Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Генератор

Синтезатор частоты

СМ I

Умножитель частоты

Синтезатор частоты

СМ III

Усилитель

СМ IV

Образцовый генератор

СМ Г!

Рис. 7.41. Структурная схема измерения кратковременной нестабильности частоты в широком диапазоне частот

7.5. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Развитие техники радиоизмерений, радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоуправления, радиоастрономии и пр. привело к необходимости создания высокостабильных мер частоты. Достижимая точность частотно-временных измерений в наибольшей степени определяется достижимыми метрологическими характеристиками мер частоты и в первую очередь достижимой стабильностью частоты.

Существует достаточно большое разнообразие методов стабилизации частоты источников электромагнитных колебаний: параметрический; кварцевый; основанный на процессах обмена энергии в атомах и молекулах.

Генератор

Фазовый детектор

Образцовый генератор

Дифференцирующая цепь

фильтр

Вольтметр

Анализатор спектра

Рис. 7.42. Структурная схема измерения кратковременной нестабильности частоты при помощи

фазового детектора

= Фг (f) - Ф1 (f) пропорционален фаз:

lФд = lфдфW-

разности

При косинусоидальной характеристике фазового детектора измерения должны производиться при разности фаз фо(л/3<фо< < 2ti/3). При измерениях анализатором спектра оценивается спектральная плотность мощности флюктуации фазы.

При измерениях вольтметром эффективного значения напряжения сигнала на выходе фазового детектора оценивается федне-квадратическое значение флюктуации фазы.

Если на выходе фазового детектора включена дифференцирующая цепь, то выходное напряжение будет прямо пропорционально флюктуациям частоты. В этом случае анализатором спектра может быть оценена спектральная плотность мощности частотных флюктуации. Для оценки кратковременной нестабильности частоты (среднеквадратического значения флюктуации усредненного значения частоты) необходимо Пфед вольтметром эффективного значения напряжения включить фильтр с прямоугольной характеристикой и полосой пропускания

7.5.1. МЕТОД ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Данный метод применяется как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами."

Сущность его заключается в устранении (или сведении к минимуму) причин дестабилизации частоты источников электромагнитных колебаний путем улучшения их характеристик различными способами. Известно, что причинами дестабилизации частоты являются: изменение геометрических размеров элементов колебательного контура, изменение параметров ламп и транзисторов, непостоянство электрических величин элементов и деталей, колебания напряжений источников питания, влияние нагрузки генератора, изменение температуры окружающей феды, влажности и др.

В современных генераторах сигналов электромагнитных колебаний применяются каркасы и детали жестких конструкций, жесткий монтаж; вращающиеся узлы изготовляются высокого класса точности. Все это позволяет уменьшить механические деформации и тем самым повысить стабиль-



Измерение частоты электромагнгттых колебаний

ность частоты. Изменение геометрических размеров катушек индуктивности под влиянием изменения температуры уменьшается прочным сцеплением витков с каркасом из высокочастотной керамики. Конденсаторы переменной емкости изготовляют из сплавов с минимальным температурным коэффициентом расширения (инвара, суперинвара). В качестве изоляционного материала используются радиокерамика или плавленый кварц. С целью исключения влияния изменения влажности воздуха на стабильность частоты применяется герметизация. Для источников питания применяются стабилизаторы напряжения. При конструировании генераторов специально подбираются электронные приборы, работающие в схеме в облегченном режиме. Колебательные контуры изготовляются высокой добротности. Остальные элементы схемы (дроссели, конденсаторы, резисторы, переключатели и др.) подбираются самого высокого качества. Влияние изменения нагрузки на стабильность частоты генератора уменьшают путем включения на их выходе делителей напряжения (аттенюаторов) с постоянным входным сопротивлением или путем введения в схему между задающим генератором и внешней цепью буферного каскада. С целью повышения стабильности частоты генератора применяют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а также системы автоподстройки частоты (АПЧ). Например, в схемах измерительных генераторов, в качестве задающего генератора которых применяется клистрон, применяют систему АПЧ, изображенную на рис. 7.43. Основным ачементом АПЧ является высокочастотный дискриминатор, вырабатывающий напряжение ошибки, когда частота отклоняется от номинального значения. Напряжение ошибки после усиления воздействует на отражатель клистрона и возвращает частоту генератора к исходному значению. Усиление напряжения ошибки до необходимого уровня производится по промежуточной частоте. Процесс настройки генератора на определенную частоту состоит в установке по шкале дискриминатора и последующей перестройке частоты клистрона до наступления захвата.

Дискриминатор

В коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн генераторов применяются лампы обратной волны (ЛОВ), имеющие низкую стабильность частоты. Для ее повышения применяют автоматическую подстройку частоты с использованием пассивных элементов, в качестве которых могут применяться открытые резонаторы.

