Меню

Средства измерения частоты методика измерений



Средства измерения частоты методика измерений

Методы измерения частоты и применяемые приборы

Измерение основной физической величины — времени и ее производной — частоты, а также воспроизведение и хранение единиц ; их измерения лежат в основе большинства измерительных задач. Основой частотно-временной аппаратуры является группа стандартов частоты, включающая водородный, рубидиевый, цезиевый и кварцевый стандарты, которые хранят единицу времени — секунду и единицу частоты — герц.

Приборы для измерения частоты, называемые частотомерами, делятся на резонансные 42, электронно-счетные 43, гетеродинные 44, и др. Измерять частоту можно разными приборами и методами. Промышленность выпускает стрелочные частотомеры (43-1, 43-7 и др.), которые позволяют отсчитывать частоту непосредственно по шкале используемого в нем стрелочного прибора в диапазоне от 10 Гц и до 500 кГц. Отклонение стрелки прибора зависит от усредненного значения тока заряда или разряда образцового конденсатора, перезаряжаемого напряжением измеряемой частоты. Поскольку ток в цепи прямолинейно зависит от напряжения, такие частотомеры имеют равномерную шкалу и обладают относительно большим входным сопротивлением.

Рис. 43. Функциональная схема гетеродинного частотомера

Для измерения высоких частот и СВЧ используют методы сравнения измеряемой частоты с известной частотой собственных колебаний в резонансной системе. Рассмотрим эти методы.

Гетеродинный метод основан на сравнении исследуемых колебаний fx с колебаниями градуированного высокоточного генератора (гетеродина) fэт с помощью смесителя. На рис. 43 показана функциональная схема гетеродинного частотомера (волномера), состоящего из гетеродина Г, смесителя С и выходного прибора ВП (индикатора), в котором сравнение частоты колебаний производится методом биений.

Принцип измерения состоит в следующем. На блок смесителя подается колебание высокостабильной частоты fэт от гетеродина и колебание частоты fх. С выхода смесителя колебание разностной частоты биений fзв подается на выходной прибор, отградуированный в соответствующих единицах измерений (частотах или длинах волн). Несмотря на простоту устройства, гетеродинные частотомеры позволяют измерять частоту в пределах 30—’ 3000 МГц с высокой точностью.

В основу резонансного метода измерения частоты положено явление электрического резонанса. Волномеры состоят из высокодобротного контура, механизма настройки и индикатора.

В зависимости от диапазона измеряемых частот колебательный контур частотомера может выполняться из высокодобротного
контура LC с сосредоточенными постоянными, либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора.

Функциональная схема резонансного частотомера показана на рис. 44. На измеряемую частоту настраивается в резонанс контур ЬКС«. Зная индуктивность LK и емкость Ск, легко вычислить изме­ряемую частоту. Наличие резонанса в контуре LKCb регистрирует­

ся по максимальному показанию индикатора. Обычно резонансный частотомер имеет набор сменных катушек LK , позволяющих пере­крыть диапазон частот от нескольких сотен килогерц до несколь­ких десятков мегагерц.

Резонансные частотомеры сверхвысоких частот состоят из коаксиальных и объемных резонаторов. Отрезок коаксиальной линии, представляющей собой колебательный контур, связывается с источником колебаний (генератором) и детектором петлями свя­зи (рис. 45). Настройка контура в резонанс осуществляется изменением длины I внутреннего проводника коаксиальной линии. Если на длине отрезка линии укладывается четверть волны изме­ряемого колебания, возникает резонанс. Момент настройки в резо­нанс отмечают по максимальному отклонению стрелки индикато­ра, включенного в цепь детектора. Измерение исследуемой длины волны состоит в нахождении двух соседних резонансов в линии и определении расстояния между ними; оно равно половине длины волны исследуемого колебания. Резонансные волномеры позволя­ют измерять длины волн от нескольких сантиметров до нескольких дециметров.

