книги / Электрорадиоизмерения

10. Объясните принцип работы фазометра с синхронизированными мультивибраторами.

И. Что такое относительный временной интервал?

12.Почему фазометр, работающий на принципе преобразования

фазового сдвига во временной, имеет линейную шкалу?

Г Л А В А Д Е В Я Т А Я

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

9-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение частоты или длины волны — это одно из основных радиотехнических измерений.

Частота f и длина волны X электромагнитных колеба­ ний связаны между собой уравнением

где v — скорость распространения электромагнитной энер­ гии.

Эта скорость зависит от свойств среды, т. е. от ее диэлек­ трической и магнитной проницаемости (е и р), и может быть определена по формуле

J/jLie

где со ~ 3 -1 0 8 м/с — скорость распространения электро­ магнитной энергии в вакууме.

В практике обычно р = 1 и поэтому

На низких и высоких частотах (до нескольких сотен мегагерц) длины волн имеют значительную величину и их непосредственное измерение практического значения не имеет. В этих диапазонах применяются приборы, измеряю­ щие частоту, а длина волны определяется косвенно на осно­ вании соотношения

Непосредственное измерение длины волны произво­ дится, как правило, в диапазоне СВЧ.

В радиотехнической практике измерять частоту прихо­ дится в очень широком диапазоне частот — от долей герца

до десятков тысяч мегагерц, вследствие чего существует сравнительно большое число различных методов измерения.

Измерительные приборы, предназначенные для измере­ ния частоты, называются частотомерами.

Выбор метода измерения, а соответственно и прибора зависит от диапазона измеряемых частот, так как каждый из них имеет свои достоинства и недостатки при использо­ вании его в определенном частотном диапазоне.

Для измерения промышленной частоты, когда не тре­ буется высокая точность ее контроля или определения, применяются стрелочные приборы (логометры) электроди­ намической и других систем. Такие приборы используются также и на более высоких частотах звукового диапазона.

Внизкочастотном диапазоне могут быть использованы

идругие приборы: электронно-счетные, цифровые, осцил­ лографы и др.

При измерении высоких и сверхвысоких частот большое

распространение получили резонансные частотомеры с по­ грешностью измерения до 0,05%.

Наибольшую точность измерения дает метод сравнения измеряемой частоты с образцовой. Для индикации совпа­ дения частот могут быть использованы различные приборы и методы, как, например, метод нулевых биений, фигуры

Лиссажу и др.

Внастоящее время широкое применение получили элек­ тронно-счетные частотомеры, измеряющие частоту путем непосредственного счета в диапазоне частот до 200 МГц.

Для расширения частотного диапазона и повышения точности измерения могут быть использованы дополни­ тельные приборы, как, например преобразователи частоты, делители и умножители частоты, применен переход от измерения частоты к измерению периода и т. д.

Частотомеры промышленного типа общего применения используются для измерения частот от 10 Гц до 70 ГГц. Кроме того, современная измерительная техника дает возможность измерять значительно меньшую частоту вплоть до долей герца, например, при помощи измерения периода колебаний.

Погрешность измерения частоты имеет широкие пре­ делы. Точность измерения частотомеров, например элек­ тронно-счетных и гетеродинных, зависит от генераторов опорных частот. Высокая точность частотомеров, имеющих опорный генератор, определяется стабильностью послед­ него.

/2=2лК£^Аб’

где

п _ СКПС0

об*"скв+ с 0-

При этом С0б < Скв, а /2 > /х. Практически О) ^ Скв. Поэтому

С об ~ ^кв* а /1 ~ /2*

Последовательный контур на частотах больше резонансной (f > f{) и параллельный на частотах меньше резонансной (/ < /а) имеет сопро­ тивление индуктивного характера. Следовательно, в очень узком диапа­ зоне между частотами и /2 кварцевый резонатор представляет собой эквивалентную индуктивность, на чем и основано его применение в схе­ мах кварцевого генератора.

Кварцевые резонаторы имеют очень высокую добротность (порядка 104— 10°) и, следовательно, острую резонансную кривую с узкой полосой пропускания, что обеспечивает при включении кварца в схему хорошую стабилизацию частоты

генератора.

Существует несколько типовых схем возбу­ дителя LC-генератора и в их числе схемы так называемой индуктивной и емкостной трехточки.

