книги / Электрорадиоизмерения

Например, при сравнении частоты 100 Гц генератора звуковой частоты со стабильностью 10“4 с такой же частотой высокостабильного образцового генератора абсолютное из­ менение частоты составляет 0,01 Гц, т. е. практически фигура Лиссажу (эллипс) получается почти неподвижной.

Если же сравнивать частоты 1 МГц двух радиочастотных генераторов с такой же стабильностью, то вращение фигуры Лиссажу будет происходить с частотой 100 Гц и на экране осциллографа получится светящийся прямоугольник.

Метод калибратора длительности. Если не требуется высокая точность, то измерение частоты можно осуществить методом калибратора длительности, заключающимся в том, что вначале получают осциллограмму исследуемого напря­ жения, измеряют его период при помощи яркостных меток калибратора длительности или же калиброванной по вре­ мени развертки, а затем определяют /А- = 1/Тх.

Измерение частоты следования импульсов. При изме­ рении частоты следования импульсов могут быть исполь­ зованы методы калибратора длительности, круговой раз­ вертки или синусоидальной развертки.

Первый из этих методов заключается в том, что на экране осциллографа получают осциллограмму не менее двух импульсов исследуемого напряжения, определяют при по­ мощи меток времени калибратора длительности их период и затем уже вычисляют частоту следования.

При использовании метода круговой развертки частота образцового генератора, подводимая к фазирующей це­ почке, должна быть заведомо меньше частоты следования импульсов напряжения, подаваемого на управляющий элек­ трод трубки.

Более удобным и точным методом измерения частоты следования импульсов является метод синусоидальной раз­ вертки.

Этот метод состоит в том, что к пластинам X подают напряжение образцового генератора с частотой /0, а к пла­ стинам Y подключают исследуемый импульсный генератор. При этом /о должна быть заведомо меньше

Если частоту генератора синусоидальной развертки плавно увеличивать, то на экране получится осциллограмма

частот /0 и fy на экране осциллографа получится один импульс, неподвижность которого зависит от стабильно­ сти частоты генераторов, Во избежание ошибки, используя

данный метод, следует иметь в виду, что при /0 больше/^ в целое число раз на экране получится тоже один импульс, который развертывается не каждым периодом развертки, а через 1, 2 и т. д. периода.

Данный метод при использовании генератора звуко­ вой частоты, имеющего градуировку расстройки в процен­ тах, удобно применять при измерении стабильности ча­ стоты импульсных генераторов.

9-5. МЕТОД ЗАРЯДА-РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА И МОСТА

Метод заряда-разряда конденсатора используется в так называемых конденсаторных частотомерах с непосредствен­ ным отсчетом измеряемой частоты по шкале прибора.

Этот метод основан на определе­ нии среднего значения разрядного тока в цепи конденсатора, который периодически заряжается и разря­ жается с измеряемой частотой.

Если конденсатор С (рис. 9-8) с по­ мощью переключателя заряжать от какого-либо источника постоянного тока Е и затем разряжать через ми­ кроамперметр с измеряемой частотой /д., то за один период конденсатор получит и потом отдаст через микро­ амперметр заряд

q — CE.

Ввиду того что конденсатор заряжается и разряжается fx раз в секунду, через микроамперметр пройдет ток, рав­ ный

откуда

(9-7)

Из формулы (9-7) следует, что если С и Е постоянны, то микроамперметр можно проградуировать непосредственно в значениях частоты, причем шкала прибора получается равномерной.

Если измеряемая частота не превышает 100—200 Гц, то для коммутации конденсатора с заряда на разряд может

быть использовано поляризованное реле, а при измерении более высоких частот для управления зарядом и разрядом конденсатора применяется электронная лампа или тран­ зистор.

Для расширения диапазона измеряемой частоты в схеме частотомера обычно используют несколько переключаемых конденсаторов С, каждый из которых определяет свой поддиапазон измерения.

Формула (9-7) не справедлива, если величина напряже­ ния Е не будет постоянна. Этот недостаток устраняется применением стабилизаторов, обеспечивающих постоянство границ напряжения заряда и разряда конденсатора. При этом формула (9-7) примет вид:

Основными элементами конденсаторного частотомера являются усилитель-ограничитель и электронный коммута­ тор, являющийся счетной частью прибора.

