Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




Рис. 7.16. Схема измерения частоты при помощи осциллографа с двойной круговой разверткой

деляют время »2. через которое штрих пройдет часть окружности т. Подсчет разностной частоты в этом случае производят по формуле

A/=l/w(t2-«i). (7.49)

Возможно определение действительного значения частоты рассмотренным способом пзггем подачи напряжения одной из частот не на модулятор электронно-лучевой трубки, а на второй анод. В этом случае осциллограмма имеет вид зубчатого колеса, число зубцов которого равно кратности измеряемой и образцовой частот. Разновидностью рассмотренного способа определения действительного значения частоты является способ двойной круговой развертки. В .этом случае неизвестная и образцовая частоты подаются на соответствующие входы через фазосдвигающие цепочки. Схема измерения приведена на рис. 7.16. При измерении частоты на экране осциллографа получаются фигуры в виде трохоиды, изображенной на рис. 7.17. Действительное значение частоты определяется по формуле

/х = (А-1)/обр = п/обр, (7.50)

где N - число петель на фигурах, получаемых на экране осциллографа.

Способ круговой развертки применяется для гомерения частот при кратности их с образцовой до 50.

Погрешность измерения частоты осцил-лографическим способом определяется по-


Рис. 7.17. Формы фигур на экране осциллографа при различных соотношениях образцовой и измеряемой частот при двойной круговой развертке

грешностями измерения разности фаз и интервалов времени. Погрешность измерения разности фаз, помимо неточности отсчета, зависит от фазовой модуляции и флюктуации измеряемого сигнала:

o=j]/i2kKoJ360-zf + {Pui/Pcf + (360 21t)

(7.51)

где i/ - индекс фазовой модуляции; а, -погрешность измерения времени; х - время наблюдения; Рщ/с - отношение мощности шума к мощности сигнала. Например, если /обр = /х = 1 МГц; Д<р = 360°; х = 10 с; \1/ = = 0,01; Рш/Рс = 30дБ; о, = 0,1 с, то а = = 110-*.

Недостатками осциллографического способа являются большое время измерений, обязательное присутствие оператора и относительно низкая разрешающая способность отсчета разности фаз. Для уменьшения погрешности за счет разрешающей способности обычно применяют прозрачный круг с нанесенной на нем сеткой. Круг накладывается на экран осциллографа.

Способы определения действительного значения частоты с помощью фазовых приемников-компараторов. Данные способы основаны на измерении разности фаз сигналов неизвестной и образцовой частот за известный калиброванный интервал времени. В зависимости от построения приемника-компаратора имеется несколько разновидностей способов. Общим для них является применение приемного устройства и фазометри-ческой системы. В приемном устройстве сигнал образцовой частоты фильтруется от помех и усиливается. Фазометрическая система измеряет разность фаз между сигналами образцовой и измеряемой частот.

Способ измерения частоты приемником-компаратором с фазовым детектором. Схема измерения частоты приведена на рис. 7.18.

Y fo6p

Приемник

fo6p

Гх=(обр*У

Фазовый детектор « Преобразователь

со5 2Я-АГх1

Фильтр

Самописец

Генератор

Рис. 7.18. Структурная схема измерения частоты приемником-компаратором с фазовым детектором



fo6p

fo6p

Приемник

Самописец

Фазовый детектор

со82яГ(ЛГх+Л Гфвр) *•

fo6p+Л fx+ Гфвр

Преобразователь [*- Фазовращатель

Генератор

Рис. 7.19. Структурная схема измерения частоты приемником-компаратором с компенсацией

На приемник подают напряжение образцовой частоты. На преобразователь подают измеряемую частоту, которая преобразуется до образцовой частоты. Например: если /обр = = 100 кГц, а /х = 1 МГц, то в преобразователе частота уменьшается в 10 раз. Фаза сигнала с выхода преобразователя сравнивается с фазой образцовой частоты на фазовом детекторе, и разность между ними записывается самописцем. Разность частот определяется выражением

Afx = klnJL,n„ (7.52)

где I - скорость движения ленты самописца; к - число периодов разностной частоты, определяемое на ленте самописца; 1 - длина записи к периодов; Иг - коэффициент умножения частоты в преобразователе; п. - коэффициент деления частоты в преобразователе.

Рассмотренный способ позволяет получить очень узкую полосу пропускания системы и высокое отношение сигнал/шум на выходе. Недостатками способа являются неопределенность знака отклонения частоты и большое время измерения. Для сокращения времени измерения необходимо использовать высокие /обр-Способ измерения частоты приемником-компаратором с компенсацией. Схема измерения частоты приведена на рис. 7.19. Приемная часть представляет собой схему прямого усиления. В фазометрической системе используется фазовращатель, который задает частоту компенсации. Фазовращатель изменяет частоту на А/фвр. Сигнал с разностной частотой на выходе детектора имеет период биений

Г=1/(ДЛ-1-Д/фвр). (7.53)

Отклонение измеряемой частоты от образцовой определяется выражением

AfAt.Tj=kl/Lk-Af,p. (7.54)

Измерение отклонения частоты основано на измерении интервала времени, за который разность фаз изменится на 2п. Интервал времжи можно определять с небольшой погрешностью, если линия записи напряжения разностной частоты на самописце не

имеет искажений. На практике линия размыта из-за флюктуации фазы сигнала и помех. Это приводит к некоторой ошибке Оф в определении положения нулевой фазы и, следовательно, к погрешности измерения. Погрешность измерения частоты рассмотренным способом при измерении к периодов, если Оф пропорционально длительности записи периода, определяется выражением

8 = 2о-фДЬ,=2ЬДЛ, (7.55)

где b - постоянная, зависящая от уровня помех, флюктуации фазы сигнала измеряемой частоты и периода биений.

