Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Г-обр

Рис. 7.1. Структурная схема измерения низких частот гетеродинным способом

его высокой точностью, возможностями реализации достаточно широкой номенклатурой федств измерений и использования для измерения частоты практически в любом диапазоне. По данному методу неизвестная частота определяется из условия равенства другой частоте /обр, принимаемой за образцовую. Реализация метода возможна и при наличии образцовой частоты, кратной измеряемой (или наоборот).

Для измерения неизвестной частоты методом фавнения необходимо иметь в наличии источник образцовой частоты и устройства, позволяющие сравнивать две частоты. В зависимости от применяемых устройств сравнения метод осуществляется различными способами (гетеродинным, электронно-счетного частотомера, комбинированными - сочетаниями гетеродинного способа и электронно-счетного частотомера, осхшл-лографическим).

Гетеродинный способ. Свое название этот способ получил в связи с применением в качестве источника образцовой частоты перестраиваемого гетеродина.

Способ применяется для сравнения звуковых, высоких и сверхвысоких частот.

При измерении звуковых частот сравнивающее их устройство представляет собой индикатор, в качестве которого применяется головной телефон (или репродуктор), подключаемый одновременно к источникам неизвестной и образцовой частот (рис. 7.1).

Изменяя частоту /обр, уменьшают разность между частотами / и /обр до тех пор, пока в телефонах не будет прослушиваться один тон с периодически изменяющейся громкостью, т. е. добиваются акустических биений. Частота их равна разности фавни-ваемых / и /обр. При /х = /обр в телефонах будет слышен один тон неизменной громкости. Отсчет действительного значения измеряемой частоты производят по шкале настройки образцового генератора. Так как здесь используются нулевые биения, то

Смеситель

Индикатор

Рис. 7.2. Структурная схема измерения высоких и сверхвысоких частот гетеродинным способом

данный способ называют еще способом нулевых биений.

Для измерения высоких и сверхвысоких частот в качестве устройства фавнения применяют смеситель и индикатор (рис. 7.2). Напряжения фавниваемых частот подают на вход смесителя, на выходе которого получаются колебания комбинированных частот вида

/ = т/,±и/обр, (7.8)

где тип - целые числа.

Изменяя частоту гетеродина, добиваются появления сигнала разностной частоты

f = m/,-«/o6p. (7.9)

При дальнейшем изменении частоты /обр добиваются наиболее низкого тона колебаний (нулевых биений) в головных телефонах в случае применения последних в качестве индикатора. Если индикатором является другой прибор или устройство (микроамперметр постоянного тока, осцилло-фаф и др.), то момент нулевых биений можно заметить по наименьшей частоте колебаний стрелки прибора или луча на экране осциллографа.

В этот момент действительное значение частоты определяете; по формуле

A = (f ±й/обр)/т. (7.10)

Если частота гетеродина /обр близка к /х, то наиболее сильный сигнал нулевых биений получается при m = и = 1. В этом случае разностная частота определяется выражением

f=/x-/o6p- (7.11)

Из (7.11) можно вычислить действительное значение измеряемой частоты по формуле

/х = /обр + -Р. (7.12)

В этом случае определение действительного значения частоты будет однозначным, так как это значение равно показанию шкалы настройки гетеродина плюс значение частоты биений. Частота биений определяется следующим образом. Подсчитьшают на слух (или визуально в случае применения осциллографа или стрелочного прибора в качестве индикатора биений) число изменений громкости тона разностной частоты (число периодов колебаний стрелки прибора или луча на экране осциллографа) q за некоторый промежуток времени tp и вычисляют F по формуле

F = q/tp.

(7.13)



7.2. Методы опреде.аетя частоты э.кктромагнитных ко.1ебанш

При гетеродинном способе нередко применяют гетеродины (особенно в диапазоне СВЧ), основная частота которых во много раз ниже измеряемой. В этом случае в (7.10) величины тип неизвестны и определение действительного значения частоты будет неоднозначным. Для устранения неоднозначности необходимо знать приближенное значение измеряемой частоты или проводить два измерения.

В первом случае в момент получения нулевых биений отсчитывают показание шкалы настройки частоты гетеродина fp и по (7.10) определяют действительное значение измеряемой частоты, полагая, что наиболее сильные биения получаются при равенстве первой гармоники измеряемой частоты и п-й гармоники частоты гетеродина. Например, если-известно, что измеряемая частота примерно равна 1000 МГц, а в момент получения нулевых биений показание шкалы настройки гетеродина равно 100 МГц, то считается, что эти биения наступили при сложении напряжений десятой гармоники гетеродина и первой гармоники измеряемой частоты, т. е. измеряемая частота равна 1000 МГц. При других сочетаниях гармоник сигнал получается значительно слабее, так как для получения нулевых биений даже вторую гармонику измеряемой частоты (20tX) МГц) необходимо сложить с двадцатой гармоникой гетеродина. Рассмотренный способ устранения неоднозначности широко применяется при поверке измерительных генераторов, у которых примерное значение измеряемой частоты всегда известно.

Во втором случае для устранения неоднозначности определения действительного значения частоты в результате двух измерений рассчитывают номер гармоники гетеродина. Для этого после получения нулевых биений снимают показание шкалы настройки гетеродина /геть затем увеличивают частоту гетеродина до получения следующих нулевых биений и снова снимают показание шкалы настройки гетеродина /гет и- Первые биения получены при сложении напряжений измеряемой частоты Д. и{п+ 1)-й гармоники частоты гетеродина, вторые - при сложении напряжений частоты и п-й гармоники частоты гетеродина. Исходя из этого, можно получить выражение

(«+1)/гет1=п/гИ- (7.14)

Решая уравнение (7.14) относительно п, получаем:

П=/гет1/(/гетП-/гех1). (7.15)

Действительное значение измеряемой

частоты рассчитывают по одной из формул:

Л = и/гетП (7.16)

/.v = (n+l)/reTl. (7.17)

Погрешность измерения частоты рассмотренным способом определяется выражением

5= +/52,„Ч-5?„ + 5д, (7.18)

где бшк - погрешность шкалы настройки гетеродина; бгет - нестабильность частоты гетеродина за время измерения; бннл-погрешность индикатора нулевых биений.

