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

нестабильностью частоты не хуже (1-^10) • ІО-7 за весь полевой сезон.

Помимо высокостабильных кварцевых генераторов, в дальномериых устройствах находят применение малогабаритные низкочастот­ ные генераторы пониженной стабильности.

Поскольку с понижением частоты размеры катушки индуктив­ ности и конденсатора, входящих в колебательный контур, увеличи­ ваются, то на низких частотах (порядка 1000 Гц) приходится отка­ зываться от генераторов с обычным колебательным контуром и заменять их ДС-генераторами.

Форма колебаний, получаемых с помощью А’С-генератора, близка к синусоидальной. Относительная нестабильность частоты характе­ ризуется величиной около (1-ГЮ) • 10_3.

В заключение данного параграфа остановимся вкратце на вопро­ сах, связанных с умножением частоты генерируемых колебаний.

Очень часто при разработке тех или иных генераторных устройств возникает необходимость в том, чтобы частота задающего генератора была в несколько раз ниже частоты колебаний на выходе такого устройства. Такая необходимость появляется, например, в светодальномерах, где иногда для питания модулятора света ис­ пользуются переменные напряжения с амплитудным значением до тысячи вольт и с частотой от 10 до 30 МГц. Понижение частоты задающего генератора целесообразно в данном случае по двум при­ чинам. С одной стороны, это способствует повышению стабильности частоты генерируемых колебаний. Так, папример, при использова­ нии диапазонного генератора в качестве задающего при уменьшении частоты увеличивается емкость колебательного контура, в резуль­ тате чего уменьшается влияние таких нестабильных элементов, как емкость монтажа, лампы и т. п. С другой стороны, получение высоко­ частотных напряжений порядка тысячи вольт связано с использова­ нием в схеме нескольких усилительных каскадов. Если все усили­ тельные каскады настроены на одну и ту же частоту, то это приводит к неустойчивой работе каскадов. Наличие в схеме умножительн^іх каскадов, т. е. каскадов, в которых умножается частота колебаний, способствует, повышению устойчивости работы всего передающего тракта светоДальномера, так как отдельные каскады оказываются настроенными на различные частоты.

Отличительные особенности режима работы умножителей частоты состоят в следующем:

1) рабочая точка на анодно-сеточной характеристике лампы выбрана таким образом, чтобы отсечка анодного тока происходила с нужным нам углом отсечки;

2) колебательный контур, включенный в анодную цепь лампы, настроен на частоту соответствующей гармоники.

Обычно умножитель частоты представляет собой отдельный каскад. Однако в отдельных случаях для упрощения схемы прибора умножительный каскад выполняет одновременно и функции буфер­ ного каскада.

60

§1 4 . УСИЛИТЕЛИ

Вгеодезических свето- и радиодальномерах наряду с генериро­ ванием возникает необходимость и в усилении электрических коле­

баний.

В зависимости от частоты усиливаемых колебаний используют усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты

■(УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ).

Вдальномерах большинство усилителей работает как усилители

напряжения. Исключение составляют оконечные усилители высокой

имеется ряд показателей. Основ­ ными из них являются: коэф­ фициент усиления, частотная и фазовая характеристики, ко­ эффициент нелинейных иска­ жений .

Частотная характеристика усилителя представляет собой зависимость величины коэф­ фициента усиления от частоты усиливаемых колебаний. Типо­ вая частотная характеристика резистивного (апериодического) каскада УНЧ приведена на рис. 24, а.

При изменении частоты входного сигнала изменяется не только величина коэффициента усиления, а следовательно, и выходного напряжения, но и фаза этого напряжения по отношению к фазе напряжения на входе усилителя. Эта зависимость определяется фазовой характеристикой усилителя. Вид фазовой характеристики апериодического каскада УНЧ приведен на рис. 24, б*.

