книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники
.pdfстоты будет связано с изменением индуктивности при нагреве равенством
AL |
AL 2 Д f |
|
f 2 -j- , |
откуда — = - у - |
и |
|
Tm = fir- |
(З-45) |
Данное измерительное устройство позволяет измерять ТКИ катушек с индуктивностью 1—10 мкгн и ТКЕ кон денсаторов емкостью до 100 пф. Точность измерений определяется погрешностью измерения относительного ухода частоты, погрешностью измерения разности тем ператур и погрешностью индикации нулевых биений.
3-5. ОБРАЗЦОВЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ, ИНДУКТИВНОСТИ И ЕМКОСТИ
О б р а з ц о в ы е с о п р о т и в л е н и я , используемые в радиоизмерительной технике при поверке и градуи ровке измерительных приборов, должны обладать воз можно меньшей зависимостью от температуры и от ча
стоты. |
Частотная |
зависимость сопротивления опреде |
|||
ляется |
главным |
образом |
его |
собственной индуктив |
|
ностью и емкостью. |
образцового |
сопротивления |
|||
Эквивалентная |
схема |
||||
с учетом индуктивности |
и |
емкости |
приведена на |
рис. 3-21. Зависимость сопротивления от частоты для малых сопротивлений (|Д<Ю0 ом) может характеризо ваться величиной фазового угла ф, определяемого соот ношением
где Lr — L — R2C — эквивалентная |
индуктивность и, сле |
довательно, |
|
t = |
(3-46)- |
Качество сопротивления с точки зрения зависимости его величины от частоты характеризуют обычно постоянной времени
1 = |
— RC. |
(3-47) |
|
А |
|
100
Эта .величина является более удобной, чем фазовый угол, так как не зависит от частоты. Чем меньше по стоянная времени, тем меньше полное сопротивление отличается от его активного сопротивления. Образцовые высокочастотные сопротивления конструируются таким образом, чтобы их собственная емкость и индуктивность были возможно меньше. Один из наиболее распростра ненных типов намотки таких сопротивлений показан на
С
---------11---------
я— — czu— гетягл—_
/? |
L |
|
|
Рис. 3-21 Эквивалентная |
Рис. 3-22. Способ |
||
схема образцового сопро |
намотки |
высокоча |
|
тивления. |
стотного |
активно |
|
|
|
го сопротивления. |
рис. 3-22. Проволочные образцовые сопротивления нама тываются обычно из манганина. Они обладают темпера турным коэффициентом порядка 10~5 и постоянной вре мени от 10-7 до :10 ®. Применяются также угольные (мастичные) сопротивления, температурный коэффи циент которых порядка 3- 10~4, а постоянная времени от
10~10 до 10-8.
О б р а з ц о в ы е и н д у к т и в н о с т и в диапазоне радиочастот должны обладать ;ВОЗможно меньшей зави симостью от частоты и возможно
более высокой добротностью. |
|
|
|
||||
Значительное влияние на ча |
|
|
|||||
стотную |
зависимость индуктив |
L |
R |
||||
ности |
катушки |
оказывает |
ее |
||||
|
|
||||||
собственная распределенная |
ем |
Рис. 3-23. |
Эквивалентная |
||||
кость |
и |
емкость |
относительно |
схема |
катушки. |
экрана.