На рис. 9-9 приведена транзисторная схема электронного ком­ мутатора, работающая следующим образом.

На вход коммутатора с выхода усилителя-ограничителя подается почти прямоугольное переменное напряжение (меандр) измеряемой частоты, которое периодически из­ меняет режим работы транзистора, закрывая или открывая его.

В положительный полупериод подаваемого на вход схемы напря­ жения измеряемой частоты транзи­ стор закрывается. При этом кон­ денсатор С заряжается от H C I оч­

ника питания, стабилизированного стабилитроном Д3 через R, диод Д2 и микроамперметр магнитоэлектри­ ческой системы (Hz). В отрицатель­ ный полупериод исследуемого на­ пряжения транзистор открывается и конденсатор разряжается через транзистор и диод Д Р

Вследующий период работа схемы, т. е. заряд и разряд конден­ сатора, повторяется.

На погрешность измерения частоты рассматриваемым методом влияют быстрота срабатывания коммутатора, постоянство разности напряжения заряда и разряда конденсатора и точность градуировки шкалы прибора.

Врассматриваемой схеме напряжение заряда конденсатора стаби­ лизировано стабилитроном Дя, т. с. практически постоянно, а неста­ бильностью напряжения на открытых транзисторе и диоде Д{ (доли вольта) можно пренебречь.

Примером конденсаторного частотомера промышленного типа является прибор 43-7, работающий в диапазоне частот 10 Гц — 500 кГц с погрешностью измерения 1,5 и 2% в зависимости от диапазона. Входное напряжение измеряемой частоты 0,1—200 В. Для проверки градуировки прибора 43-7 в нем имеется внутренний гетеродин часто­ той 10 кГц с нестабильностью zh 0,5%.

9-6. МЕТОД РЕЗОНАНСА

В зависимости от используемой в приборе колебатель­ ной системы резонансные частотомеры могут быть разде­ лены на две группы: частотомеры, использующие контуры с сосредоточенными параметрами, и частотомеры с конту­

тора которого проградуирована в значениях частоты или длины волны (рис. 9-10).

Градуировка конденсатора по частоте производится на основании существующей зависимости между параметрами контура и его резонансной частотой

(9-9)

2л V LC

Из этой формулы следует, что если индуктивность L контура постоянна, то шкалу конденсатора переменной емкости С можно проградуировать непосредственно в зна­ чениях /.

На практике переменный конденсатор резонансного частотомера, снабженный верньерным устройством, чаще всего градуируется в делениях шкалы и резонансная частота контура определяется по градуировочным табли­ цам или кривым, придаваемым к частотомеру.

Чтобы одним частотомером перекрыть более широкий диапазон частот, используют несколько сменных или пере­ ключаемых катушек индуктивности.

Для получения сравнительно высокой точности измере­ ния частоты к элементам резонансных частотомеров предъ­

являются следующие требования: контур должен иметь высокую добротность; параметры контура L и С должны мало зависеть от окружающей температуры; индикатор резонанса не должен вносить в контур заметного затуха­ ния; шкала конденсатора с помощью соответствующих устройств должна быть разбита на возможно большее число делений.

Индикаторы тока, имеющие малое сопротивление (тер­ моэлектрические приборы, лампочки накаливания), вклю­ чаются обычно последовательно с контуром, а индикаторы напряжения, имеющие большое входное сопротивление (газонаполненные лампы, электронные вольтметры), под­ ключаются к контуру параллельно.

Иногда в резонансных частотомерах дополнительно при­ меняется телефон для обнаружения выделенных детектором частотомера звуковых колебаний. Данный вид индикатора используется при измерении частоты генераторов или передатчиков, имеющих амплитудную или импульсную модуляцию.

При измерении частоты резонансным частотомером его контур индуктивно связывают с контуром исследуемого генератора, настраивают в резонанс на его частоту по мак­ симальному показанию индикатора и производят по шкале конденсатора соответствующий отсчет.

Связь частотомера с исследуемым генератором должна быть слабой, что обеспечивает большую симметрию резо­ нансной кривой и делает ее более острой, так как умень­ шает вносимое в контур частотомера затухание. При силь­ ной связи в контур частотомера вносится также добавочное реактивное сопротивление, что вызывает его расстройку. При этом резонанс контура получается уже на другой частоте.

