Резонансный метод измерения частоты

Сущность резонансного метода состоит в сравнении измеряемой частоты f_x с собственной резонансной частотой f_p градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазоне СВЧ, но может использоваться и в ВЧ-диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частото­мерами; их обобщенная структурная схема приведена на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема резонансного частотомера

Перестраиваемая колебательная система возбуждается сигналом ис­точника измеряемой частоты U(f_x) через входное устройство. Интен­сивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в мо­мент резонанса, т.е. при f_x =f_р. Данный момент фиксируется с помощью индикатора резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты f_x считывается с градуированной шкалы механизма настройки.

В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц исполь­зуются колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц — контуры с рас­пределенными постоянными, типа отрезков коаксиальной линии; на частотах, превышающих 1 ГГц, — объемные резонаторы.

Рис. 3. Упрощенная структурная схема резонансного частотомера

На рис. 3 приведена упрощенная структурная схема частотомера (волномера) с объемным резонатором, включающая волновод 1, по ко­торому поступает энергия измеряемой частоты f_x петлю связи 2, детек­тор (полупроводниковый диод) 3 с индикатором резонанса И, объемный резонатор 4 и плунжер 5, предназначенный для изменения одного из размеров резонатора и связанный с отсчетной шкалой. Связь резонатора с детектором индуктивная и осуществляется петлей связи 5.

Размеры резонатора в момент настойки в резонанс однозначно свя­заны с длиной волны λ, возбуждаемых в нем электромагнитных колеба­ний. Причем резонанс наступает при размерах резонатора l= nλ/2, где n = 1, 2, 3 и т.д. Поэтому, перемещая плунжер 5 до момента получения пер­вого резонанса, а затем следующего и оценивая по отсчетной шкале раз­ность Δl = l₁ - l₂ = λ/2, можно определить λ. Здесь l₁ и l₂ — показания отсчетной шкалы в момент 1-го и 2-го резонансов. Искомая частота f_x вычисляется по формуле f_x = c/λ, где с — скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме (скорость света; напомним с = = (2,99776 ±0,00004)·10⁸ м/с).

Для повышения точ­ности измерений частоты добротность Q резонато­ров должна быть высокой. С этой целью их внутрен­ние поверхности полируют и серебрят, доводя ве­личину Q до значения (5...10)·10³. С целью уменьшения сопротивления в месте подвижного контакта плунжера применяют системы длинных линий (отрезки линий длиной λ/2, λ/4).

(1)

Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с погрешностью 10³...10⁴. Основными источниками погрешностей измерения являются погрешность настройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.

1.3. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора

Использование метода заряда и разряда конденсатора позволяет соз­давать простые в эксплуатации и недорогие частотомеры, работающие в диапазоне 0,02...1 Мгц, но имеющие сравнительно невысокую точность. Их относительная приведенная погрешность может достигать 5%. Принцип действия конденсаторного частотомера может быть пояснен с помощью схемы на рис. 4, а. Входной периодический сигнал любой формы неизвестной частоты u(f_x) преобразуется с помощью преобразо­вателя в импульсный управляющий сигнал u_упр типа меандр, имеющий ту же частоту.

На рис. 4, б показан простейший принцип преобразования входно­го синусоидального колебания в колебание типа меандр u_упр и сопутст­вующие сигналы. Сигнал u_ynp управляет ключом К: при положительной полярности ключ замкнут, при отрицательной — разомкнут.

При замкнутом положении ключа происходит заряд емкости С током i₃, протекающим через диод D₁. При разомкнутом ключе данная емкость разряжается током i_р, протекающим через диод D₂, измерительный при­бор тА и сопротивление R. Непременным условием работы частотомера является требование того, чтобы емкость в течение зарядного времени успела полностью зарядиться до некоторого постоянного значения Е, а при разряде — напряжение на емкости практически становилось нуле­вым. Тогда максимальное значение разрядного тока i_p будет оставаться неизменным I_max, время разряда τ постоянным. При этом среднее значение тока, протекающего через измерительный прибор, определится формулой:

(2)

Следовательно, показания измерительного прибора оказываются пропорцио­нальны частоте f_x=1/T_x .

Данный метод в настоящее время используется крайне редко.