Погрешность обратно пропорциональна числу периодов, используемых при измерении, и не зависит от частоты компенсации А/фвр-

Способ измерения частоты приемником-компаратором с синхронизируемым кварцевым генератором. Схема измерения частоты приведена на рис. 7.20. Способ основан на фазовой синхронизации кварцевого генератора с сигналом образцовой частоты и последующим сравнением частот сигналов на компараторе фаз. Выходной сигнал приемника-компаратора представляет собой последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной разности фаз сигналов /обр н /х- Изменение разности фаз приводит к изменению скважности, которая регистрируется стрелочным прибором или на ленте самописца. Разность частот определяется по разности фаз за время измерения:

ДЛ = Д<р/Ас. (7.56)

Способ измерения частоты при помощи приемника-компаратора со следящей систе-

Приемник *

Фазовый детектор

Фильтр

Компаратор фазовый

Делитель частоты

Кварцевый генератор

Рис. 7.20. Структурная схема измерения частоты приемником-компаратором с синхронизируемым кварцевьпи генератором



мой. Схема измерения частоты приведена на рис. 7.21. Сигнал неизвестной частоты сравнивается в фазовом детекторе с сигналом, принятым и усиленным приемником. Сигнал ошибки с фазового детектора усиливается усилителем и поступает на электродвигатель, который через редуктор вращает фазовращатель до получения минимального сигнала ошибки. Если сигнал неизвестной частоты имеет небольшое постоянное смещение частоты относительно образцовой, то фазовращатель вращается с постоянной частотой, пропорциональной этому смещению.

При сравнении частот высокостабильных генераторов частота вращения очень мала, и для ее определения угловое смещение фазовращателя за некоторый известный интервал времени измеряется счетчиком и записывается на самописце в виде функции времени.

Счетчик калибруется в микросекундах. При работе фазовращателя на частоте 100 кГц один его оборот соответствует разности фаз в 10 мкс. Изменение показания счетчика на At за время т соответствует отклонению частоты

(Afm. = Atlx. (7.57)

При разомкнутом кольце обратной связи схема на рис. 7.21 аналогична схемам на рис. 7.18 и 7.19. Отклонение частоты в этом случае определяется соотношением

Ш/Лк = ук/х, (7.58)

где у = 1 обр - коэффициент, зависящий от номинального значения частоты fep и частоты, на которой работает фазовый детектор.

В табл. 7.6 приведены значения у в зависимости от /обр и /фД.

Погрешность измерения зависит от интервала времени, на котором определяется разность частот. На рис. 7.22 показана зависимость погрешности от времени.

Таблица 7.6. Зависимость коэффициента у от частот /обр и /фд

/обр>

/фД,

10-5

4-10-5

18,6

5,4-10-5

6,2-10-5

10-3

При замкнутом кольце обратной связи разность частот определяется через разность показаний счетчика числа оборотов фазовращателя П2 - Щ за интервал времени т:

(А /)х = («2 - и J фзрт, (7.59)

где Rj и «2 ~ показания счетчика в единицах времени в моменты времени f j (начало измерения) и t2 (конец измерения).

Разрешающая способность измерения разности частот связана с минимальным значением угла поворота Ап.= - и,, который может быть отсчитан по счетчику. Знак отклонения частоты / от образцовой определяется направлением вращения фазовращателя. Если частота / выше /„бр, то фазовращатель уменьшает частоту сигнала, если ниже - увеличивает. Время вхождения системы в режим синхронизации определяется выражением

Туст = 2п (Юх - (uo6pf/n, (7.60)

где Яш - полоса пропускания частот шума.

Погрешность сравнения частот рассмотренным способом зависит от:

изменения коэффициента передачи кольца регулирования (оно вызывается изменениями уровня выходного сигнала приемника, дрейфом коэффициента усиления УПЧ, неравномерностью вращения вала двигателя);

разрешающей способности счетчика числа оборотов фазовращателя и погрешности отсчета по нему;

Гобр

fобр+ fФД

Приемник

Фазовый детектор

Преобразователь

Генератор

Фазовращатель If-

Самописец

Потенциометр

Редуктор

Фильтр

Усилитель

Счетчик числа оборотов

Мотор

Рис. 7.21. Структурная схема измерения частоты приемником-компаратором со следящей

- системой



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


0.0134