9.3.Электронно-счетные частотомеры

Возможности измерения высоких частот обычными электронно-счетными частотомерами, работающими по методу прямого счета, ограничиваются быстродействием существующей элементной базы электроники (делителей, формирователей, триггеров).

Достижения электроники в создании быстродействующих элементов раздвинули верхнюю границу измеряемой частоты методом прямого счета до 10ГГц. На более высоких частотах электронно-счетные частотомеры работают с помощью преобразователей частоты.

Преобразователи частоты бывают двух типов — дискретные преобразователи и переносчиков частоты.

Принцип работы электронно-счетного частотомера с дискретным преобразователем частоты показан на рис. 8.3. Преобразователь состоит из умножителя частоты УМЧ, генератора гармоник ГГ, перестраиваемого фильтра ФВЧ, смесителя СМ, широкополосного усилителя промежуточной частоты УПЧ. Сигнал от кварцевого генератора частотомера ЭСЧ подается на вход умножителя УМЧ, где формируется частота f₀=100 МГц. В генераторе гармоник из этой частоты формируется дискретный спектр гармоник 2f₀, 3f₀, ..., nf₀. С помощью перестраиваемого фильтра ФВЧ выделяется одна из гармоник nf₀, которая поступает на смеситель СМ. Сюда же на смеситель поступает измеряемый сигнал с частотой f_x. Из спектра частот на выходе смесителя усилитель УПЧ выделяет разностную частоту f_x—nf₀- Эта частота измеряется электронно-счетным частотомером и индицируется на его цифровом табло. Значение неизвестной частоты находится путем сложения показаний отсчетного устройства фильтра ФВЧ и цифрового табло ЭСЧ

nf_a+(f_x - nf₀) = f_x. (8.5)

Рис. 8.66. Схема частотомера СВЧ с дискретным преобразователем частоты

Подобные преобразователи позволяют измерять частоты до 12 ГГц. Погрешность измерения частоты равна погрешности кварцевого генератора ЭСЧ плюс погрешность из-за дискретности. Примером дискретного преобразователя служит блок ЯЗЧ-43, предназначенный для работы совместно с электронно-счетным частотомером Ч3-38.

Принцип работы электронно-счетного частотомера с переносчиком частоты показан на рис. 8.4. В отличие от дискретного преобразователя переносчик имеет гетеродин, перестраиваемый в широком диапазоне частот и систему фазовой автоподстройки частоты для синхронизации частот гетеродина и измеряемого сигнала.

В процессе измерения напряжение от генератора Гет подается на смеситель СМ, куда поступает и сигнал неизвестной частоты f_x,. Усилитель промежуточной частоты УПЧ выделяет на выходе смесителя разностную частоту mf_x—nf_r = f_np, которая поступает на фазовый детектор ФД. Сюда же поступает частота f₀ кварцевого генератора ЭСЧ. Постоянное напряжение с выхода фазового детектора, пропорциональное разности f_пр—f₀ через фильтр ФНЧ и усилитель УПТ подается на элемент, управляющий частотой гетеродина. Благодаря этому частота гетеродина меняется таким образом, чтобы разность f_пр —f₀ стремилась к нулю. Тем самым частота гетеродина синхронизируется с частотой сигнала, при котором выполняется равенство

m·f_x = nf_г1 — f_пр или m·f_x = nf_г2 — f_пр. (8.6)

Рис. 8.67. Схема частотомера СВЧ с переносчиком частоты.

Частота гетеродина выбирается такой, чтобы она измерялась частотомером ЭСЧ.

Чтобы определить f_x, необходимо найти номера гармоник n и m. Значение n находят путем двух последовательных измерений частоты f_r : первое при настройке на m·f_x = nf_г2 — f_пр и второе при настройке на m·f_x = nf_г1 — f_пр

Номер гармоники n определяют по формуле

n = 2f_пр/(f_г2 — f_г1) (8.7)

Для определения m необходимо знать ориентировочное значение частоты f_х.

В качестве примера переносчика частоты можно назвать прибор Ч5-13, предназначенный для измерения частоты в диапазоне 10-70ГГц совместно с электронно-счетным частотомером Ч3-38 и блоком ЯЗЧ-42.

Необходимость определения двух близких частот гетеродина, при которых синхронизация достигается по основному и зеркальному каналам [знаки «+» и «-» в формулах (8.6)], усложняет схему переносчика частоты и увеличивает время измерения. Эти недостатки можно устранить, если измеряемую частоту и частоту гармоники гетеродина синхронизировать с помощью фазового детектора, работающего не на промежуточной частоте, а на частоте измеряемого сигнала.

Схема частотомера СВЧ с таким переносчиком показана на рис. 8.5. Здесь роль фазового детектора выполняет так называемый «стробоскопический смеситель» СС, на который подается сигнал измеряемой частоты f_x и короткие импульсы, от формирователя ФИ, следующие с частотой гетеродина f_r . Такое устройство обладает свойствами фазового детектора: при выполнении условия

f_x = nf_г (8.8)

на его выходе появляется постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз сигнала и гармоники гетеродина. Это напряжение через усилитель постоянного тока УПТ управляет частотой гетеродина, поддерживая равенство nf_г = f_x с точностью до фазы.

Рис. 8.68. Схема частотомера СВЧ с расширением времени счета.

Частота гетеродина измеряется электронно-счетным частотомером ЭСЧ и в режиме синхронизации дает информацию о частоте f_х с точностью номера гармоники n. Для определения n измеряют два значения частоты гетеродина, при которых выполняются условия

(8.9)

Отсчитанные по шкале частотомера f_r1 и f_r2 позволяют определить n

n = f_r1/( f_r2 - f_r1) (8.10)

После определения номера гармоники п значение f_x можно вычислить по формуле (8.8), либо в п раз увеличить время счета электронно-счетного частотомера. Последний прием позволяет получить на табло частотомера значение частоты f_x . Примером электронно-счетного частотомера, работающего по этому методу, служит прибор Ч3-51.

Рассмотренные преобразователи и переносчики частоты имеют существенный недостаток — необходимость ручных операций при определении номера гармоники и ввода найденного значения в электронно-счетный частотомер. Данный недостаток устраняется в переносчиках частоты с автоматическим определением номера гармоник гетеродина (рис. 8.6).

Рис. 8.69. Схема частотомера СВЧ с автоматическим определением номера гармоники гетеродина

Сигнал неизвестной частоты f_x поступает на смеситель С1, на который подаются короткие импульсы от формирователя ФИ с частотой f_r гетеродина Гет. Смеситель С1 работает в режиме фазового детектора, с выхода которого постоянное напряжение через усилитель УПТ управляет частотой гетеродина. Этим обеспечивается фазовая автоподстройка частоты гетеродина (в пределах полосы удержания системы) по частоте f_x . Сигнал гетеродина f_г поступает на вход электронно-счетного частотомера ЭСЧ, время счета которого устанавливается сигналом блока РВ (расширитель времени счета). Информация о номере гармоники n поступает в блок РВ через усилитель промежуточной частоты УПЧ с выхода второго смесителя С2. Этот смеситель питается сигналом гетеродина, сдвинутым по частоте в модуляторе М на 1кГц. Поэтому частота сигнала на выходе смесителя С2 оказывается равной

f_пч = nf_r – n(f_r – 1[кГц]) = n·1[кГц] (8.11)

Сигнал n 1/кГц, усиленный в УПЧ, преобразуется в блоке РВ в код, устанавливающий время счета ЭСЧ.

Таким образом, на табло частотомера выводится значение частоты nf_г = f_x. Этот принцип работы используется в современных электронно-счетных частотомерах СВЧ.