6.3. Метод сравнения

Измерение частоты по схеме прямого уравновешивания осуществляется методом сравнения. Для реализации этого метода неизвестную частоту f_x сравнивают при помощи устройства сравнения (УС) с известной частотой отградуированного генератора сигналов, выполняющего роль меры x_д. Тип и характеристики генератора сигналов и устройства сравнения определяются требуемой точностью измерений и диапазоном частот.

Сравнение частот с использованием осциллографа в качестве УС можно проводить для любых частот в пределах полосы пропускания осциллографа. Измерения проводят при линейной, синусоидальной и круговой развертках.

При линейной развертке сигнал измеряемой частоты f_x сравнивается с частотой f_м меток времени калибратора длительности. Сравнение производится следующим образом. Напряжение частотой f_x подается на вход Y, а напряжение с выхода калибратора длительности - ­в канал Z (на модулятор трубки). Генератор развертки включен. Устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и реализуют частоту меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. В этом случае измеряемая частота , где n - число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения.

Синусоидальная развертка получается в том случае, если внутренний генератор развертки выключить и подать напряжение образцовой частоты в канал X, а неизвестной - в канал Y. Изменяя образцовую частоту, добиваются получения осциллограммы в виде неподвижной или медленно меняющейся фигуры Лиссажу. Форма фигуры Лиссажу зависит от амплитудных и фазовых соотношений между напряжениями образцовой и измеряемой частот. Кратность частот определяют по максимальному числу пересечений фигуры прямыми линиями в направлениях осей X и Y. Отношение количества пересечений служит мерой кратности частот.

Г

етеродинный способ сравнения частот основан на получении сигнала разностной частоты при помощи нелинейного устройства: ­детектора, модулятора, смесителя. В спектре выходного сигнала нелинейного устройства НУ (рис. 6.3) имеются составляющие с разност­ной частотой (частотой биений) , между известной частотой генератораf_г и измеряемой f_x. При равенстве частот f_x и f_г частота биений равна нулю, поэтому этот способ называют способом нулевых биений. В качестве индикатора применяют головные телефоны (наушники). По мере сближения частот тон звука понижается, так что при исчезновении звука можно считать, что в пределах 16...20 Гц частоты f_x и f_г равны. При сравнении высоких частот (более 10⁶ Гц) относительная погрешность оказывается приемлемой. Если же вместо человеческого уха для индикации нулевых биений применить магнитоэлектрический миллиамперметр, то разрешение разности частот можно увеличить на порядок - до долей герца. Таким образом в гетеродинном методе мерой x_д является частота, выдаваемая гетеродином, а устройством сравнения - индикатор с нелинейным элементом, выдающим сигнал разностной частоты.

6.4. Гетеродинный частотомер

Для точных измерений частоты в диапазоне сверхвысоких частот, где ЭСЧ не удается построить в силу ограничений по быстродействию, присущих элементам и узлам для дискретного счета, наибольшее распространение получили гетеродинные частотомеры. Принцип действия гетеродинного частотомера - это выделение разностной частоты между частотой измеряемого сигнала и известной частотой высокостабильного перестраиваемого генератора (гетеродина) и измерение ее при помощи ЭСЧ. Структура гетеродинного частотомера приведена на рис. 6.4,а Обобщенная структурная схема приведена на рис. 6.4,б.

Э

СЧ выполняет две функции:

1. содержит в своем составе меру x_д - кварцевый генератор, и выдает известную высокостабильную частоту f₀ ;

2) производит операцию измерения разности x_изм – x_д.

Рассмотрим, каким образом производится преобразование x_изм и x_д, а также их сравнение. Сигнал, частота которого измеряется, поступает на вход смесителя. На смеситель поступает также сигнал гетеродина. Сигнал гетеродина формируется путем умножения при помощи умножителя частот, который вместе с усилителем представляет собой генератор гармоник и выдает дискретный спектр гармоник 2 f₀, 3 f₀, ..., n f₀. Затем из смеси гармоник при помощи перестраиваемого вручную или автоматически фильтра ФВЧ с отградуированной по частоте шкалой выделяется одна из гармоник nf₀, которая и поступает на смеситель в качестве величины x_действ. На смесителе образуется разностная частота f_x – n f₀, которая измеряется ЭСЧ. Значение f_x определяется сложением частоты гетеродина и частоты, измеренной ЭСЧ, f_x = n f₀ + (f_x – n f₀). Правильность измерения частоты (номера) гармоники можно проконтролировать. Для этого перестраивают фильтр на следующую более высокую гармонику (n +1) f₀ опорного сигнала и из показаний по шкале фильтра, которые будут очевидно равны (n +1) f₀, вычитают f_x, то есть образуют разность

. (6.8)

Оба результата должны совпадать. На практике эта процедура однозначна, если всегда перестраивать ФВЧ от более низких к более высоким частотам. Погрешность измерения частоты при использовании гетеродинных преобразователей не превышает погрешности ЭСЧ, которая уже включает как нестабильность f₀, так и погрешности дискретного счета. Систематическая погрешность определяется погрешностью установки номинальной частоты кварцевого генератора и его долговременной нестабильностью, а случайная - кратковременной нестабильностью f₀ и погрешностью дискретности.

Другой вариант гетеродинного частотомера - это совокупность ЭСЧ и переносчика частоты с фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ) по частоте измеряемого сигнала. Схема измерения частоты приведена на рис. 6.5.

Это схема преобразования, в которой на устройстве сравнения (смесителе) выделяется разность измеряемой частоты f_x и умноженной в n раз частоты гетеродина. При этом автоматически устанавливается такая частота гетеродина f_г и выбирается такой номер гармоники n, чтобы разность (m f_x – n f_г) составляла постоянную величину f₀, равную опорной частоте кварцевого генератора ЭСЧ. Для этого напряжение гетеродина поступает на смеситель, куда поступает и сигнал f_x. Усилитель промежуточной частоты выделяет разностную частоту f_пр = m f_x – n f_г. Система ФАПЧ, содержащая фа­зовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, перестраивает и поддерживает автоматически такую частоту гетеродина, чтобы f_пр= f₀. Благодаря этому частота гетеродина синхронизиро­вана с частотой измеряемого сигнала. Режим синхронизации может нас­тупить при двух значениях частоты гетеродина f_г1 и f_г2, при которых n f_г1= m f_x – f₀ или

n

f_г2= m f_x + f₀, откуда

.

Гетеродин работает в диапазоне частот, в котором частота может быть измерена при помощи ЭСЧ.

Очевидно, для того, чтобы определить f_x, необходимо установить номера гармоник m и n. Для определения их необходимо знать ориентировочное значение частоты f_x. Значение определяют путем двух последовательных измерений частоты f_г

, .(6.9)

Первое измерение - при настройке на n f_г1= m f_x – f₀, а второе - при настройке на n f_г2= m f_x + f₀. Номер гармоники определяют по формуле .

Погрешность измерения частоты данным прибором определяется погрешностью значения f₀ и погрешностью автоматического поддержания при помощи ФАПЧ постоянной разности частот соответствующей гармоники гетеродина и измеряемого сигнала.

Подведем итоги.

1. Гетеродинный метод измерения частоты в совокупности с ЭСЧ позволяет расширить диапазон измеряемых с погрешностью 10^–6 - 10^–7 частот до 100 ГГц и более.

2. В качестве x_д всегда используется частота кварце­вого генератора, входящего в состав ЭСЧ.

3. Основными преобразованиями величины x_д и x_изм является умножение на m измеряемой f_x, умножение на n частоты гетеродина при обязательном условии, что разность m f_x – n f_г ­остается неизменной.

85