На рис. 9-2 приведены упрощенные схемы гене­ раторов с кварцевой стабилизацией на лампе и на транзисторе.

Одним из условий возбуждения трехточечных схем (условие баланса фаз) должен быть одина­ ковый характер реактивных сопротивлений, вклю­ ченных в цепь сетка — катод лампы или база — эмиттер транзистора и соответственно анод — ка­ тод или коллектор—эмиттер.

Колебательный контур лампового генератора (рис. 9-2, а) образован эквивалентной индуктив­ ностью L9 резонатора, межэлектродной емкостью

лампы Сас и индуктивностью L. Генератор выполнен по схеме ин­ дуктивной трехточки.

Колебательный контур генератора на транзисторе (рис. 9-2, б) состоит из результирующей емкости CL — С2 и эквивалентной индук­ тивности кварцевого резонатора. Генератор "собран по схеме емкост­ ной трехточки.

Принцип кварцевой стабилизации частоты генератора состоит в том, что резонансная частота контура генератора определяется экви­ валентной индуктивностью Lb и лежит между /* и /2.

На стабильность частоты кварцевого резонатора, а следовательно, и генератора с пьезокварцевой стабилизацией влияют: изменение темпе­ ратуры окружающей среды, а соответственно и кварца, изменение напряжения источника питания, величина нагрузки, атмосферное дав­ ление и т. д.

Поэтому для повышения постоянства частоты высокостабильного кварцевого генератора применяют специальные меры, направленные на наиболее полную реализацию стабилизирующих свойств кварцевого резонатора:

а) правильный выбор режима кварцевого резонатора (не допус­ кается его перегрузка, вызывающая деформацию и чрезмерное нагре­

колебаний задающего генератора применением буферного каскада, имеющего слабую связь с другими каскадами;

д) применение термостатов для кварцевого резонатора и гермети­ зации экранов, предохраняющих детали задающего генератора от влия­ ния на их параметры влажности.

При выполнении всех этих мер кварцевые генераторы могут давать

Для получения целой серии стабильных образцовых частот могут быть использованы специальные умножители частоты.

Рис. 9-2. Схема лампового генератора с пьезокварцевой ста­ билизацией (а) и схема транзисторного генератора с пьезоквар­

цевой стабилизацией (б).

Принцип умножения высокостабилыюй частоты кварцевых генера­ торов основан на использовании высших гармоник, имеющихся в его соответствующей цепи, например анодной. В этом случае лампа должна работать в соответствующем режиме, например с отсечкой анодного тока. Нужная гармоника (2, 3, 4, 5 и т. д.), являющаяся такой же ста­ бильной, как и основная частота, может быть выделена соответствующей избирательной системой.

Примером простейшего умножителя частоты является кварцевый калибратор, состоящий из кварцевого гетеродина, дающего большое число гармоник, и детектора с телефоном. Такой прибор служит в основ­ ном для проверки градуировки генераторов и радиоприемников. В первом случае используется метод нулевых биений, при котором на вход детектора кроме напряжения кварцевого калибратора подается также напряжение исследуемого генератора (или радиопередатчика), в резуль­ тате чего образуются биения. При плавном изменении частоты исследу­ емого генератора каждый раз, когда его частота совпадает с одной из гармоник калибратора, телефон фиксирует нулевые биения.

При делении или умножении образцовой частоты кварцевого гене­ ратора может быть использован симметричный мультивибратор, кото-

ящим из L и Clt и добавочным резистором /?д; катушка Б2 включена последовательно с конденсатором С2. На резонансной частоте значение тока /, максимально. С изменением частоты ток уменьшается, изменяется также и угол сдвига между токами 1Хи / 2. Таким образом, угол поворота подвижной части, определяемый для электродинамического логометра уравнением (2-18), зависит от час­

от частоты не зависит. Токи, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям тех цепей, по которым они протекают. Следовательно, в уравнении подвижной части магнитоэлектрического логометра (2-13) отношение токов можно заменить отношением сопротивлении:

где Zx — полное сопротивление первой ветви.

Поскольку величина Zx зависит от частоты, угол поворота подвиж­ ной части логометра также зависит от частоты и прибор может исполь­ зоваться для ее измерения.

Чаще всего выпрямительные частотомеры выпускаются в виде

9-4. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Метод фигур Лиссажу. Среди осциллографических спо­ собов измерения частоты наиболее распространен метод сравнения двух частот при помощи фигур Лиссажу.

