Резонансный и гетеродинный методы измерения частоты

Среди методов, позволяющих измерять частоту с высокой точностью, весьма распространен гетеродинный метод. Он заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой перестраиваемого гетеродина. Приборы, в которых используется этот метод, называют гетеродинными частотомерами или волноводами.

Работа гетеродинного частотомера рис.3 и методика измерений сводятся к следующему. В положении И переключателя П на смеситель поступают одновременно колебания двух частот: измеряемой f_изм и гетеродина f_г. На выходе смесителя получаются напряжения комбинационных частот, и в том числе частоты биений. Гетеродин перестраивают по частоте до появления нулевых (низкочастотных) биений, фиксируемых по индикаторному прибору. Индикатор может быть тональным (телефоны) или визуальным (осциллограф, электронно-световая индикаторная лампа, стрелочный прибор). После получения нулевых биений по шкале гетеродина определяют частоту его колебаний и, следовательно, f_изм, так как при нулевых биениях

f_изм= f_г. Точность измерений зависит от точности образцовой меры, т.е. от стабильности частоты и постоянства градуировки гетеродина, а также точности сравнения и фиксации нулевых биений.

рис.3.Функциональная схема гетеродинного частотомера.

Для уменьшения погрешности, связанной с градуировкой гетеродина, в схемах многих частотомеров предусмотрен кварцевый генератор. С его помощью проверяют и корректируют градуировку шкалы. Эту операцию производят до начала измерений неизвестной частоты. Для этого переключатель рода работ ставят в положение К. А к смесителю, помимо гетеродина, оказывается подключенным кварцевый генератор, колебания которого содержат много гармоник. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте «кварцевой точке». Индикаторный прибор фиксирует наличие биений, которые при помощи «корректора» гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина отсутствует «корректор», то шкалу проверяют в соседних по обе стороны от f_изм точках, производят линейную интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градуировку. После корректировки кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, при которой получаются нулевые биения, и делают окончательный отсчет по его шкале.

В диапазоне СВЧ нередко применяют гетеродины, основная частота колебаний которых во много раз ниже измеряемой. При этом используются высшие гармоники гетеродина. Измеряемая частота сравнивается с n -й гармоникой гетеродина при нулевых биениях: f_изм= n f _г.

Согласно ГОСТ 9771 – 61 гетеродинные измерители частоты характеризуются следующими основными параметрами: классом точности, диапазоном измеряемых частот, диапазоном частот гетеродина, значениями опорных частот и их погрешностью, чувствительностью и др.

Опорными частотами – называют частоты кварцевого генератора, по которым калибруют шкалу гетеродина.

Предусмотрены 3 класса точности гетеродинных частотомеров (I, II, III), характеризуемые основной относительной погрешностью: 5∙ 10^-6; 5∙ 10^-5 и

5∙ 10^-4 (погрешности опорных частот соответственно: 5∙ 10^-7; 5∙ 10^-6 и 5∙ 10^-5), причем в приборах класса II и III не допускается применение градуировочных и поправочных таблиц или графиков.

Резонансный метод измерения частоты. Резонансный метод — основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне, преимущественно в области СВЧ.

Прибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером(вид Ч2). Колебательная система через элемент связи возбуждается сигналом источника, частоту колебаний которого необходимо измерить. С помощью органа настройки изменяется частота собственных колебаний колебательной системы до наступления резонанса. В момент резонанса, фиксируемого по индикатору, производят отсчет по шкале настройки колебательной системы.

Основным узлом резонансного частотомера является колебательная система. В приборах высокочастотного диапазона она образуется одной из сменных катушек индуктивности и прецизионным конденсатором переменной емкостью, снабженным шкалой настройки.

Индикатор резонанса — полупроводниковый детектор или термоэлемент с микроамперметром. В качестве примеров резонансных частотомеров можно привести прибор Ч2-1, работающий в диапазоне от 50 кГц до 50 МГц, или частотомер, входящий в гетеродинный переносчик к электронно-счетному частотомеру Ч3-30.

