Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



кварцевых генераторов от времени усреднения т, учитывающая тепловые шумы, флюктуации питающих напряжений и механические возмущения.

Изменения генерируемой частоты, вызываемые дестабилизирующими факторами, сравнительно легко удается свести к значениям, меньшим допустимььм, путем применения способов параметрической стабилизации.

Рассмотрим некоторые из них.

Влияние изменения постоянных электрического и магнитного полей устраняется экранированием резонатора или всей схемы кварцевого генератора. Влияние светового и ультрафиолетового облучения уменьшают также за счет применения экранов. В этом случае используют только отражающие экраны, так как применение поглощающих экранов приводит к появлению температурных воздействий.

Для борьбы с химическим воздействием осуществляют герметизацию всего устройства, применяют стойкие покрытия и вещества с малой химической активностью (например, электроды, держатель и выводы резонатора золотят, а баллон выполняют из химически стойкого стекла). Герметизация позволяет бороться и с влиянием на частоту изменений влажности и давления.

Влияние механических воздействий может быть уменьшено за счет совершенства конструкции кварцевого резонатора, его геометрии и применения поглотителей ударов, вибраций и ультразвука. Без применения специальных мер защиты суммарное воздействие механических дестабилизирующих факторов приводит к относительным уходам частоты примерно (1 -5)•10- что значительно превышает долговременную нестабильность за счет старения.

Кварцевые резонаторы могут подвергаться воздействию радиационного облучения, в результате чего в атмосфере баллона, где находится резонатор, происходят окисление и ионизация остатков воздуха; окисление, изменение массы и плотности электродов; окисление, изменение упругости элемен-

тов держателя и т. д. При этом в зависимости от кварца, его среза, геометрии пластины и электродов, материала электродов и других причин у разных резонаторов, настроенных на одну и ту же частоту, возможен ее уход в разные стороны. Применение специальных мер защиты от радиационного облучения позволило уменьшить годовой уход частоты кварцевых мер при длительном воздействии радиации до 1-10--1-10-".

Одним из способов параметрической стабилизации частоты кварцевого генератора является использование возбуждения кварцевых резонаторов на высших механических гармониках. Известно, что добротность резонатора увеличивается при использовании гармоник до 5-9-й. Поэтому гармони-ковый генератор имеет более высокую стабильность частоты. Однако с ростом номера гармоники выше 5 -9-й добротность резонатора начинает быстро уменьшаться и стабильность генерируемой частоты ухудшается.

Рассмотренный метод кварцевой стабилизации частоты электромагнитных колебаний нашел широкое применение, так как кварцевые меры частоты по сравнению с другими мерами являются самыми простыми, обладают наименьшими массой, габаритами, стоимостью, высокой экономичностью, надежностью и большим сроком службы.

Для получения сетки кварцованных частот применяют много вариантов построения генераторов с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты. Один из наиболее распространенных способов построения генератора с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты поясняется на рис. 7.46. В канале переменной частоты формируется немодули-рованный высокочастотный сигнал с диапазоном перестройки, по абсолютному значению равным заданному диапазону частот выходного сигнала генератора. Канал фиксируемой частоты служит для формирования сигнала с частотой, равной нижней или верхней частоте канала переменной частоты. Раз-

Кварцевый генератор 5 МГц

5 МГц -

--185,1-255 МГц


Смеситель 0,1-70 МГц

Выходное устройство

Рис. 7.46. Способ диапазонно-кварцевой стабилизации частоты

вых



костная частота обоих каналов, выделяемая смесителем, через выходное устройство, обеспечивающее калиброванную мощность выходного сигнала, поступает на выходной разъем генератора. Дискретность перестройки частоты ВЫХО.ЦНОГО сигнала устанавливается либо только каналом переменной частоты, либо обоими каналами. Во втором случае канал переменной частоты обеспечивает грубую перестройку частоты (обычно 10-1(Ю точек), а канал фиксированной частоты - точную перестройку в пределах одной ступени канала переменной частоты. Оба канала используют многократные когерентные преобразования частоты кварцевого генератора.

Рассмотренный способ диапазонно-квар-цевой перестройки частоты положен в основу построения измерительных генераторов типов Г4-73, ГЗ-101, ГЗ-105.

Для диапазонно-кварцевой стабилизации частоты большое распространение получил способ синтеза частот. Синтезаторы пре.цназ-начены для преобразования сигнала с фиксированным значением частоты от высокостабильного источника в сигнал, значение частоты которого может быть установлено с необходимой дискретностью в заданном диапазоне частот. Выходной сигнал высокостабильных источников частоты имеет такие специфические характеристики, как разрешающая способность установки частоты выходного сигнала, число значащих цифр и время установления частоты при переключении. В измерительной технике применяются синтезаторы с установкой частот в десятичной системе счета (подекадно).