Отечественная промышленность выпускает большую номенкла­туру частотомеров для измерения в диапазоне СВЧ: например, резонансные коаксиальные частотомеры на частоты от 40 до 10700 МГц (Ч2-2А и 42-37) и волноводные на частоты от 8 до 16,6 ГГц (42-33 и 42-31). Типы частотомеров и измеряемый ими диапазон частот приведены на рис. 46.

Для осуществления автоматического измерения частоты в диа­пазоне до 10 ГГц предназначен резонансный волноводный пано­рамный частотомер 42-55, который позволяет осуществлять авто­матическое измерение по индикатору прибора одновременно нескольких частот, излучаемых генераторами СВ4. Он широко

применяется при проверке и ремонте генераторов в лабораторных и производственных условиях. Частотомер выполнен полностью на полупроводниковых приборах, погрешность измерений 0,5%, чувствительность 5-10

3 мВт. Габариты прибора 480X255X480 мм, масса 28 кг.

Для лабораторных измерений частоты применяют электронносчетные частотомеры, выдающие результаты измерений в цифровой форме.

Читайте также:  Как измерить рост коня

Действие этих при­боров основано на преобразо­вании измеряемого синусои­дального напряжения в корот­кие прямоугольные импульсы, соответствующие измеряемой частоте. Эти импульсы регист­рируются счетчиком.

Например, за 1 с счетчик регистрирует 1 • 10 6 импульсов, значит, измеряемая частота будет равна 1 МГц. Такие ча- тотомеры облегчают процесс измерения в широких преде

лах частот (от нескольких герц до сотен мегагерц), период следо­вания и длительность импульсов. Они также могут быть исполь­зованы в качестве источников кварцованных частот, датчиков ка­либрованных интервалов времени и др.

Электронно — счетные частотомеры (универсальные ЧЗ-47А, 43-49 и упрощенные 43-44, 43-45, 43-46) осуществляют програм­мируемое измерение частоты радиосигналов от долей герца до СВ4-диапазонов с погрешностью ±5-10 -9 и интервалов времени от 1 до 10 4 мкс с погрешностью ±0,1 мкс. Они выдают результаты измерений в коде, обеспечивающем математические вычисления, статистическую обработку и регистрацию их в цифровой и анало­говой формах.

Источник

Методы измерения частоты

Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

где tвремя существования п колебаний.

Для гармонических колебаний частота f = 1/T, где Т — период колебаний.

Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины дикту­ется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В Международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свобод­ном пространстве l следующими соотношениями: fT = 1 и fl = с, где с—скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.

Спектр частот электромагнитных колебаний, исполь­зуемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр вначале разделяют на два диапазона — низких и высоких частот. К низким частотам относят и нфра звуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20— 20 000 Гц) и ультразвуковые (20—200 кГц). Высокочас­тотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (20 кГц — 30 МГц), ультравысокне (30 — 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Верхняя граница сверхвысоких частот непрерывно повышается и в настоящее время достигла 80 ГГц (без учета оптического диапазона). Такое разделение объясняется разными способами получе­ния электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на рас­стояние. Однако четкой границы между отдельными участ­ками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.

Метод перезаряда конденсатора

Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источ­нику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем нако­пится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно при­соединять к источнику напряжения для заряда и к измери­телю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше: fq = fCU = I, где I —среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте пере­ключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты:

Рис. 1. Структурная схема конденсаторного частотомера

Структурная схема конденсаторного частотомера, в кото­ром использован этот метод (рис. 11), состоит из усилителя-ограничителя УО и Зарядно-разрядного устройства ЗРУ с магнитоэлектрическим индикатором. Кроме того, имеется генератор Гк для калибровки частотомера на одной фиксированной частоте. На вход частотомера поступает напряжение измеряемой частоты. В усилителе-ограничителе оно принимает форму меандра. Меандр управ­ляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема счетного устройства конден­саторного частотомера

Транзистор Т работает в режиме ключа: когда он за­крыт, один ii3 конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разря­жается через транзистор. Зарядный ток протекает через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуированный в единицах частоты. Конденсаторы С переключаются: минимальная и максимальная емкость определяет диапазон измеряемых частот, а число конденсаторов — число под-диапазонов.