При измерении частоты маломощного генератора, имею­ щего индикатор в цепи его контура, настройка частотомера в резонанс может быть определена по минимальному пока­ занию индикатора генератора. При резонансе частотомер вносит в контур исследуемого генератора максимальное добавочное активное сопротивление, т. е. затухание.

Этот метод, называемый методом реакции, может быть использован также для измерения частоты радиостанции, на которую настроен радиоприемник (рис. 9-11). При на­ стройке контура частотомера в резонанс с входной цепью приемника громкость звука в телефоне будет мини­ мальна.

Для уменьшения влияния окружающей среды на граду­ ировку частотомера элементы его контура, т. е. конденса­ тор и катушки индуктивности, изготовляют из материалов с малыми температурными коэффициентами или темпера­ турными коэффициентами разного знака.

Погрешность измерения частоты зависит от неточности настройки контура в резонанс.

Если индикатор частотомера имеет погрешность Д/0, то погрешность измерения частоты таким частотомером приб­ лиженно может быть определена по формуле

< 9 ' 1 0 >

где / 0 — показания индикатора при резонансе. Следовательно, для получения высокой точности изме­

рения частоты резонансным частотомером необходимо уве­ личивать добротность его кон­ тура.

Точность измерения частоты резонансным частотомером мо­ жет быть повышена примене­ нием метода двух отсчетов (ме­ тода «вилки»). Этот метод за­ ключается в том, что показа­

двух отсчетов, взятых при некоторой одинаковой расст­ ройке, т. е.

делах 70—80% относительно его максимального показания при резонансе.

На рис. 9-12 изображен график, поясняющий сущность метода двух отсчетов. Из графика видно, что одинаковая расстройка на величину АД и АД относительно частоты Д и соответственно/„ дает различное изменение тока индика­ тора, т. е. разные его приращения АД и Д/0. Изменение тока вблизи частоты Д и Д при одинаковой расстройке

значительно больше, чем вблизи резонансной частоты /0. Поэтому Д и /о определяются экспериментально много точнее, чем /0.

Резонансные частотомеры могут применяться как в диа­ пазоне высоких частот, так и на СВЧ.

Приборы этого типа имеют следующие недостатки: значительную относительную погрешность, а также значи­ тельное потребление мощности, что ограничивает возмож­ ность их применения для измерения частоты маломощных генераторов.

Достоинством резонансных частотомеров является про­ стота их устройства и малая стоимость.

Примером резонансного частотомера промышленного типа с сосре­ доточенными постоянными является прибор 42-2, принципиальная схема которого приведена на рис. 9-13.

Колебательный контур частотомера состоит из конденсатора пере­ менной емкости С, и катушки индуктивности Lt . Связь частотомера с исследуемым объектом осуществляется витком связи L* при помощи кабеля или штыревой антенны, включаемых в гнездо Г. Сопротивле­ ние R служит для согласования кабеля с витком связи. Индикатором резонанса является детекторный прибор, состоящий из чувствительного

микроамперметра И магнитоэлектрической системы и детекторной цепи, содержащей диод Д и индуктивно-емкостный фильтр L3L4CoC3, предназначенный для защиты микроамперметра от наводок при ^иль­ ных электромагнитных нолях исследуемого объекта.

Конденсатор С4 служит для сглаживания низкочастотных состав­ ляющих, возникших при измерении частоты модулированных колеба­ ний.

Конденсаторы С5 и С„ используются для устранения нежелатель­ ных резонансов, возникающих в детекторной цепи, и для фильтрации высокочастотной составляющей.

В частотомере предусматривается возможность подключения к нему при помощи переключателя П дополнительного индикатора (телефона, осциллографа или электронного вольтметра), необходимого при Изме­ рении частоты амплитудно-модулированных колебаний, слабых Полей или при выходе из строя индикатора прибора.

Для обеспечения плавной настройки частотомера его конденсатор имеет верньерный механизм с передаточным числом 1 100, а Также нониус, дающие возможность точной установки частоты. К частото­ меру придается книга его градуировки.

Измерение частоты исследуемого источника частотомером произ­ водится следующим образом. Индуктивно или при помощи штыревой антенны частотомер связывается с источником исследуемых колеба­ ний. При этом связь должна быть как можно слабее не только для получения минимального затухания в контуре, но также во избежа­ ние перегрузки индикатора, который может выйти из строя при до­ статочно большой мощности источника исследуемых колебаний. По­ этому и настройка контура частотомера должна производиться Очень плавно.

