигнал на вторых подкатодах появлялся в момент исчезновения импульса на первых подкатодах. В результате этого после прекращения импульса на первых подкатодах разряд с «горя­ щего» первого подкатода переносится на соседний второй подкатод.

После исчезновения импульса на вторых подкатодах светящееся пятнышко перемещается к ближайшему индикаторному катоду. Однако ближайшим к «горящему» второму подкатоду будет уже не тот индикаторный катод, около которого возник разряд вначале, а соседний, смещенный в направлении движения часовой стрелки.

Таким образом, при подаче импульса на вход схемы светящееся пятно, наблюдаемое через стеклянный баллон декатрона, смещается на Ѵіо пасть окружности. После каждых десяти входных импульсов возникает разряд между анодом и нулевым катодом. Этот разряд обусловливает ток через резистор і?7, что приводит к появлению выходных импульсов, частота повторения которых в десять раз ниже частоты входных импульсов. Следовательно, с помощью ука­ занной схемы можно уменьшить частоту повторения импульсных сигналов в десять раз.

Из рассмотрения блок-схемы электронно-счетного частотомера следует, что импульсные сигналы с выхода делителей частоты, кото­ рые входят в состав кварцевых часов, поступают на датчик интервала времени счета. С помощью этого датчика формируется напряжение прямоугольной формы с длительностью полупериода, равного 1 с Это напряжение используется для управления работой электрон­ ного ключа.

137

В качестве датчика интервала времени счета чаще всего исполь­ зуется триггер. На рис. 91 приведена принципиальная схема сим­ метричного триггера с подачей входных импульсов на аноды ламп. Эта схема применяется в электронно-счетном частотомере, входящем в комплект одного из геодезических светодальномеров. Принцип действия триггера аналогичен триггеру с катодной связью. Особен­ ность этой схемы состоит в том, что анодная цепь заземлена, а катод находится под отрицательным напряжением относительно земли. Кроме того, управляющие импульсы подаются не на управляющую сетку, а в цепь анода.

а

Рпс. 91

При подаче на триггер импульсов на выходе его возникает напря­ жение прямоугольной формы, причем длительность между перепа­ дами этого напряжения точно равна временному интервалу между импульсами.

Полупроводниковые диоды Д г и Д 2, включенные на входе триг­ гера, предохраняют его от ложных срабатываний из-за влияния импульсов положительной полярности.

Остановимся теперь на рассмотрении принципа действия элект­ ронного ключа. Напомним, что на электронный ключ с одной сто­ роны поступают импульсные сигналы, количество которых за опре­ деленный отрезок времени требуется подсчитать. С другой стороны

138

на него подаются электрические сигналы, от кварцевых часов, опре­ деляющие интервал времени, в течение которого производится счет числа импульсов.

В качестве примера на рис. 92 приведена принципиальная схема электронного ключа, используемая в частотомерах дальномерных

.устройств. Данная схема представляет собой обычный резистивный усилитель на пентоде, в котором введено дополнительное управление по защитной сетке. Если напряжение на защитной сетке равно —Е0, то лампа запирается, и импульсы не проходят в анодную цепь. В это время счет числа импульсов не производится. Если же напряжение на защитной сетке равно нулю, то лампа работает в обычном режиме усиления. В этом случае импульсы проходят в анодную цепь, а сле­ довательно, и в счетчик импульсов.

Таким образом, про­ должительность счета им­ пульсов определяется дли­ тельностью полупериодов напряжения прямоуголь­ ной формы, подаваемого на защитную сетку элек­ тронного ключа. В свою очередь эта длительность задается кварцевыми ча­ сами.

Счетчики импульсов в

вход декатронной ячейки, светящееся пятно в декатроне смещается на 1/ 10 часть окружности. Следовательно, по положению светящегося пятна можно судить о количестве поступающих на декатрон импуль^ сов. С этой целью перед каждым декатроном помещается круговая шкала, имеющая 10 делений.

Если диапазон измеряемых частот не превышает 10 кГц, то в счетчике используют 4 последовательно включенные декатронные ячейки, причем показания первой от электронного ключа, декатрон­ ной ячейки будут соответствовать единицам, второй — десяткам, третьей — сотням и четвертой — тысячам герц.

Из-за инерционных свойств декатронов рассмотренные выше

частотомер, принимают специальные меры для понижения частот, подлежащих измерению.

139