Значение напряжения, до которого заряжается конден­сатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устра­нения этого явления в зарядно-разрядном устройстве предусмотрена стабилизация напряжения заряда, которая осуществляется стабилитроном Дз; напряжение питаниятакже стабилизируется с помощью стабилитронов Д1 и Д2 Нижний предел измеряемых частот составляет 10 Гц;

Читайте также:  Измерение предстательной железы при трузи

при более низких частотах подвижная часть магнитоэлектри­ческого индикатора будет совершать механические колеба­ния в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емко­стью конденсатора С, но и монтажными емкостями элемен­тов зарядно-разрядного устройства, и не превышает 1 МГц. Погрешность измерения зависит от класса точности миллиамперметра, остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора и составляет 1-2 %.

Резонансный метод

Резонансный метод измерения частоты заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного контура. Этот метод применяется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Структурная схема его реализации приведена на рис. 3. Источник напряжения измеряемой частоты fx с помощью эле­мента связи ЭСв соеди­няется с прецизионным из­мерительным контуром ИК, который настраивается в резонанс с частотой fx Момент резонанса фиксируется по максимальному по­казанию индикатора, при­соединенного к контуру через второй элемент связи. Из­меряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объеди­нены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волноме­ром.

Схема резонансного частотомера (рис. 4) позволяет выявить источники погрешности измерения. Погрешность градуировки определяется качеством механизма настройки;

ее можно уменьшить путем предварительной градуировки шкалы частотомера с помощью образцовой меры. Неста­бильность частоты измерительного контура возникает вслед­ствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды; ее можно вычислить по следующей формуле:

где Df — отклонение частоты от резонансной под влиянием изменения температуры на DT, К; a линейный темпе­ратурный коэффициент расширения материала контура; k конструктивный коэффициент. Нестабильность настройки кон­тура возникает также при изме­нении вносимых реактивных со­противлений со стороны источника fx и индикатора. Активные вноси­мые сопротивления уменьшают доб­ротность контура.

Рис.5 резонансная кривая колебательного контура

Уменьшение влияния вносимых сопротивлений достигается ослаблением связи с источником fx и индикатором.

Неточность фиксации резонанса определяется значением добротности контура Q нагруженного измеритель­ного контура и разрешающей способностью индикатора. Из уравнения резонансной кривой (рис. 5) можно по­лучить формулу для расчета относительной погрешности от неточности фиксации резонанса:

где U показание индикатора при резонансе; Up показание при расстройке измерительного контура наDf.

Измерительный контур резонансного частотомера в зави­симости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью вытеснены циф­ровыми частотомерами, а с распределенными параметрами широко применяются в диапазоне СВЧ.

Резонансные частотомеры характеризуются диапазоном измерения частот, погрешностью и чувствительностью, т.е. минимальной мощностью, поглощаемой от источника измеряемой частоты, необходимой для уверенного отсчета показаний индикатора при резонансе.

Резонансные частотомеры с распределенными парамет­рами. Колебательный контур частотомера выполняют либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора. Настройка коаксиальной линии производится изменением ее длины, объемного резонатора — изменением его объема.

Рис. 6. Четвертьволновый резонансный частотомер

Рис. 7. Резонансный часто­томер с нагруженной линией

петель; зондов, щелей и круглых отверстий. На входе частотомера часто включают аттенюаторы с переменным ослаблением для регулировки входной мощности. Иногда применяют направленные ответвители.

Индикатор частотомера состоит из полупроводникового (германиевого или кремниевого) диода и магнитоэлектри­ческого микроамперметра большой чувствительности. Связь диода с измерительным контуром осуществляется через петлю связи, располагаемую внутри коаксиальной линии или объемного резонатора. Если частотомер предназначен для использования при импульсной модуляции, то видео­импульсы, получившиеся после детектирования диодом, поступают на транзисторный усилитель и амплитудный вольтметр. Параллельно последнему можно включить осцил­лограф.