Следует заметить, что в дальномерных устройствах в большин­ стве случаев производится усиление сигналов синусоидальной формы, причем частота этих сигналов обычно соответствует среднему уча­ стку частотной характеристики усилителя. В связи с этим «завалы» частотной характеристики на нижних и верхних частотах не имеют такого большого значения, как в радиовещательных усили­ телях. В то же время значительный интерес приобретает фазовая

* При построении фазовой характеристики усилительного каскада обычно не учитывается постоянный фазовый сдвиг, вносимый лампой и равный 180°. G учетом этого фазовый сдвиг на средних частотах равен не нулю, а 180°.

61

характеристика усилителя, так как во многих случаях приходится учитывать величину фазовых сдвигов, вносимых усилителем, а так­ же нестабильность этих сдвигов в процессе работы усилителя. При проектировании усилителей для геодезических дальномеров, как правило, стремятся к тому, чтобы работа осуществлялась в области средних частот, где фазовая характеристика имеет минимальную крутизну.

В качестве электронных ламп в усилителях низкой частоты свето- и радиодальномеров используются как триоды, так и пентоды. На рис. 25 приведена принципиальная схема апериодического УНЧ на пентоде.

В— о

Рис. 25

Из-за наличия цепи экранной сетки схема УНЧ на пентоде получается несколько сложнее. Однако коэффициент усиления одного каскада такого усилителя может быть значительно больше, чем у УНЧ на триоде (порядка ста и более). Поэтому в тех случаях, когда необходимо получить большое усиление сигнала при неболь­ шом количестве усилительных каскадов, в УНЧ применяются пентоды.

Наряду с усилителями гармонических сигналов в радиодально­ мерах находят применение импульсные усилители. Принципиальная схема импульсного усилителя ничем не отличается от УЙЧ на пен­ тоде. Однако отдельные элементы схемы имеют другие расчетные значения, что вызвано спецификой импульсных сигналов, а именно: необходимостью усиления импульсов одной полярности с минималь­

с симметричным выходом, двухтактные усилители, инверсные и т. д. Поскольку двухтактные усилители применяют в дальномерах для усиления колебаний высокой частоты, то особенности их работы рассмотрим при разборе схем усилителей высокой частоты (УВЧ).

62

Здесь же проанализируем работу применяемого в радиодальномерах инверсного каскада с симметричным выходом, упрощенная схема которого приведена на рис. 27. В литературе такая схема получила название автобалаясного инверсного каскада с общим катодом.

соединен с сеткой этой же лампы. Наличие во втором каскаде обратной связи обусловливает автоматическое выравнивание на­

V

Для облегчения получения высокочастотных напряжений значи­ тельной амплитуды (от 300 до 1500 В) в дальномерах применяют двухтактные усилители. На рис. 29 изображена схема оконечного двухтактного усилителя высокой частоты, используемая в светодальномерах. Переход от несимметричного выхода предыдущего усилительного каскада к симметричному входу двухтактного усили­ теля осуществлен в данном случае с помощью симметрирующего трансформатора Тр, состоящего из индуктивно связанных катушек индуктивности Lj, L 2 и L 3.

В приведенной схеме использован колебательный контур более сложного вида. Он составлен из индуктивностей L4, L6, подстроеч­ ных конденсаторов С1? С% и конденсатора Керра СкерраПод­ строечные конденсаторы необходимы в схеме для точной настройки колебательного контура в резонанс, так как емкость конденсатора Керра в процессе работы изменяется *.

Поскольку коэффициент усиления УВЧ пропорционален резо­ нансному сопротивлению контура, а последнее в свою очередь пропорционально добротности контура, то для получения высокого

* Более подробно о свойствах конденсатора Керра сказано в § 16 данной главы.

выходного напряжения необходимо применять элементы колеба­ тельного контура с малыми потерями.

Двухтактная схема способствует также уменьшению нелинейных искажений, так как на выходе ее отсутствуют колебания четных гармоник.

