Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




Рис. 7.22. Зависимость погрешности измерения от интервала времени, на котором производится определение разности частот

изменения фазовых отношений в тракте приемника за время сравнения частот;

нелинейности характеристики фазовра-шателя;

нестабильности частоты сигнала, возникающей в тракте преобразования частоты.

Изменение модуля коэффициента передачи системы ДК приводит к изменению разности фаз Дф = АсиАК/Аафд между сигналами неговестной и образцовой частот, которое за время сравнения приводит к относительному значению погрешности

6к = ДюхД/С/Дш§>дШфврТ. (7.61)

При использовании цифрового счетчика числа оборотов с ценой .деления 0,1 оборота фазовращателя разрешающая способность отсчета и погрешность равны 0,03 оборота. Погрешность сравнения за счет неточности Дп

5л« = Дп фвр. (7.62)

Погрешность, обусловленная изменением фазы в приемном тракте приемника, Афпрм рассчитьшается по формуле

6пр„ = 2,8 10- зДф„рм/т/ф,р. (7.63)

Влияние нелинейности характеристики фазовращателя Дффвр определяется как

8ф,р = 2,8.10-Дфф ферХ. (7.64)

Нестабильность частоты, вносимая трактом преобразования, приводит к неучтенному изменению фазы Дфпр и к погрешности

6„р = 2,8 • 10-Дф„р Ст/фвр. (7.65)

На погрешность сравнения частот влияют отношение сигнал/шум на входе приемника, полоса пропускания приемника и эквивалентная полоса шумов следящей системы. Шум приводит к флюктуациям разности фаз и может вызвать скачки фазы в системе на 2п, вследствие чего среднее значение частоты fx не совпадает с /обр- От соотношения мощности сигнала и мощности шума Рш, измеренной в эквивалентной шумовой полосе следящей системы, зависит вероятность фазовых ошибок. Если пренебречь инерционностью фишьтра системы, то распределение фазовой ошибки P(Q) для ел имеет вид:

р(е) =

exp[(P,/PJcose] 2k1„PJP

при Рс/Рш > 0;

(7.66)

ехр(-еРс/2Рш)

1/2пРш/Рс при 101в(Рс/Рш)9 дБ.

(7.67)

В табл. 7.7 приведены значения всех составляющих погрешности сравнения частот.

Среднеквадратическое значение суммарной погрешности определяется по формуле

8 = J/S 5„ + Sp„ + 8зр + dif,

за 1 ч 8 = 4,7-10-". за 5 ч 5 = 3,8-10-", за 24 ч 6 = 7-10

Способ сравнения частот с помощью приемника-компаратора с двумя кольцами регулирования. Схема измерения частоты приведена на рис. 7.23. Сигнал образцовой частоты, усиленной в приемнике, сравнивается по фазе в фазовом детекторе с сигналом синхронизируемого кварцевого генератора, прошедшим через фазовращатель.

fo6p

Приемник * Фазовый детектор Фазовращатель

Фильтр

Усилитель

Кварцевый генератор

Редуктор Ц

Реактивный генератор

Потенциометр

Самописец

Рис. 7.23. Структурная схема измерения частоты приемником-компаратором с двумя

кольцами регулирования



Таблица 7.7. Составляющие погрешности сравнения частот

Составляющие погрешности

Значения составляющих погрешности сравнения при частоте фазовращателя 100 кГц

за 1 ч

за 5 ч

за 24 ч

5., вызванная изменением коэффициента передачи

ДХ/Х=0,01 при 104, Д(о.= 10-5

2,8-10-12

0,6-10-12

0,1 10-12

5д„, вызванная погрешностью отсчета Ди = +0,03 обо- рота

8- 10-"

1,6- 10-"

3,5- 10-2

8прм, вызванная изменением фазы сигнала в приемном тракте Дфпрм = + 23°

1,8- 10-°

3,6- 10-"

0,6- 10-"

бфвр, вызванная нелинейностью характеристики фазовращателя А(Рфвр= ±2°

1,6-10-"

3,1-10-

0,5-10-2

5прм. вызванная изменением фазы сигнала в тракте преобразования частоты А(Рпрм= ±20°

4,3-10-10

1,7- 10-"

0,7-10-12

Управление фазой сигнала кварцевого генератора осуществляется следящей системой, которая состоит из двух колец регулирования. Усиленный сигнал ошибки с фазового детектора управляет вращением электродвигателя. Фазовращатель приводит разность фаз к нулю. Сигнал управления с частотой кварцевого генератора, снимаемый с линейного потенциометра, уменьшает разность частот сигналов, поступающих на фазовый детектор. Следящая система подстраивает частоту генератора за счет вращения фазовращателя и смещения частоты генератора с помощью реактивного элемента.

Описанный способ позволяет измерять не только расхождение частот, но и автоматически подстраивать частоту контролируемого генератора. При разности частот t4x = const смещение частоты сравниваемого и синхронизируемого генераторов относительно образцовой и разность фаз между сравниваемыми сигналами полностью отсутствуют. При равномерно.м изменении разности частот (Afx = vt) разность фаз на фазовом детекторе постоянна и равна (рбр = = 2nv/\i (ц - крутизна характеристики синхронизируемого генератора).