Характерной особенностью резонансных частотомеров СВЧ являются перестраиваемые резонаторы:

§ коаксиальные;

§ объемные.

Коаксиальные резонаторы бывают двух видов: полуволновой отрезок линии, коротко-замкнутый с двух сторон, и четвертьволновый отрезок, замкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой. Преимущественно применяют резонаторы второго вида, т. к. они конструктивно проще и позволяют получить более высокую добротность.

Коаксиальный частотомер (рис. а) представляет собой резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии регулируемой длины, замкнутой на одном конце и разомкнутой на другом (короткое замыкание осуществляется с помощью четвертьволнового бесконтактного устройства). Резонанс наступает при длине отрезка

где λ — измеряемая длина волны; p = 0, 1, 2, 3...

Резонансные измерители СВЧ

Длина ι отрезка линии регулируется перемещением центрального стержня при помощи микрометрического механизма, снабженного отсчетным устройством. Положение стержня, соответствующее резонансу, отмечается по отсчетному устройству. Частота, на которую настроен резонатор, определяется обычно по таблице или графику градуировки, прилагаемым к частотомеру. Имеются и приборы с непосредственным отсчетом в единицах измеряемой частоты.

Для связи резонатора с источником измеряемой частоты и индикатором предусмотрены две петли, которые помещают в области максимального магнитного поля (магнитная связь), т.е. у короткозамкнутого конца линии. Одна петля представляет собой окончание коаксиального кабеля, соединяющего резонатор с источником. Вторая петля (индикаторная) связана с детектором, к которому подключен микроамперметр.

Непосредственная связь петель ничтожно мала, и напряжение на детекторной петле наводится лишь тогда, когда резонатор настроен в резонанс с возбуждающими его колебаниями. Связи выбираются такими, чтобы частотомер обладал требуемой чувствительностью при высоком значении нагруженной добротности. При измерении частоты радиоимпульсов чувствительность может оказаться недостаточной. Поэтому в частотомерах для измерения частоты заполнения импульсных сигналов применяют усилитель. Так, например, в приборе Ч2-9А имеется трехкаскадный усилитель на транзисторах.

Коаксиальные частотомеры применяются в сантиметровом диапазоне волн и нижней части дециметрового диапазона.

В нижней части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне применяютчастотомеры с объемными резонаторами главным образом круглыми цилиндрическими.

Подобный резонатор можно рассматривать как отрезок круглого волновода, короткозамкнутый с двух сторон. На одном конце отрезка — неподвижная торцевая стенка, на другом — перемещающийся короткозамыкающий поршень (рис. б и в). При перемещении поршня изменяется длина L резонатора, вследствие чего изменяется частота его собственных колебаний.

Резонанс наступает при L = р Λ /2 (Λ — длина волны в круглом волноводе). Все частотомеры с объемными резонаторами— градуированные приборы.

В качестве примеров частотомеров с объемным резонатором могут быть названы приборы Ч2-31 и Ч2-36, применяемые соответственно в диапазонах частот 12-16, 6 и 52, 6-79 ГГц.

Погрешности измерений. Мерой в данном случае является резонатор. Ее погрешности обусловлены рядом причин: низкой нагруженной добротностью резонатора Q _н, т. е. тупой резонансной кривой; погрешностями, вносимыми при получении градуировочной характеристики прибора; изменением окружающей температуры, вызывающим изменения размеров резонаторов; изменением влажности окружающей среды.

Погрешность сравнения складывается из таких составляющих:

а) погрешность настройки в резонанс. Она чаще всего обусловлена недостаточной тщательностью выполнения правил настройки и наличием люфта в механизме перемещения поршня в резонаторе;

б) погрешность, связанная с недостаточной энергетической чувствительностью. Для уменьшения погрешности применяют чувствительные индикаторы, а при импульсном режиме— усилители.

Погрешность фиксации результата измерения может появиться из-за нетщательного снятия отсчета по шкале микрометра, а также при неумелом (невнимательном) пользовании градуировочными графиками или таблицами.