При работе схемы, изображенной на рис. 29, необходимо учиты­ вать также то обстоятельство, что конденсатор Керра потребляет заметную мощность. Поэтому в таких усилителях используют соот­ ветствующие электронные лампы, которые обеспечивают нужную величину выходной мощности.

§ 15. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ НЕСУЩИХ ЧАСТОТ

Как уже отмечалось в гл. I, в геодезических свето- и радиодаль­ номерах в качестве несущих колебаний, т. е. колебаний, распрост­ раняющихся вдоль измеряемой линии, используются электромаг­ нитные волны оптического или ультракоротковолнового диапазонов. Эти диапазоны различаются длинами волн. Если длина воли опти­ ческого диапазона измеряется микронами, то длина используемых в радиодальномерах ультракоротких волн измеряется сантиметрами и миллиметрами. Однако такое количественное различие в длине волны (или, что то же самое, в частоте) приводит к глубоким каче­ ственным изменениям во многих свойствах и особенностях электро­ магнитных волн. Качественно изменяются при этом и способы возбуждения электромагнитных колебаний различных диапазонов. Поэтому для удобства изучения как свойств электромагнитных волн, так и способов их возбуждения совокупность всех воз­

66

Источники света

Источники света излучают электромагнитные волны в диапазоне от 0,1 до 340 мкм. В этой широкой области для нас наибольший интерес представляют участки с длинами волн от 0,4 до 0,75 мкм (видимая область) и от 0,75 до 1,5 мкм (ближнее инфракрасное излу­ чение). Перспективным является и среднее инфракрасное излучение с длинами волн от 1,5 мкм до 5—10 мкм, пока не используемое из-за отсутствия подходящих приемников.

Прежде чем начать знакомиться с источниками света, приме­ няемыми в светодальномерах, напомним некоторые сведения из све­ тотехники, которые нам понадобятся в дальнейшем. Это прежде всего такие характеристики света, как яркость источника света (В), его сила света (/) и световой поток (Ф), который он посылает. Кроме того, представляет интерес освещенность (Е), создаваемая источни­ ком света на какой-либо поверхности.

Действие света на любой приемник (глаз, фотоэлемент и др.) обусловлено'тем, что световой поток — это поток энергии. При попа­ дании света на приемник энергия передается приемнику, вызывая в нем соответствующие реакции: биохимические процессы в глазу, преобразование в электрический ток в фотоэлементе и т. д. Поэтому все характеристики света должны были бы быть энергетическими. Однако исторически сложилось так, что характеристики света связы­ вались с действием его на человеческий глаз. Правда, в последнее время, в связи с все более широким использованием инфракрасного диапазона, где глаз нечувствителен, и развитием лазерной техники, где получают потоки лучистой энергии большой мощности, сосредото­ ченные в очень узких спектральных областях, намечается тенденция к переходу к чисто энергетическим характеристикам (ватт). Тем не менее пока основную роль играют приведенные выше исторически сложившиеся характеристики.

Яркость источника света характеризует плотность энергии в световом потоке, идущем от единичной площади источника, в данном направлении, т. е. оценивается сам источник света. Сила света харак­ теризует плотность энергии в единичном телесном угле (стерадиане). Световой поток характеризует энергию в данном телесном угле. И, наконец, освещенность характеризует энергию, приходящуюся на единицу поверхности приемника.

Основной единицей в светотехнике является единица силы света — свеча (св). Это Ѵоо силы света, испускаемой одним квадратным сантиметром проекции поверхности полного излучателя при тем­ пературе затвердевания платины. Полным же излучателем можно считать полое тело с малым отверстием, так называемое «абсолютно черное тело». Излучение, выходящее из отверстия, будет полностью соответствовать температуре, до которой нагрет излучатель.

Единицей яркости служит нит (нт)*. Яркость в 1 нит имеет равномерно светящаяся площадка, каждый квадратный метр которой

* Раньше использовалась другая единица яркости ■— стильб (сб). 1 сб = = 104 нт.