Если исследуемые колебания имеют амплитудную или импульс­ ную модуляцию с звуковой частотой, то настройку частотомера Можно предварительно производить по максимальной громкости звука в теле­ фоне, подключенном к зажимам А и В. При этом переключатель П должен быть в положении 2.

Прибор 42-2 состоит из двух отдельных блоков с диапазоном частот 40—85 и 85— 180 МГц. Основная погрешность прибора не пре­ вышает d= 0,075% при пользовании градуировочной книгой и 0,5% при пользовании шкалой непосредственного отсчета. Дополнительная погрешность прибора при температуре от — 30 д о + 50° С не превышает 0,05°/

9-7. МЕТОД НУЛЕВЫХ БИЕНИЙ

Метод нулевых биений, являющийся разновидностью метода сравнения, используется в основном в гетеродин­ ных частотомерах при измерении высоких и сверхвысоких частот.

На рис. 9-14 изображены блок-схема и график, поясняю­ щий измерение частоты этим методом.

График представляет собой линейную зависимость между разностной частотой F = \fx — /г | и частотой гетеродина /г.

Так как плавно меняющаяся частота гетеродина может быть больше или меньше измеряемой частоты, существует

две области звуковых биений 1—2 и 4—5, между которыми находится область нулевых биений. Для измерения частоты методом нулевых биений необходимы градуированный гете­ родин и детектор (смеситель), образующие простейший гетеродинный частотомер. На вход детектора подаются частоты гетеродина и исследуемого генератора, которые, смешиваясь, образуют биения.

Если амплитуда этих сложных колебаний, т. е. биений, изменяется со звуковой частотой, то после их детектирова­ ния в телефоне будет слышен звук разностной частоты.

Гетеродинный. частотомер

в телефоне не появится звук, который, понижаясь (по тону), должен исчезнуть. При этом измеряемая частота будет fx = /г ±(15—20) Гц.

Такая абсолютная погрешность обусловлена тем, что акустические колебания частот меньше 15—20 Гц челове­ ческое ухо не воспринимает.

Нулевые биения получаются также при равенстве гар­ моник гетеродина и генератора измеряемой частоты.

Для повышения точности измерения частоты методом нулевых биений к нагрузке детектора можно подключить прибор магнитоэлектрической системы или осциллограф.

В первом случае при разностной частоте в несколько герц, выделенной детектором, стрелка магнитоэлектриче­ ского прибора будет колебаться с этой же частотой. При

равных же частотах fx и /г колебания стрелки прибора должны прекратиться. Магнитоэлектрический индикатор можно применять только при высокой стабильности ча­ стот /Л. и /г.

При использовании в качестве индикатора равенства частот осциллографа, к вертикально отклоняющим пласти­ нам которого подводится напряжение с нагрузки детек­ тора, при абсолютно одинаковых частотах fx и /г горизон­ тальная линия включенной развертки должна быть на экране осциллографа неподвижной.

Абсолютная погрешность при измерении частоты мето­ дом нулевых биений может быть значительно больше 15—20 Гц вследствие явления захватывания, влияния тем­ пературы, погрешностей градуи­ ровки шкалы ит. п. Например, в частотомере 44-1 при его нормальных условиях работы погрешность измерения доходит

до 400 Гц.

Явление захватывания пред­ ставляет собой подчинение ко­ лебаний одного генератора ко­ лебаниям другого более мощ­ ного генератора. Несмотря на некоторую сравнительно не­ большую расстройку контуров генераторов, их колебания в результате явления захватыва­ ния происходят с одинаковой частотой, т. е. с частотой более мощного генератора.

Область захватывания зна­ чительно шире области нулевых биений, при этом чем сильнее

связь между генераторами, тем шире получается область захватывания, а следовательно, и значительней погреш­ ность при измерении частоты.

Если разница в частотах значительна, то частота коле­ баний каждого генератора будет соответствовать его на­ стройке и явления захватывания не наблюдается.

Явление захватывания поясняется графиками, приве­ денными на рис. 9-15.

Эти графики, представляющие собой зависимость ча­ стоты спорного генератора относительно угла поворота а