книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники
.pdfТак как для |
да иной |
схемы |
ф1=ср2= Фз = 0, |
то, |
чтобы |
|
удовлетворить |
(3-10), |
нужно, |
чтобы |
—0, |
что |
может |
быть достигнуто ЛИШЬ при условии (oL='^=T, т. е. при
настройке реактивного плеча моста в резонанс.
При этом измеряемая частота будет равна: |
|
1 |
(4-5) |
и = 2кУ1с |
и может быть отсчитана по градуировочному лимбу кон денсатора.
Мостовые частотомеры имеют рабочий дастазом ча-
Рис. 4-4. Принципиальная |
Рис. |
4-5. Упрощенная схе |
|
схема ' мостового |
часто |
ма электронного частото |
|
томера. |
|
|
мера. |
стот до 20 кгц |
с погрешностью |
измерений порядка |
|
(4—5) • 10-3. |
|
|
|
Электронный частотомер
Принцип действия электронного частотомера основан на заряде конденсатора импульсами измеряемого напря жения. Упрощенная схема электронного частотомера приведена на рис. 4-5. Напряжение измеряемой частоты подводится к сетке лампы. В течение полупериода, когда на сетке отрицательный импульс напряжения, лампа за перта и конденсатор С заряжается постоянным напря жением Е через сопротивление R, диод и магнитоэлек трический индикатор.
В течение второго полупериода, когда на сеже поло жительный импульс напряжения, лампа отпирается, на
но
пряжение на аноде уменьшается и конденсатор разря жается через лампу и сопротивление г. При этом, если постоянная времени заряда и разряда конденсатора значительно меньше периода напряжения измеряемой частоты, то при прохождении каждого отрицательного импульса через индикаторный прибор пройдет количе ство электричества q = C-E. Число отрицательных импульсов в единицу времени будет равно измеряемой частоте fx и, следовательно, в единицу времени через индикатор пройдет количество элек
тричества, равное q-fx, т. е. постоянный ток
|
I=CEfx. |
(4-6) |
|
|
Так как величины С и £ постоянны, |
|
|
||
то, следовательно, показания инди |
Рис. 4-G. Принципиаль |
|||
катора будут пропорциональны ча |
ная |
схема резонанс |
||
стоте |
приложенного |
напряжения и |
ного |
частотомера |
шкала |
его может быть отпрадуиро- |
(И—индикатор резо |
||
|
нанса). |
вана 'непосредственно в единицах ча стоты. Электронные частотомеры используются для из
мерения частоты в диапазоне 10 гц — 100 кгц с погреш ностью, не превышающей ±2% от максимального зна чения шкалы на каждом поддиапазоне.
4-3. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОЧАСТОТ
Резонансный частотомер
Резонансный частотомер представляет собой градуи рованный по частоте колебательный контур, состоящий из катушки, конденсатора переменной емкости и инди катора (рис. 4-6): В качестве индикатора применяется обычно термоэлектрический прибор, включаемый после довательно, или электронный вольтметр, включаемый параллельно контуру.
В качестве индикатора можно использовать также вольтметр с полупроводниковым выпрямителем, связав его через апериодическую цепь с контуром частотомера для уменьшения затухания.
Для измерения частоты частотомер связывается индуктивно с источником измеряемой частоты и враще нием ротора конденсатора С настраивается в резонанс
И»
с измеряемой частотой по максимальному показанию индикатора. Измеряемая частота, равная собственной частоте контура частотомера в момент резонанса, опре делится параметрами контура согласно известному со отношению
1 000
2 к У Ш ’
(4-7)
где L — индуктивность катушки частотомера, мкгн, С — емкость конденсатора, пф;
f — частота, Мгц.
Практически шкала конденсатора переменной емко сти градуируется по образцовому частотомеру .непосред ственно в единицах частоты.
Точность показаний резонансного частотомера определяется стабильностью его градуировки и точностью настройки в резонанс. Изменение первичной градуировки частотомера вызывается изме нением величин L и С под действием температуры, а также оста точных деформаций или старения.
Уменьшение температурных влияний достигается применением катушки и конденсатора с малым температурным коэффициентом.
Погрешности градуировки за счет температурных влияний на катушку могут быть оценены величиной порядка 6х.= 1-10_6, а на конденсатор 6с = 1-10_4. Погрешности за счет остаточных деформа ций и старения б0 = (1—10) • 10-4.