дает в перпендикулярном направлении силу света в 1 свепу. Нит имеет размерность — -52.. Применяется и производная от нее еди­

ница— меганит (Мнт), в/миллион раз большая.

Единица светового потока называется люменом (лм). Это световой поток, посылаемый истопником с силой света в 1 свепу внутрь едининного телесного угла (т. е. 1 стерадиан). Размерность люмена —

Между силой света, световым потоком и освещенностью можно установить определенные соотношения. Для простоты дадим их для случая точечного истопника света, т. е. такого, который, во-первых, посылает свет равномерно во всех направлениях и, во-вторых, имеет размеры, много меньшие по сравнению с расстоянием от него до точки наблюдения. Кроме того, поверхность приемника будем располагать перпендикулярно направлению распространения света.

Эти основные соотношения имеют вид

S — площадь поверхности, на которую он падает. Напомним, что освещенность поверхности точечным источником

изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источ­ ника до. освещаемой поверхности.

Помимо этих соотношений для яркости протяженного источника, равномерно излучающего во все стороны, можно написать

где а — площадь поверхности истопника света.

К источникам света, используемым в светодальномер ах, предъ­ являются несколько иные требования,'чем к источникам, применя­ емым для освещения. Так, основным требованием к источнику света для светодальномера является большая яркость. Это требование обусловлено необходимостью создать на сравнительно небольшой площади отражателя возможно большую освещенность. Казалось бы, что для этого достаточно просто увеличить световой поток от источ­ ника света; однако это не совсем так. В светодальномерах свет направляется на отражатель передающей оптической системой, кото­ рая собственно проектирует на него изображение источника света. При этом оказывается, что увеличение размеров светящегося тела больше некоторой величины, определяемой фокусным расстоянием оптической системы, размерами отражателя и расстоянием между ними, не имеет смысла. Это происходит потому, что с увеличением

68

тела накала увеличивается и изображение его в плоскости отража­ теля, т. е. увеличивается расходимость посылаемого пучка света. В результате значительная часть энергии бесполезно пройдет мимо отражателя.

Сказанное легко понять, обратившись к рис. 30. Источник света IS с линейным размером U помещенный в фокальную плоскость объектива Q с фокусным расстоянием F, посылает свет на отража­ тель, имеющий диаметр d1 и находящийся на расстоянии D. Совер­ шенно очевидно, что при неизменном фокусном расстоянии объектива свет расходится тем больше, чем больше размеры светящегося тела. И наоборот, при одном и том же источнике света расхождение светового пучка тем меньше, чем длиннее фокусное расстояние

оптической системы. Отсюда следует, что увеличение светя­ щегося тела больше некоторой определенной величины не имеет смысла.

Так, например, в светодальномере ЭОД-1 фокусное расстояние передающей оптической системы — 1150 мм. Размер светящегося тела, которым является полностью залитый светом лампы накалива­ ния зазор конденсатора Керра, — 1 мм. Наименьшее расстояние, измеряемое ЭОД-1, — около 5 км. Линейный размер светового пятна на этом расстоянии будет около 4,3 м.

Отражатель же имеет диаметр около 0,7 м, т. е. в лучшем слу­ чае, когда измеряется небольшое расстояние, используется не больше 0,15—0,2 мм протяженности светящегося тела, и увеличение его больше этих размеров не имеет смысла, так как освещенность отра­ жателя не повышается. Практически для облегчения наведения на отражатель размеры должны быть несколько бблыпими, примерно 0,3 мм.

Заметим, что таким светящимся телом обладает ртутная лампа ДРШ-100, которая также применяется в ЭОД-1 (при этом заливается светом лишь часть зазора в конденсаторе Керра). Обычно же исполь­ зуемая в ЭОД-1 лампа накаливания СЦ-70 имеет нить накала 3 х X 2 мм, т. е. используется лишь ничтожная часть ее поверхности, а следовательно, и световой энергии.

Как же увеличить световой поток, падающий на отражатель? Это можно сделать, повысив яркость источника света, так как при

69