Погрешность шкалы настройки гетеродина в (7.18) является определяющей. Она зависит как от механических факторов (точности изготовления шкалы, люфта механизма настройки), так и от долговременной нестабильности частоты гетеродина.

Для уменьшения бщк обычно применяют кварцевый генератор, выполняющий функции источника образцовой частоты, по которой производится корректировка градуиро-вочной характеристики шкалы гетеродина. В этом случае схема измерения частоты приобретает вид, изображенный на рис. 7.3. При калибровке гетеродина переключатель ставят в положение К, отсчетный лимб гетеродина - в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте гармонике («кварцевой точке»). Индикатор фиксирует наличие биений, которые при помощи корректора гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина корректор отсутствует, то шкалу проверяют в соседних по обе стороны от измеряемой частоты точках, а затем производят линейную интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градуировочную характеристику. После корректировки шкалы гетеродина кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, Ки которой получаются нулевые биения, и производят отсчет измеряемой частоты по шкале гетеродина.

Входное устройство.

(Кварцевый! \ генератор

Смеситель

Гетеро-

Усили-1тепьНЧ1

Индика-\ тор \

Рис. 7.3. Структурная схема измерения частоты гетеродинным способом с калибровкой , шкалы гетеродина по кварцевому генератору



Общая погрещность измерения частоты по схеме на рис. 7.3 определяется выражением

8= ±1/5Гь557+8?ет + 8

инд,

(7.19)

где 5кв - погрещность частоты кварцевого генератора.

У современных кварцевых генераторов погрещность частоты не превышает

+ (5-10--10-). Поэтому в (7.19) составляющая 8кв практически слабо влияет на общую погрешность измерения частоты способом нулевых биений. Применение кварцевого генератора позволяет уменьшить Ък до

+ 2-10. Стабильность частоты гетеродина повьш1ают за счет изготовления его из высококачественных деталей и применения стабилизаторов напряжения. Указанные меры позволяют уменьшить бгет ДО ±1-10" за 2 мин. Погрешность индикатора нулевых биений зависит от применяемого устройства или прибора. Если в качестве индикатора применять головные телефоны, то погрешность носит субъективный характер и зависит от слуха оператора. Так как человеческое ухо не реагирует на частоты ниже примерно 16 Гц, то появляется зона ложных нулевых биений, и, таким образом, получается погрешность, абсолютное значение которой достигает + 32 Гц. Одним из простейших способов уменьшения этой погрешности является «вилочный отсчет», который заключается в следующем. Запоминают на слух некоторый тон в телефонах перед зоной нулевых биений и отмечают соответствующее ему значение /обр1- Затем после зоны нулевых биений вновь устанавливают на слух т§.кой же тон и отмечают значение образцовой частоты /обр 2- Неизвестная частота равна феднему арифметическому значению образцовых частот:

/.v = (/обр 1 + /обр г) /2.

(7.20)

Погрещность «вилочного отсчета» тем меньше, чем точнее устанавливается равенство тонов в головных телефонах.

Для повышения точности индикации нулевых биений в качестве индикатора используют магнитоэлектрический миллиамперметр, электронно-оптический индикатор или осциллограф.

В диапазоне СВЧ получение низкочастотных биений затруднительно (из-за нестабильности измеряемой и образцовой частот). Поэтому в качестве индикатора вместо головных телефонов, миллиамперметра, электронно-оптического индикатора или осцил-

лографа применяют частотомер. В этом случае действительное значение измеряемой частоты определяют по формуле

/x = /o6p + f, (7.21)

где /обр - показание шкалы настройки гетеродина; F - показание частотомера, применяемого в качестве индикатора разностной частоты.

Знак поправки F зависит от того, с какой стороны подходят к измеряемой частоте при настройке гетеродина.

Общая погрешность измерения частоты гетеродинным способом составляет примерно + 5-10-=.

Способ электронно-счетного частотомера (ЭСЧ). Данный способ сравнения частот основан на измфении числа периодов измеряемой частоты за интервал времени, формируемый образцовой частотой. При помощи образцовой частоты формируют временной интервал известной длительности Дг и заполняют его импульсами, следующими с неизвестной частотой fx- Подсчет числа импульсов, попадающих в интервал At, производится по формуле

п = Шх. (7.22)

Из (7.22)

/, = «/At. (7.23)

Результаты подсчета числа импульсов, попавших во временной интервал At, фиксируются в цифровой форме при помощи счетчика импульсов. Обычно время At выбирают равным Ю™, где т - целое число, принимаю-шее значения от 2 до -3. Поэтому показания электронно-счетного частотомера численно совпадают со значениями измеряемой частоты. Схема измерения частоты способом ЭСЧ приведена на рис. 7.4.

Сигнал измеряемой частоты поступает на формирующее устройство, преобразующее электромагнитные колебания в последовательность импульсов, частота которых равна частоте входного сигнала. С выхода формирующего устройства импульсы поступают на временной селектор. Сигнал образ-

Форлшрующее устройство

Селектор

Счетчик

fo6p

Формирователь

времени счета

Рис. 7.4. Структурная схема измерения частоты способом электронно-счетного частотомера



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 [83] 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0131