Добротность катушки обусловливается ее омически ми потерями, поверхностным эффектом и диэлектриче скими потерями в изоляции провода и в каркасе катуш ки. Эквивалентная схема образцовой катушки индуктив ности в первом приближении представлена на рис. 3-23, где L —-индуктивность катушки; У?—сопротивление, эквивалентное суммарным потерям; Ск — эквивалентная емкость катушки. Если преобразовать данную схему
101
к последовательно соединенным эквивалентному сопро тивлению R' и эквивалентной индуктивности L', то бу дем иметь:
R’+ /соLг __ {R + iCiL) /соСн |
(3-48) |
R - Т ju>L - f - у’соСк |
|
откуда для достаточно больших значений добротности катушки, т. е. Q > 1,
|
/ ? = F |
R |
(3-49) |
|
-'чУ |
||
U ■ |
(Оу ’ |
(3-50) |
|
|
|
|
|
|
|
<•>») |
|
где (Dp — собственная угловая резонансная |
частота ка- |
||
тушки ш0: |
1 |
|
|
|
|
|
V lcк
Из (3-49) и (3-50) следует, что, для того чтобы соб ственная емкость катушки не оказывала заметного влия ния на ее сопротивление и индуктивность, катушка должна использоваться при частотах со, значительно меньших, чем ее собственная резонансная частота соо.
Образцовые катушки индуктивности, предназначен ные для работы на радиочастотах, изготовляются обыч но на керамическом тороиде, на который обмотка нано сится по винтовой линии гальваническим способом. Та кая катушка обладает минимальной собственной
емкостью, хорошей |
климатоустойчивостью и высокой |
|
добротностью порядка 100—300. |
подразделяются на |
|
О б р а з ц о в ы е |
е м к о с т и |
образцовые конденсаторы постоянной емкости, выпол няемые в виде отдельных конденсаторов или магазинов емкостей, и образцовые конденсаторы переменной емкости.
Образцовые конденсаторы должны обладать ста бильностью градуировки, малыми потерями и малым ТКЕ.
102
В образцовых конденсаторах постоянной емкости в качестве диэлектрика используется обычно высоко сортная слюда, обладающая малыми потерями, высо ким сопротивлением изоляции и хорошими механически ми качествами. Образцовые конденсаторы переменной емкости выполняются с воздуш
ным диэлектриком. Такие конденсаторы |
|
|
UO)C |
||||
обычно экранируются для того, чтобы их |
|
|
|||||
емкость не изменялась в зависимости от |
|
|
|||||
окружающих |
предме |
|
|
|
|
||
тов. Зажим конденсато |
|
|
|
|
|||
ра, соединенный с рото |
1 Э . |
|
|
|
|||
ром, присоединяется к |
|
|
|
||||
экрану и заземляется. |
|
|
|
|
|||
Второй зажим тщатель |
Рис.’ 3-24. Эквива |
Рис. |
3 25. Век |
||||
но изолируется |
от кор |
||||||
лентная схема кон |
торная диаграм |
||||||
пуса. |
|
|
|||||
|
схе |
денсатора с поте |
ма |
конденсато |
|||
Эквивалентная |
рями. |
ра |
с |
потерями. |
|||
ма конденсатора |
с по |
|
|
|
|
терями показана на рис. 3-24, где С — емкость конденса тора; R — сопротивление, эквивалентное его потерям.
Соответствующая данной эквивалентной схеме век торная диаграмма приведена на рис. 3-25. Из векторной диаграммы можно видеть, что потери в конденсаторе можно характеризовать углом, называемым углом по терь и определяемым из равенства
tgS: |
1 |
(3-51) |
|
oiRC |
|||
|
|
Для конденсаторов с воздушным диэлектриком угол потерь б порядка Ю-4, а для слюдяных конденсаторов постоянной емкости порядка (1—5) • ГО-3.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
4-1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ
Освоение все более широкого диапазона частот и по вышение требований к контролю стабильности частоты радиотехнических и электронных устройств способство-
103
вали развитию частотных измерений в самостоятельную и важную отрасль радиоизмерительной техники. Это развитие шло по линии разработки новых методов изме рения частоты и повышения точности измерений. Если до появления электронной лампы измерение частоты при помощи моста переменного тока или резонансного ча стотомера выполнялось с погрешностью порядка 0,1%', то с помощью пьезоэлектрического кварцевого генера тора нестабильность и погрешность измерения частоты были доведены до 0,01 %:.