У генераторов высокой и сверхвысокой частот одним из способов параметрической стабилизации является применение биметаллических конденсаторов, подключаемых параллельно конденсатору переменной емкости. Емкость биметаллического конденсатора с изменением температуры изменяется так, что компенсирует изменение частоты настройки колебательного контура.

У генераторов на биениях параметрическая стабилизация частоты осуществляется лутем выполнения обоих генераторов по возможности более одинаковыми. Их стараются удалить от нагревающихся элементов схемы и хорошо заэкранировать.

Для увеличения стабильности частоты генераторов метровых и дециметровых длин волн практикуют применение удвоителей частоты.

Рассмотренные способы позволяют повысить стабильность частоты до 10"*, а в отдельных случаях до 10" - 10"(для генераторов фиксированных частот). Для многих направлений науки и техники указанная стабильность является недостаточной, поэтому для ее повышения применяют кварцевую стабилизацию.

7.5.2. МЕТОД КВАРЦЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Данный метод основан на использовании пьезоэлектрического эффекта, возникающего в монокристаллах кварца (Si02), помещенных в высокочастотное электрическое поле. Если специально изготовленный пье-зокварцевый элемент поместить в такое поле, то при определенных условиях в монокристаллической кварцевой пластине будут возбуждаться механические колебания. При этом на соответствующих поверхностях пластины в свою очередь возникают пере-

Балансовая схема

Фазовый детектор

Опорный генератор

Клистрон

RC-фильтр

Индикатор захвата

Рис. 7.43. Схема автоматической подстройки частоты



Кварцевый

Возбуди-

->

резонатор

тель

1 1

Усилитель мощности

Термостат

Фильтр

Блок питания

Умножитель

Делитель

Рис. 7.44. Структурная схема кварцевого генератора

менные электрические заряды. Возбуждающие электроды, между которыми помещается кварцевая пластина, служат для создания поля, возбуждающего пластину, и обеспечивают возможность включения такой электромеханической системы в электрическую схему автогенератора. Кварцевые резонаторы могут быть сделаны практически на любую частоту. Это оказывается возможным благодаря тому, что частота генерируемых ими колебаний определяется главным образом геометрией кварцевого резонатора. На практике возможно разработать кварцевый резонатор с любой геометрией.

; Схемы кварцевых генераторов имеют ряд общих элементов (рис. 7.44). Основным из них является задающий генератор, состоящий из возбудителя и кварцевого резонатора. Для поддержания оптимального режима колебаний кварцевого резонатора применяют систему автоматической регулировки усиления (АРУ). Усилитель мощности создает необходимый сигнал на нагрузке генератора. Для уменьщения щумов на выходе усилителя мощности применяют узкополосный фильтр. Так как кварцевый резонатор генерирует только одну частоту, то для получения кратных ей частот применяют обычно переменные конденсаторы или индуктивности, включаемые в контур задающего генератора. Они позволяют производить подстройку частоты кварцевого генератора при выпуске его из производства или при эксплуатации. Для исключения влияния температуры на стабильность частоты применяют термостат. Долговременная нестабильность частоты выходного сигнала кварцевого генератора обусловлена изменением частоты резонатора и параметров элементов генератора во времени - их старением. Время старения высокостабильных кварцевых генераторов подразделяют на два периода:

начальный, в течение которого изменение частоты может достигать величины Ю" -10"" за сутки, неделю, и период, в течение которого изменение частоты значительно меньще (10~ за месяц). Указанные изменения частоты определяются в первую очередь старением резонатора.

Изменения параметров элементов задающего генератора приводят к изменениям частоты колебаний (1 -5)-10~ за первую неделю работы и (3 - 5)-10" за неделю после 1,5 - 2 мес непрерывной работы.

Кратковременная нестабильность частоты за время от 1 мс до 1 с обусловлена тепловым щумом кварцевого резонатора, элементов возбудителя, дробовым щумом транзистора и фликер-щумом элементов генератора. Она рассчитывается по формуле

бнест.кр =

- + -

PbxQ

(7.81)

где К - постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина; q - щум-фак-тор транзистора; / - частота кварцевого генератора; Ркв - мощность колебаний, рассеиваемая на кварцевом резонаторе; Pg - мощность сигнала на входе усилителя; - добротность кварцевого резонатора; - добротность контура задающего генератора; бус - добротность контуров усилителя.

Так как на параметры кварцевого резонатора и элементов задающего генератора воздействуют механические возмущения, пульсации и флюктуации питающих напряжений, то величина 8

нест. кр имеет несколько больщее значение, чем рассчитанное по (7.81).

На рис. 7.45 приведена зависимость кратковременной нестабильности частоты

------

0,3-10 10 10

~ 0,1 1

Рис. 7.45. Зависимость кратковременной нестабильности частоты кварцевых генераторов от времени усреднения, учитывающая тепловые щумы, флюктуации и механические возмущения



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


0.0161