Существуют два способа построения синтезаторов частот: прямого и косвенного синтеза. Первый из них основан на выполнении четырех арифметических действий над частотой опорного сигнала с последующей фильтрацией при помощи сменных фильтров (рис. 7.47). При косвенном синтезе выходной сигнал создается диапазонным генератором, частота которого синхронизована с частотой опорного сигнала (с помощью системы ФАПЧ).

fo6p

Умножение

Сложение вычитание

Деление

Кварцевый генератор

Блок опорных частот

Блок

синтеза

Рис. 7.48. Структурная схема синтезатора частот

Структурная схема синтезатора частот приведена на рис. 7.48. Опорный кварцевый генератор (ОКГ) соз.пает высокостабильный по частоте сигнал с частотой 0,1; 1 или 5 МГц. Блок опорных частот формирует из сигнала ОКГ ряд сигналов с фиксированными частотами, необходимыми для работы системы синтеза частот (ССЧ), при помощи которой производятся операции сложения, вычитания, умножения и деления частот. На выходе ССЧ стоят фильтры с фиксированной или переменной частотой настройки. С помощью фильтров подавляются нежелательные составляющие, возникающие в спектре сигнала при преобразованиях сигнала. Обычно ССЧ состоит из нескольких частотных декад (ЧД), соединенных последовательно или параллельно. Каждая ЧД являет- . ся самостоятельной узкодиапазонной ССЧ.

Наиболее простой является ЧД с выделением гармоник с помощью пассивного фильтра (способ прямого синтеза частот). В такой ЧД сигнал от кварцевого генератора поступает на генератор гармоник. Гармоники фильтруются при помощи фильтров (которые могут быть плавноперестраиваемыми, ступенчато-перестраиваемыми или представлять собой набор переключаемых фильтров). Для получения на выходе ЧД сигнала необ-ХО.ЦИМОЙ частоты .достаточно настроить вы-ХО.ЦНОЙ фильтр на данную частоту. Фильтры, используемые в таких ЧД, должны подавлять соседние гармоники более чем на 80 дБ. Другой вариант построения ЧД основан на использовании гетеродинного фильтра, который позволяет получить качествен-

fo6p

Генератор

побр

гармоник

СМ I

Вспомогательный гетеродин

гет

Фильтр

вых

nifo6p-fr

СМ II

ф II

Рис. 7.47. Структурная схема прямого синтеза частоты

Рис. 7.49. Структурная схема частотной декады с гетеродинным фильтром



fo6p

Генератор

пгобр

Фазовый детектор

гармоник

Низкочастотный фильтр

Синхронизируемый

побр

генератор

Управляющий

элемент

Рис. 7.50. Структурная схема частотной дека.цы с косвенным синтезом частоты при помощи ФАПЧ

ную фильтрацию в диапазоне селектируемых гармоник (рис. 7.49). Гармоника сигнала, которую необхо.цимо выделить, поступает на вход смесителя СМ I, где ее частота преобразуется с частотой сигнала вспомогательного гетеродина. На смесителе СМ П частота ИСХО.ЦНОЙ гармоники восстанавливается. Гетеродинный фильтр может иметь частоту настройки фильтра Ф I выше или ниже частот гармоник опорного сигнала. Для по-.цавления нерабочих гармоник исходного спектра и составляющих с комбинационными частотами, возникающими при преобразовании сигналов в смесителе СМ II, используется фильтр Ф III. Сильное подавление комбинационных частот достигается подбором соотношения между частотами преобразуемых сигналов, которое должно бьггь близко к единице либо много меньше ее.

Для построения ЧД синтезаторов может применяться способ косвенного синтеза. При построении ЧД этим способом используются активные фильтры, основой которых является система фазовой автоподстройки частоты (рис. 7.50). В режиме синхронизагщи частота генератора точно соответствует частоте гармоники опорного сигнала. Управляющее напряжение с фазового детектора проходит через фильтр нижних частот, который подавляет нежелательные гармоники частоты опорного сигнала, так как они могут вызьшать частотную модуляцию сигнала генератора. Для устойчивой работы ЧД и введения ее в режим синхронизации с частотой требуемой гармоники частота генератора должна быть установлена с погреш-

tebix

Рис. 7.51. Принцип работы молекулярного генератора

ностью менее чем ± 0,5/обр. Максимальный номер используемой гармоники опорного сигнала определяется соотношением

П-тах ~ 1/8нест,

г.це бнест - относительная нестабильность частоты генератора.

7.5.3. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРОЦЕССАХ ОБМЕНА ЭНЕРГИИ В АТОМАХ И МОЛЕКУЛАХ

Характер явлений, происходящих в атомах и молекулах, отличен от характера явлений макромира. Эти явления объясняет квантовая теория.

С точки зрения квантовой теории каждому атому (молекуле) присущи характерные лишь для них дискретные ряды устойчивых состояний, определяемых соответствующим рядом дискретных значений энергии Ей которые называют стационарными состояниями.

Атом, нахо.цящийся в стационарном состоянии, не излучает энергию. При обычных условиях атом находится в таком стационарном состоянии, которому соответствует наименьшее значение его энергии, назьшаемое нижним энергетическим уровнем (£;). За счет какого-нибудь внешнего воздействия, например электромагнитного излучения определенной частоты, атом может быть переведен в другое стационарное состояние с большей энергией, т. е. на более высокий энергетический уровень (Е-. При этом атом будет поглощать энергию внешнего воздействия. При возвращении атома с более высокого энергетического уровня на низший рн будет излучать энергию. Аналогичные явления могут происхо.цить и в молекулах вещества.

Переходы между энергетическими уровнями атомов (молекул) обладают тем замечательным свойством, что они происходят на строго определенных (монохроматических) частотах, значения которых во времени сохраняются неизменными с весьма высокой точностью. Поскольку частоты квантовых перехо.цов слабо зависят от внешних факторов и являются стабильными, их используют



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


0.02