С развитием техники связи и радиовещания для обес печения одновременной работы максимального количе ства каналов при минимуме взаимных помех резко повышаются требования к точности установки и ста бильности измерения несущей частоты и ширины полосы частот передатчиков. Так, например, при несущей часто те передатчика 25 Мгц и ширине полосы 5 кгц неточ ность установки или нестабильность частоты всего лишь на ±0,01% увеличивает ширину полосы, фактически за нимаемую передатчиком, на ±2,5 кгц, т. е. вдвое. По этому контроль частоты передатчика с погрешностью не более 0,01 %’ может быть выполнен с помощью частото измерительного устройства, погрешность которого должна быть меньше по крайней мере на порядок вели чины, т. е. не должна превышать 1 • 10-5.
Разработка эталонов частоты и прецизионных часто тоизмерительных устройств на базе высокостабильных, термостатированных кварцевых генераторов, мультивиб раторов и интерполяционных методов измерения ча стоты позволила уменьшить погрешность частотных измерений до 10~6—10-8, что соответствует, скажем,
измерению |
расстояния порядка 1000 км с точностью |
до 1 см. |
частота периодического процесса связана |
Так как |
с его' периодом соотношением
то частоту можно измерять в единицах времени. Это используется для поверки первичных эталонов частоты по абсолютному эталону частоты и времени, за который принимается период обращения Земли вокруг своей оси,
104
т. е. интервал времени, равный средним солнечным суткам.
Используемый в радиотехнике диапазон частот под разделяется на два основных поддиапазона: поддиапа зон низких или звуковых частот (15 гц—20 кгц) и под диапазон радиочастот (свыше десятков килогерц). В со ответствии с этим методы измерения частоты подраз деляются на методы измерения звуковых частот и мето ды измерения радиочастот.
Основные методы измерения звуковых частот сводят ся к следующим: сравнение измеряемой частоты с образ цовой с помощью электронного осциллографа, мостовые измерения частоты и измерение частоты электронным частотомером.
Измерения радиочастот производятся следующими методами: резонансным методом (резонансный частото мер); методом электромеханического резонанса (квар цевый калибратор); методом сравнения: измеряемой ча стоты с частотой калиброванного генератора плавного диапазона (гетеродинный частотомер), измеряемой ча стоты с дискретными образцовыми частотами (образцо вые меры частоты), абсолютным методом, основанным на счете числа периодов измеряемого напряжения за определенный интервал времени (электронные счетные устройства).
4-2. ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ
Осциллографические методы измерения частоты
С р а в н е н и е ч а с т о т м е т о д о м ф и г у р Лиссажу при помощи электронного осциллографа произво дится по блок-схеме, показанной на рис. 4-1. Измеряе мая частота Fx подается на вертикально отклоняющие пластины трубки, а на горизонтально отклоняющие пла стины подается известная образцовая частота /ц,срЕсли плавно изменять частоту Fx, то для тех ее значений, при которых отношение ее к образцовой частоте
|
Fx |
__ 'Ц |
:(4-i) |
|
F обр |
^ 2 |
|
|
|
||
где п1, |
«2 — целые числа, |
сложение двух колебаний |
|
в двух |
взаимно-перпендикулярных плоскостях дает на |
105
экране осциллографа неподвижные фигуры, называемые фигурами Лиссажу (рис. 4-2).
Для определения огношения частот по виду наблю даемой неподвижной фигуры нужно вписать ее в прямо угольник; тогда отношение частоты напряжения на вер тикально отклоняющих пластинах к частоте напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах будет равно числу точек касания фигуры с горизонтальной стороной прямоугольника, деленному на число точек касания фи гуры с вертикальной стороной прямоугольника.
Погрешность измеряемой частоты при этом опреде ляется погрешностью образцовой частоты.
Рис. 4-1. Сравнение звуко вых частот" при помощи электронного осциллографа.