Точность установки резонансной частоты обусловливается остро той резонансной кривой частотомера, т. е. его добротностью и раз решающей способностью индикатора. Количественно погрешность за счет индикации резонанса может быть оценена выражением
„ |
1 1/2Д Т |
|
|
6р ~ |
2Q V |
/ р ’ |
(4‘8) |
где др — погрешность индикации резонанса; А/— разрешающая способность индикаторного прибора по току;
I р — показание индикаторного прибора |
при резонансе; |
Q — добротность контура частотомера. |
|
А/ |
5р = 0 ,1 5 о/ о. |
Если, например, Q = 100;-у- = 0,05, то |
|
'р |
|
Таким образом, погрешность индикации резонанса, |
существен |
|
но превышающая погрешности за счет температурных |
влияний и |
|
старения, определяет в |
основном погрешность показаний резонанс |
|
ного частотомера. При |
надлежащей конструкции, тщательном ме |
ханическом выполнении, достаточно высокой добротности контура частотомера и чувствительности индикаторного прибора погреш ность резонансного частотомера в УКВ диапазоне не превышает
0,1—0,5%, а в ДЦВ диапазоне 0,01—0,05%.
Резонансные частотомеры делятся на 5 классов точности, со ответствующих погрешностям 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 1% (ГОСТ
9772-61).
112
Кварцевый калибратор
Кварцевый калибратор представляет собой генератор с кварцевой стабилизацией, обеспечивающей высокую стабильность генерируемой основной частоты и ее гар моник.
Стабилизация частоты кварцем основана на пьезо электрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект со стоит в том, что если пластину кварца (вырезанную определенным образом относительно осей кристалла) растягивать или сжимать в определенном направлении, то на поверхностях пластины, перпендикулярных прило женной силе, появляются электрические заряды. С дру гой стороны, если такую пластину по местить между двумя электродами, к которым приложена разность потен циалов, то в зависимости от полярно сти приложенного напряжения пласти на будет расширяться или сжиматься.
Если к электродам приложено пере менное напряжение, то пластина квар ца будет вибрировать и амплитуда ко лебаний будет наибольшей при часто те, совпадающей с частотой механи
ческого резонанса пластины. При этом на ее электродах будут появляться заряды переменного знака. Таким образом, в этом случае пластина кварца ведет себя как колебательный контур с. очень стабильными параметра ми и очень малыми потерями. Поскольку частота лампо вого генератора тем более устойчива, чем меньше потери колебательного контура, то применение колебательной системы в виде кварцевого резонатора приводит к ста
билизации частоты генератора.
Упрощенная схема кварцевого калибратора показана на рис. 4-7. В данной схеме кварц включен между ка тодом и сеткой лампы, а нагрузкой в анодной цепи является индуктивность L. Связь между анодным кон туром и кварцем осуществляется через емкость анод—■ сетка лампы. Основная частота калибратора и ее гармо ники дают ряд фиксированных опорных точек для по верки частоты передатчиков и приемников радиостан ций. Погрешность частот, выдаваемых кварцевым калиб ратором, порядка ±0,05%|.
8 — 2 2 4 0 |
113 |
Для поверки передатчиков кварцевый калибратор снабжен детекторным каскадом, который служит для детектирования и прослушивания биений измеряемой частоты с гармониками кварцевого калибратора. При поверке частотной градуировки приемников приемник настраивается на прием незатухающих колебаний квар цевого калибратора в телеграфном режиме и получае мые биения детектируются в детекторе приемника и прослушиваются телефоном на его выходе.
Гетеродинный частотомер
Принцип действия гетеродинного частотомера осно ван на сравнении измеряемой частоты с частотой ка
либрованного |
генератора плавного диапазона, отсчиты |
||||
|
|
ваемой по его шкале. Блок- |
|||
Д ет ект ор |
Гетеродин |
схема |
простейшего |
гетеродин |
|
ного |
частотомера показана на |
||||
|
|
||||
|
|
рис. 4-8. Напряжение измеряе |
|||
|
|
мой |
частоты fx вместе с на- |
||
Рис. 4-8. Блок-схема гетеро- |
пряжением от гетеродина с ча- |
||||
данного частотомера. |
стотой fr поступает |
на детек |
тор. В результате детектирова ния биений колебаний с частотами /ж и /г на выходе де тектора выделяется напряжение разностной звуковой ча стоты
F = d=(fr - f x). |
(4-9) |
Если настраивать гетеродинный частотомер таким обра зом, чтобы слышимый в телефоне разностный тон бие ний постепенно понижался, то в момент, когда звук в те лефоне исчезнет, будут происходить нулевые биения, при которых разностная частота равна нулю. При этом измеряемая частота fx будет равна частоте гетероди на fr и может быть отсчитана непосредственно по его шкале.