На резонансные измерители частоты установлены восемь классов точности, соответствующих допускаемым основным погрешностям, выраженным в процентах: 0, 005; 0, 01; 0, 02; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0.

Краткие сведения по технике измерений.

Резонансные частотомеры характеризуются следующими основными параметрами:

§ класс точности;

§ допускаемые дополнительные погрешности;

§ диапазон измеряемых частот;

§ запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами;

§ чувствительность;

§ максимальный размер мощности измеряемого сигнала;

§ среднее время безотказной работы.

При включении резонансного частотомера в СВЧ тракт возможны два вида схем включения: проходная (рис. а) и реактивная (рис. б)

Схемы включения частотомера в тракт При настройке частотомера рекомендуется подходить к положению резонанса плавно с одной стороны, так как при этом уменьшаются погрешности, связанные с люфтом в механизме перемещения поршня резонатора.

С целью повышения точности измерение частоты проводят методом «вилки», который заключается в том, что для определения резонансной частоты берут два отсчета частоты f ₁ и f ₂, соответствующие одинаковым показаниям стрелочного индикатора по обе стороны от положения резонанса. За резонансную частоту принимают среднее арифметическое из этих отсчетов.

25. Электронно - счетный частотомер и режиме измерения чистоты, структурная схема, принцип действия, составляющие погрешности измерения и пути ее уменьшения.

Основные узлы частотомера. Формирующее устройство строится по различным схемам. Оно может состоять из усилителя-ограничителя, преобразующего синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, дифференцирующей цепи и одностороннего ограничителя. На выходе получаются однополярные короткие импульсы, период следования которых равен периоду измеряемого сигнала. Часто для формирования прямоугольных импульсов из синусо­идального напряжения применяют несимметричный триг­гер (триггер Шмитта).

Кварцевый генератор — источник сигнала высокоста­бильной частоты — служит образцовой мерой, воспроиз­водящей калиброванный интервал времени. Напряжение кварцевого генератора преобразуется в импульсы, кото­рые подаются в делитель частоты. Часто кварцевый ге­нератор дополняется умножителем частоты.

Делитель частоты представляет собой набор q декад, каждая из которых уменьшает частоту следования им­пульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления получа­ется равным 10^q. В зависимости от числа используемых декад с различных выходов делителя могут сниматься импульсы напряжения с различными частотами следова­ния. Так, при f_KB=10 МГц эти частоты 1 МГц; 100, 10 и 1 кГц; 100, 10, 1 и 0, 1 Гц. Периоды следования импуль­сов определяют продолжительности интервалов времени счета, т. е. временные ворота: 0, 0001; 0, 001; 0, 01; 0, 1; 1; 10 с.

Узел формирования и управления содержит схему формирования временных ворот, реле времени индикации и сброса показаний счетчика на нуль, переключатель видов измерений.

Схема формирования временных ворот, на которую подаются импульсы с выхода одной из декад, вырабатывает стробирующий импульс, отпирающий вход счетчика на время Δ t_к. Она состоит из двух триггеров T₁ и Т₂ (рис. 3.). В исходном состоянии схемы триггер Т ₁находится в положении 1, а триггер Т₂ — в положении 0. Первый отрицательный импульс поступает с выхода делителя частоты одновременно на входы 01 и 02 обоих триггеров. На триггер Т₂ импульс непосредственно не действует, а триггер Т ₁он перебрасывает в положение 0. При этом на выходе А ₁₁возникает отрицательный перепад напряжения. В результате дифференцирования он преобразуется в отрицательный импульс, подводимый ко входу 12 триггера Т₂ и перебрасывающий последний в положение 1. На выходе А₁₂появляется положитель­ный перепад напряжения, который является фронтом стробирующего импульса, подаваемого на вход 2 селектора.

Рис. 3. Структурная схема электронно-счетного частотомера (режим измерения частоты).