Длительность переходных процессов в такой системе 1,5 - 2 ч, погрешность измерения частот ±5-10-° и менее.

Способ измерения частоты при помощи компаратора. Данный способ является разновидностью гетеродинного способа измерения частоты. Необходимость в применении компараторов возникает при определении действительного значения частоты высокоста-

бильных генераторов, когда разностная частота очень мала и ее трудно измерить. Для решения измерительной задачи сравниваемые частоты умножают в и раз. Коэффициент умножения частот определяет разрешающую способность компаратора. Умножение сравниваемых частот может быть прямым и декадным.

Схема компаратора с прямым умножением приведена на рис. 7.24. В этой схеме оба независимых канала умножения частоты состоят из нескольких ступеней. Рабочая частота последующей ступени вьппе, чем предыдущей, поэтому каждая ступень имеет свою конструкцию. На индикатор поступает сигнал разностной частоты, умноженный в 10 раз. Однако для измерения частоты квантовомеханичеСких генераторов этого умножения разностной частоты бывает недостаточно, поэтому применяют схему компаратора, приведенную на рис. 7.25. В этой схеме коэффициенты умножения отдельных

х„£ и х„ и х„

nfoSp+n/if

nfoSp+nuf

Индака-тор

Смеситель

Смеситель

Смеситель

foSp

хп(п~

х(п+1) -

Рис. 7.24. Структурная схема компаратора с прямым умножением с одним смесителем



Смеси

тель

Индика-

Рис. 7.25. Структурная схема компаратора с прямым умножением и несколькими смесителями

ступеней каналов выбираются так, чтобы частоты выходных сигналов смесителей были одинаковыми. Частота выходного сигнала последней cry пени умножения равна п/обр + + пД/ (в то время как в схеме на рис. 7.24 она равна иД/)-

Недостатками рассмотренных компараторов являются их громоздкость и большая стоимость, вызванные неидентичностью ступеней умножения смесителей. Более совершенным с этой точки зрения является компаратор с декадным умножением частоты (рис. 7.26). В этом компараторе образцовая частота /обр и неизвестная /обр + Д/х умножаются в и - I и и раз соответственно и затем смешиваются. Частота колебаний выходного сигнала первого смесителя равна и (/ ± Д/) - (и - 1)/обр = /обр + "А/, а i-ro смесителя /обрИА/-

Преимущества системы декадного умножения заключаются в том, что здесь декады идентичны, компаратор более экономичен, имеет меньшую массу и значительно меньшую стоимость. Равенство частот выходных сигналов декад позволяет применять один и тот же индикатор для различных коэффициентов умножения, ширина полосы шумов во всех декадах одинакова, тогда как при

fx=-fo5p±uf

Г-1 f«So±uf

foffptlOAf

foSp±10*£f

Буферный

Индикатор

усилитель

Рис. 7.26. Структурная схема компаратора с декадным умножением частоты

прямом умножении она увеличивается с ростом коэффициента умножения.

Декадное умножение уступает прямому только в возможности измерений при больших разностях частот входных сигналов. При прямом умножении максимальная разность частот входных сигналов определяется полосой пропускания первых каскадов умножителей частоты, при декадном умножении она уменьшается от декады к декаде в п раз.

Погрешность компараторов обусловлена нестабильностью фазы, которая возникает при прохождении сличаемых сигналов через умножители частоты и смесители, и интенсивностью в спектре сигналов, поступающих на смесители составляющих с частотами, кратными входной частоте, так как указанные составляющие вызывают паразитную фазовую модуляцию сигнала на выходе смесителя.

Погрешность компараторов за 1 с при сличении стандартов частоты, у которых отношение сигнал/шум не менее 100-120 дБ, составляет 10"-10"".

7.2.2. РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Резонансный метод измерения частоты основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключаетея в сравнении измеряемой частоты с собственной частотой колебаний резонатора, заранее проградуированного.

Различают два способа осуществления резонансного метода измерения частоты:

основанный на явлении механического резонанса;

основанный на явлении электрического резонанса.

Способ, основанный на явленип механического резонанса. Указанным способом измеряют нгокие (промышленные) частоты до 400 Гц. Приборы, основанные на явлении механического резонанса, называют вибрационными частотомерами. Принцип работы вибрационного частотомера показан на рис. 7.27, А. Высокоомная обмотка электромагнита / включается в сеть напряжения измеряемой частоты параллельно. Вблизи сердечника 2 расположен якорь 3, установленный вместе с планкой 4 на пружинных опорах 5. Вдоль планки 4 закреплено несколько стальных пластинок б так, что собственная частота их колебаний последовательно возрастает слева направо. Свободные концы пластинок загнуты под углом 90° и окрашены светлой краской. Под воздействием поля электромагнита якорь и пла-



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


0.0878