Рис. 4. Конденсаторные частотомеры;

а – структурная схема, б – временные диаграммы к схеме

1.4. Гетеродинный метод измерения частоты

Гетеродинный метод является одной из разновидностей методов сравнения измеряемой частоты f_х с частотой эталонного генератора f_кв (аналог метода нулевых биений); в качестве последнего используется ге­теродин. Упрощенная структурная схема гетеродинного частотомера представлена на рис. 5. Она содержит: входное устройство, кварцевый генератор, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и индикатор (нулевых биений).

Действие гетеродинного частотомера сводится к следующему про­стому принципу: при переключении ключа К в положение 1 производит­ся корректировка шкалы гетеродина; при положении 2 — измерение частоты, подаваемой на входное устройство.

Корректировка шкалы гетеродина (ключ К находится в положении 1) осуществляется непосредственно перед проведением измерения с помо­щью дополнительного, кварцевого генератора. Сигнал, поступающий с кварцевого генератора, имеет сложную форму и содержит ряд гармонических составляющих с кратными частотами: f_кв1,f_кв2,...,f_квi ..., f_квn, где n — номер гармоники. Частоты этих гармоник кварцевого генератора в радиотехнике называются кварцевыми точками.

Рис. 5. Упрощенная структурная схема гетеродинного частотомера

Рис. 6. Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя

При измерениях отсчетный лимб гетеродина устанавливают в поло­жение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте f_x кварцевой точке (примерное значение измеряемой частоты должно быть известно, иначе процесс измерения очень усложняется). Поскольку измеряемый и гетеродинный сигналы поступают на смеситель, на его выходе возника­ют колебания с суммарными, разностными и комбинационными частотами. Индикаторный прибор фиксирует наличие сигнала биений на минимальной разностной частоте f₆ = |f_квi-f_r|, проходящего через уси­литель низкой частоты (высокочастотные составляющие, получающиеся в результате смешения частот кварцевого генератора и гетеродина, через усилитель низкой частоты не проходят). Меняя емкость в контуре гете­родина, получают нулевые биения, следовательно, частота гетеродина становится равной частоте кварцевой гармоники f_r ≈ f_квi

После этого приступают к измерению неизвестной частоты f_x, пере­водя ключ К в положение 2. Вращая отсчетный лимб гетеродина, доби­ваются нулевых биений и по откорректированной шкале гетеродина оп­ределяют значение f_x ≈ f_r..

Гетеродинные частотомеры являются достаточно точными измери­тельными приборами. Их относительная погрешность измерения лежит в пределах 10³...10⁵. Однако в диапазоне средних частот (до 200 МГц и ниже) они вытесняются электронно-счетными частотомерами, которые обеспечивают ту же высокую точность, но значительно проще в экс­плуатации.

В диапазоне СВЧ гетеродинный метод измерения применяется совме­стно с электронно-счетными (цифровыми) методами. Расширение преде­ла измерения до 10... 12 ГГц достигается за счет переноса (преобра­зования) измеряемой частоты в область более низких частот. Такой пе­ренос можно осуществить, например, с помощью дискретного гетеро­динного преобразователя частоты, структурная схема которого приве­дена на рис. 7.6 вместе с цифровым частотомером.

В составе цифрового частотомера содержится генератор опорной (эталонной, образцовой) частоты f₀. Эта частота поступает на нелиней­ный элемент (генератор гармоник), который формирует сетку гармонических составляющих f_n=nf₀, где n — целые числа. С помощью пере­страиваемого фильтра (обычно это объемный резонатор со шкалой) до­биваются выделения из них гармоники f_n, ближайшей к измеряемой частоте f_x. При этом на выходе смесителя устройства появляется сигнал с разностной частотой F=|nf₀-f_x|.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) имеет полосу пропуска­ния, несколько большую опорной частоты f₀. Поэтому он усиливает сиг­нал с разностной частотой F < f₀, измеряемой далее цифровым частото­мером.

Результат измерения неизвестной частоты f_x вычисляют по формуле f_x = nf₀ ± F, в которой n — номер гармоники, считываемой со шкалы пе­рестраиваемого фильтра. Поскольку это выражение неоднозначно, то для получения правильного результата проводят второе измерение, вы­бирая с помощью перестраиваемого фильтра гармонику (n ± 1)f₀, сосед­нюю с гармоникой nf₀. Если результаты вычисления частоты f_А совпали при двух измерениях, то они верны.

Дата добавления: 2014-11-01; просмотров: 873; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!