Второй отрицательный импульс, поступающий с де­лителя частоты на вход схемы, т. е. одновременно на входы 01 и 02 триггеров, не изменяет состояния триггера Т₁ но перебрасывает триггер Т ₂в положение 0. На­пряжение на выходе А ₁₂резко падает, и таким образом формируется срез стробирующего импульса. Второй триггер также становится нечувствительным к отрицательным запускающим импульсам. Следовательно, после прихода первых двух отрицательных импульсов с выхода делителя триггеры не реагируют на остальные импульсы, поступающие на вход схемы формирования. Они остаются в таком состоянии до тех пор, пока на вход 11 триггера Т ₁не будет подан отрицательный импульс сброса, возвращающий триггер Т ₁в первоначальное положение и подготавливающий схему к новому формированию временных ворот. Импульс, формируемый на выходе А₁₂ триггера Т₂ и передаваемый на селектор, имеет длитель­ность, равную интервалу времени между двумя импуль­сами, снимаемыми с делителя. Длительность вырабаты­ваемого триггером Т ₂прямоугольного стробирующего импульса зависит от того, с выхода какой декады пода­ются импульсы на вход схемы формирования временных ворот.

Реле времени индикации и сброса по­казаний на нуль задает определенную продолжительность времени индикации результата измерений. Его работа заключается в том, что оно вырабатывает через определенное регулируемое время (время измерений) импульс, возвращающий декады счетчика и триггер Т ₁схемы формирования временных ворот в начальное поло­жение, т. е. подготавливает узлы прибора к новому изме­рению. Кроме того, этот импульс держит в запертом со­стоянии триггер Т ₁схемы формирования до окончания процесса переброса декад счетчика в начальное положе­ние, т. е. до сброса показаний в нуль.

Рис. 4. Схема формирования «временных ворот».

Погрешность меры. Поскольку мерой служит кварце­вый генератор, то данная погрешность определяется не­стабильностью частоты' колебаний генератора, погрешностью установки частоты генератора по образцовой частоте при выпуске с завода-изготовителя и погрешностью образцовой меры, по которой устанавливалась частота.

Например, средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора частотомера Ч43-39 не превышает следующих значений: ±1·10 ^-10 за 1 с; ±5·10 ^-9 за сутки.

Погрешность преобразования. Эта разновидность погрешности связана с формированием импульсов из напряжения гармонического сигнала. Она может возникать из-за нестабильности порога срабатывания и гистерезиса триггера Шмитта. Однако современная техника формирования располагает схемными решениями, позволяющими сделать данную составляющую погрешности весьма малой.

Погрешность сравнения. Как и при измерении интервалов времени, определяется главным образом погрешностью дискретности, появляющейся по той же причине: фронт и срез временных ворот не синхронизированы с моментами появления заполняющих ворота импульсов. Максимальная величина абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 младшего разряда счета.

Taк как счетчик частотомера фиксирует п импульсов время Δ t_к и согласно формуле f_изм =п/t_к, то при Δ _n = ±1 абсолютная погрешность дискретности

4)

причем значение Δ _f выражено в герцах, если интервал Δ t _k выражен в секундах.

Относительная погрешность дискретности

(5)

Погрешность фиксации результата сравнения может иметь место только при ненормальном функционировании счетчика (предполагается, что он правильно выбран по емкости и быстродействию).

Предел допускаемой абсолютной погрешности электронно-счетного частотомера характеризуется выражением

(6)

где – общая погрешность меры (кварцевого генератора).

Соответственно предел допускаемой относительной погрешности, выраженной в процентах от измеряемого значения, δ _пред=100 Δ _пред/f_изм.

Из формул (6) и (7) можно заключить, что в области низких частот погрешность дискретности явля­ется определяющей. Так, при f_изм=10 Гц (Δ t_K=l с и δ _кв=10^-7) абсолютная погрешность дискретности со­ставляет 1 Гц и полностью характеризует общую абсо­лютную погрешность Δ _f=±(10^-6+l) Гц≈ ±1 Гц. От­носительная погрешность составляет 10%, что недопу­стимо много при решении ряда задач.

Из сказанного следует вывод, что из-за больших погрешностей дискретности низкие частоты непосред­ственно измеряются электронно-счетным частотомером с невысокой точностью.