Этот метод заключается в том, что к отклоняющим пла­ стинам (например, Y) подводят напряжение измеряемой

Частоты /1У, а к отклоняющим пластинам X — напряжение образцового генератора с частотой /() = fx (рис. 9-5).

Частоту образцового генератора изменяют до тех пор, пока на экране осциллографа не получится фигура Лиссажу, которая по возможности должна быть наиболее простой и неподвижной. При этом следует иметь в виду, что с уве­ личением частоты генераторов и уменьшением их стабиль-

щего вертикальное смещение пятна, к частоте напряже­ ния горизонтального смещения.

Практически величину п удобно находить как отноше­ ние числа точек пересечения фигуры Лиссажу горизон­ тальной линией к числу точек пересечения фигуры верти­ кальной линией.

Такое определение отношения частот обусловлено тем, что за один период вертикально-смещающего напряжения световое пятно дважды пересечет горизонтальную линию на экране осциллографа и аналогично за период горизон­ тально смещающего напряжения оно дважды пересечет вертикальную линию.

Например, если фигура Лиссажу, изображенная на рис. 9-5, получилась при частоте образцового генератора /о = 1000 Гц, то отношение числа точек пересечения фигуры горизонтальной и вертикальной прямыми соответствует:

откуда

fy= nfQ= 3- 1000 = 3000 Гц.

Так как осциллограф имеет два входа У и X, к любому из которых можно подвести частоту исследуемого генера­ тора, то во избежание ошибки определения п можно поль­ зоваться следующим способом.

Вначале при помощи вертикальной и горизонтальной прямых находят отношение частот fu/fx и fx/fy, по харак­ теру кривой фигуры Лиссажу определяют, какая частота больше, и затем уже выбирают соответствующее значение п.

Например, если при подведении к осциллографу ча­ стот fx и /2, из которых /2 неизвестна, на экране трубки получилась фигура Лиссажу, изображенная на рис. 9-6, то отношение частот будет 4 или 1/4.

Из фигуры Лиссажу видно, что смещение пятна по вер­ тикали происходит чаще его смещения по горизонтали.

ной развертки по сравнению со скоростью в ее средней части и определить п невозможно.

В этом случае для измерения частоты удобно использо­ вать метод круговой или эллиптической развертки.

Метод круговой развертки. Этот метод (рис. 9-7) заклю­ чается в том, что меньшей частотой, например fQобразцо­ вого генератора, осуществляют эллиптическую или круго­ вую развертку, а большую, в данном случае измеряемую частоту /л., подводят к модулирующему электроду трубки. В результате модуляции светового пятна по яркости эл­ липтическая (круговая) развертка становится прерывистой. При получении неподвижного изображения пунктирной эллиптической развертки число ее штрихов соответствует п.

Метод эллиптической развертки можно использовать при больших значениях п, т. е. на более высоких частотах, чем при измерении методом фигур Лиссажу. Это объясня­

ется тем, что длина круговой развертки в 3 с лишним раза больше длины синусоидальной развертки, в результате чего вдоль нее может уложиться большее количество меток, определяющее отношение частот.

Для получения отчетливых штрихов на линии круго­ вой или эллиптической развертки необходимо пользоваться регулировкой яркости осциллографа, а также изменением величины выходного напряжения исследуемого генератора.

Недостатком метода эллиптической развертки измере­ ния частоты является то, что не во всех промышленных типах осциллографов имеется вывод от модулятора трубки. Например, осциллограф С1-5 такого вывода не имеет.

Рис. 9-7. Измерение частоты осциллографом методом круговой раз­ вертки.

Кроме того, при использовании этого метода необходима фазорасщепляющая цепочка, создающая круговую раз­ вертку.

Методы фигур Лиссажу и круговой развертки являются методами сравнения, характеризующимися высокой точ­ ностью измерения, определяемой в основном стабильностью образцового генератора.

Эти методы применяются главным образом в диапазоне звуковых частот. Их использование в диапазоне высоких частот затруднительно, так как даже незначительная неста­ бильность генераторов данного диапазона создает большую скорость изменения фазового сдвига между их напряже­ ниями. В результате значительной скорости движения фигуры Лиссажу или же вращения эллиптической развертки отношение частот определить невозможно.