Точность гетеродинного частотомера определяется погрешностью отсчета нулевых биений и погрешностью частоты гетеродина. Погрешность определения нулевых биений может быть существенно уменьшена до единиц и долей герца методом вторичных биений. Этот метод основан на получении одинакового разностного тона биений между измеряемой частотой и частотой гетеро-
114
Дина по одну и по другую сторону от нулевых биений. Если 'Настроить гетеродин на разностный тон F ниже нулевых биений, то частота гетеродина при этом будет равна:
fT= L - F . |
(4-10) |
Если затем, повышая частоту гетеродина, настроить его на тот же разностный тон F выше нулевых биений, то частота гетеродина будет равна:
|
|
(4-П) |
Согласно (4-10) и (4-11) |
измеряемая |
частота |
|
к + г; |
(4-12) |
1х — |
2 |
Погрешность частоты гетеродина будет обусловли ваться погрешностью первичной градуировки, погреш ностью от изменения градуировки под влиянием клима тических факторов, остаточных деформаций деталей схемы, от смены ламп или изменения их параметров и погрешностью отсчета частоты по шкале.
Точность гетеродинного частотомера повышается при сочетании гетеродина плавного диапазона с опорным кварцевым генератором, гармоники которого исполь зуются в виде ряда опорных частот для коррекции гра дуировки гетеродина плавного диапазона в процессе измерения.
Принципиальная |
схема такого гетеродинного частотомера на |
||
диапазон частот 125 |
кгц — 20 |
Мгц приведена на рис. 4-9. Основ |
|
ными |
элементами |
прибора являются: кварцевый генератор на |
|
1 000 |
кгц, основная |
частота |
и гармоники которого используются |
для контроля градуировки плавных диапазонов частотомера; ге теродин высокой частоты на два плавных диапазона 125—250 кгц и 2—4 Мгц, при использовании гармоник которого достигается плавное перекрытие измеряемых частот во всем рабочем диапазо не; смеситель, связанный с кварцевым генератором, плавным гете родином и источником измеряемой частоты; усилитель низкой ча стоты.
При измерении частоты сначала производят коррекцию гра дуировки гетеродина плавного диапазона по кварцевому калибра тору, а затем получают нулевые биения измеряемой частоты с ос
новной частотой или гармониками |
гетеродина плавного диапазона. |
8* |
115 |
В гетеродинных частотомерах УКВ диапазона для повышения точности и надежности измерений исполь зуются обычно два гетеродина: широкодиапазонный с относительно небольшой стабильностью частоты и узкодиапазонный, высокостабильный. При измерении частоты сначала получают нулевые биения измеряемой частоты с основной частотой или с одной из гармоник широкодиапазонного гетеродина. Затем уточняют ре зультат, получая нулевые биения широкодиапазонного гетеродина в установленной точке (биений с измеряемой частотой) с основной частотой или о одной из гармоник точного гетеродина.
|
Блок-схема |
гетеродинного |
|
|||||||
частотомера на диапазон частот |
|
|||||||||
50 кгц—50 Мгц приведена на |
|
|||||||||
рис. 4-10. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Основными элементами ча |
|
||||||||
стотомера являются: широко |
|
|||||||||
диапазонный гетеродин на диа |
|
|||||||||
пазон |
частот |
50 |
кгц—50 Мгц |
|
||||||
с |
относительной |
нестабильно |
|
|||||||
стью частоты 0,5%; точный ге |
|
|||||||||
теродин |
на |
диапазон |
частот |
|
||||||
2,5—'3,75 Мгц |
с |
относительном |
|
|||||||
нестабильностью частоты 5J10-5. |
|
|||||||||
Узкодиапазониый |
|
гетеродин |
|
|||||||
имеет растянутую шкалу с вы |
|
|||||||||
сокой |
|
разрешающей |
способ |
|
||||||
ностью; |
кварцевый |
генератор |
|
|||||||
для калибровки |
гетеродина |
с |
|
|||||||
номинальным |
значением |
часто |
|
|||||||
ты |
100 |
|
кгц± 3 гц\ смеситель |
и |
|
|||||
усилитель низкой частоты. |
|
|
||||||||
|
Перед измерением произво |
Рис. 4-10. Блок-схема гетеродин |
||||||||
дится |
коррекция |
градуировки |
||||||||
ного частотомера УКВ диапазона. |
||||||||||
точного |
гетеродина |
по кварце |
||||||||
|
вому калибратору. Затем изме ряемая частота определяется приближенно по нулевым биениям с ко
лебаниями широкодиапазонного гетеродина. Полученный результат уточняется с помощью точного гетеродина. Например, если при измерении частоты с помощью широкодиапазонного гетеродина получено значение f'x= 39,7 Мгц, а нулевые биения широкодиапа зонного гетеродина в этой точке с точным получаются при показа нии точного гетеродина fT—2 650 кгц, то это значит, что нулевые биения происходят с 15-й гармоникой точного гетеродина и окон чательное значение измеряемой частоты будет равно /^ = 2 65015= = 39 750 кгц.
По точности гетеродинные измерители частоты делятся на три класса, определяемые величиной основной относительной погреш ности: 1 — 5 - 10-6, II — 5 • IQ-5 и III — 5 - 10—* (ГОСТ 9771-61).