С л и ч е н и е |
ч а с т о т |
м е т о д о м |
к р у г о в о й |
р а з в е р т к и . |
Сравнение |
частот методом получения |
фигур Лиссажу на экране осциллографа можно произво дить лишь для близких кратных отношений. При боль шом отношении сравниваемых частот фигуры становят ся настолько сложными, что определение по ним точного отношения частот становится затруднительным. В этом случае сличение частот удобнее, производить при помо щи круговой развертки (рис. 4-3). При этом напряжение образцовой частоты F0бр подается на фазовращатель, со ставленный из конденсатора С и сопротивления R и, будучи усилено усилителями вертикального и горизон тального отклонений, поступает на горизонтальные и вертикальные пластины трубки, образуя круговую раз вертку.
Измеряемая частота Fx подается на усилитель моду лирующего напряжения и поступает на катод трубки,
106
При этом на ее экране возникает вращающийся пунк тирный эллипс с числом пунктиров, равным отношению измеряемой частоты к образцовой. Скорость вращения эллипса определяет погрешность измеряемой частоты по
Рис. 4-3. Сравнение звуковых частот методом круговой развертки.
отношению к образцовой, а направление вращения —- знак этой погрешности.
Относительная погрешность измеряемой частоты
ДFx
(4-2)
Fобр^
где Fx — измеряемая частота;
ДFx — абсолютная погрешность измеряемой частоты; Fобр — образцовая частота;
t — время прохождения пунктиром полного периода, отсчиты ваемое по секундомеру.
Если, например, Еобр = 1 кгц, Fx = 10 кгц, t = 10 сек, то число пунктиров будет равно 10, относительная погрешность измеряемой
частоты 8Х = удг-[q = Ы 0 -4. Абсолютная погрешность измеряемой
частоты составит ДFx — 1 гц.
Из выражения (4-2) следует, что суммарная погрешность сличе ния определится геометрической суммой составляющих погрешностей образцовой частоты 80бр и погрешности отсчета времени ot. Если положить 6Об р = = Ы 0 -5 и считать, что время по секундомеру от считывается с точностью At — 0,2 сек, то относительная погрешность
At
отсчета времени составит В* = —^—= 0,02.
108
Т а к и м о б р а з о м , о т н о с и т е л ь н а я п о г р е ш н о с т ь сл и ч ен и я
Sc л — ] / 320бр + |
S2 |
2% . |
Абсолютная погрешность сличения определится из равенства |
||
Дел |
' , |
(4-3) |
л = д |
||
где дс л — относительная погрешность |
сличения; |
Дел— абсолютная погрешность сличения;
ДFx — абсолютная погрешность сличаемой частоты.
Из (4-3) следует, что Дсл = |
bcnAFx = |
0,02щ, т. в. |
AFx = |
1 гц + 0,02 |
2 4 - |
Метод круговой развертки широко применяется при сли чении частот высокостабильных генераторов и эталонов частоты.
Мостовой частотомер
Принцип действия мостового частотомера основан на определении частоты из условия баланса'мостовой схе мы с известными параметрами сопротивлений плеч, питаемой напряжением измеряемой частоты.
Принципиальная схема мостового частотомера пока зана на рис. 4-4. В этой схеме параметры сопротивлений плеч моста гц r2; r3; r4; L и С являются известными, а питание его производится напряжением измеряемой частоты fx, подведенным к диагонали моста. Во вторую диагональ включен индикатор баланса в виде телефона или электронного вольтметра. Сначала регулировкой сопротивления г3 добиваются баланса амплитуд, при ко-, тором сила звука в телефоне минимальна. В данной схе ме условию баланса амплитуд соответствует равенство
!л |
(4-4) |
|
|
Гг |
|
Затем регулировкой конденсатора |
переменной емко |
сти С достигают баланса фаз, при |
котором наступит |
полное исчезновение звука в телефоне. Условию баланса фаз должно соответствовать равенство
(Pi+ ¥4 — 'Рг + 'Рз- |
(3-10) |
109