Образцовые меры частоту
Образцовые меры частоты в зависимости от их назначения и точности подразделяются на первичные и вторичные эталоны частоты и образцовые меры 1-го, 2-го и 3-го разрядов. Первичный эталон частоты пред ставляет собой генератор, частота колебаний которого
втечение долгого периода времени поддерживается по стоянной с наивысшей достижимой для данного состоя ния измерительной техники точностью, называемой метрологической. Точность первичных эталонов частоты, у которых источником образцовых частот является высокостабильный кварцевый генератор, составляет по рядка 4 • 10~9. За последние годы разработаны так называемые молекулярные эталоны частоты, у которых
вкачестве источника образцовых частот используются частоты спектров поглощения некоторых газов, напри мер линия поглощения аммиака соответствует частоте 23870,1 Мгц. Поскольку частота молекулярного резо нанса отличается исключительно высокой стабиль ностью, то в эталонах частоты, выполненных на этом
принципе, достигается точность порядка (3—б) • 10~10. Первичные эталоны частоты регулярно поверяются по сигналам точного астрономического времени, т. е. не посредственно по абсолютному эталону частоты и вре мени, каковым является период обращения Земли во круг своей оси. Вторичные эталоны частоты, точность которых порядка 1- 10-8, поверяются сличением их ча стот с образцовыми частотами, передаваемыми по радио или проводам от первичного эталона частоты.
Образцовые меры частоты 1-го, 2-го и 3-го разрядов (именуемые также «стандарт частоты» или «прецизион ное частото-измерительное устройство») представляют собой устройства для выдачи, сличения и измерения ча стот с точностью ниже метрологической (порядка 1 • 10-7—1-10~6). Эти образцовые меры частоты приме няются для практических работ по поверке и градуиров ке частотоизмерительной аппаратуры и для различных прецизионных частотных измерений.
Упрощенная блок-схема образцовой меры частоты показана на рис. 4-11. Основными элементами блок-схе мы являются образцовый генератор, делители и умно жители частоты, блок сличения, который служит для
118
поверки образцовой меры частоты по эталону частоты, и частото-измерительное устройство.
Образцовый генератор — источник образцовой часто ты — представляет собой высокоста1б|ильный, термостати рованный кварцевый генератор, работающий на фикси рованной частоте 50, 100, 200 кгц или 1 Мгц.
Принцип получения от образцового генератора серии образцовых частот во всем диапазоне, используемом ддя
целей связи и радиовещания, основывается |
|
|
|
||||||||
на том, что всякое колебание сложной фор |
|
|
|
||||||||
мы состоит из ряда простых синусоидаль |
|
|
|
||||||||
ных колебаний—‘гармоник, частоты кото |
|
|
|
||||||||
рых являются кратными основной частоте |
|
|
|
||||||||
сложного |
колебания. |
Наиболее |
часто |
|
|
|
|||||
используются для получения серии образ |
|
|
|
||||||||
цовых частот колебания мультивибратора, |
|
|
|
||||||||
форма |
которых |
приближается |
к |
прямо |
|
|
|
||||
угольной и содержит до 300—500 гармоник. |
|
|
|
||||||||
Колебания мультивибратора, будучи син |
|
|
|
||||||||
хронизированы |
напряжением |
образцового |
|
|
|
||||||
генератора, обладают той же стабиль |
|
|
|
||||||||
ностью и являются, следовательно, образ |
|
|
|
||||||||
цовыми частотами. Если синхронизация |
|
|
|
||||||||
производится на основной частоте мульти |
|
|
|
||||||||
вибратора, то имеет место умножение ча |
|
|
|
||||||||
стоты, а при, синхронизации на одной из его |
Рис. |
|
4-11. |
||||||||
гармоник |
происходит |
деление |
частоты. |
|
|||||||
Упрощенная |
|||||||||||
В образцовых мерах частоты умножение и |
блок-схема |
||||||||||
деление |
|
частоты образцового |
генератора |
образцовой |
|||||||
производится с |
помощью ряда |
мультивиб |
меры |
часто |
|||||||
раторов согласно блок-схеме рис. 4-12. Так, |
ты. |
|
|||||||||
например, если образцовый генератор рабо |
|
|
им |
||||||||
тает на |
частоте |
100 |
кгц, то |
при |
синхронизации |
||||||
мультивибратора |
с |
основной |
частотой 100 |
кгц |
и |
по |
лучении стабильных гармоник от этого мультивиб ратора с частотами 200, 300, 400 кгц и т. д. про исходит умножение частоты. Одновременно образцо вый генератор синхронизирует второй мультивибратор с основной частотой 10 кгц на его 10-й гармонике, часто та которой равна частоте образцового генератора. Гар моники второго мультивибратора дают ряд стабильных частот 20, 30, 40 кгц я т. д., меньших 100 кгц, т. е. в этом случае происходит деление частоты.
119