Коаксиальные частотомеры выполняют в основном двух типов: четвертьволновые и с нагруженной линией.

Четвертьволновый резонансный частотомер представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии (рис. 6). Настройка его осуществляется с помощью микрометрического механизма со шкалой, градуированной в единицах длины I. Резонанс, в линии наступает при I, равной нечет­ному числу четвертей длины волны.

Читайте также:  Степень тесноты корреляционной связи можно измерить с помощью коэффициента

Отсчеты l1 и l2 соответствуют l/4 и 3l/4, поэтому их раз­ность равна половине длины волны. В общем случае

Четвертьволновые частотомеры применяются на часто­тах 600 МГц—10 ГГц. Погрешность измерения лежит в пределах 10 -3 -5*10 -4 .

Резонансный частотомер с нагруженной линией отли­чается от четвертьволнового тем, что разомкнутая коакси­альная линия нагружается емкостью С, образуемой торцами внутреннего и наружного проводников (рис. 7). Резонанс в нагруженной линии наступает при выполнении условия

где D — внутренний диаметр внешнего проводника; d внешний диаметр внутреннего проводника: ρ — волновое сопротивление линии.

При настройке такого частотомера одновременно изме­няются и длина линии l, и емкость С. Перекрытие, по срав­нению с четвертьволновым частотомером, возрастает в 2— 3 раза. Двумя частотомерами с нагруженной линией пере­крывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц. Измеряемую частоту определяют с помощью градуировочных таблиц или графиков. Погрешность измерения 5-10

Резонансный частотомер с объемным резонатором на­страивается передвижением подвижного поршня (плунжера). Возбуждаемые внутри полости резонатора стоячие волны бывают различных типов. Это зависит от способа введения возбуждающего электромагнитного поля. При возбужде­нии цилиндрического резонатора через отверстие в центре торцевой стенки (рис. 8, а) возникают колебания типа H111. Из электродинамики известно, что собственная длина волны, в резонаторе связана с его диаметром а и высотой I следующей зависимостью:

При возбуждении полости резонатора через отверстие в ее боковой стенке возникают колебания типа H011 (рис. 8, б). Поле этих волн характерно отсутствием токов проводимости между торцевой и цилиндрической стенками резонатора, что позволяет применить для настройки бес­контактный плунжер. Проникающая при этом в нерабочее пространство за поршнем энергия поглощается предусмотренным

Рис. 8-8. Схемы частотомеров с объемными резонаторами

для этой цели покрытием, нанесенным на левую (рис. 8, б) поверхность плунжера. Зависимость собствен­ной длины волны типа λ011 от размеров резонатора опре­деляется выражением

Шкала настройки частотомеров с объемными резонато­рами градуируется с помощью измерительного генератора соответствующего диапазона частот. Следовательно, глав­ным источником погрешности градуировки является по­грешность установки частоты по шкале генератора. Чтобы не усугублять погрешность измерения неточностью настрой­ки в резонанс, добротность объемного резонатора доводят до очень высокого значения. Это достигается полировкой и золочением внутренней поверхности резонатора; при этом добротность достигает 10 000—30 000. Все же погреш­ность составляет 10 -3 —10 -4 . К недостаткам частотомеров с объемными резонаторами относится малое перекрытие, что приводит к необходимости иметь большое их число для измерения нужного диапазона частот.

Частотомеры с распределенными параметрами по спо­собу включения в измеряемую цепь разделяют на проходные и поглощающие. Проходной частотомер снабжен двумя элементами связи — входным для связи с электромагнит­ным полем и выходным для связи с индикатором. Момент настройки в резонанс определяют по максимальному пока­занию индикатора (рис. 9, а). Поглощающий частотомер имеет один элемент связи — входной, а

Рис. 8-9. Проходной (а) и поглощающий (б) часто­томеры

индикатор включают в линию передачи (рис. 8-9, б). Пока частотомер не настроен в резонанс, показания индикатора максимальны;

при настройке часть энергии поглощается в резонаторе и показания индикатора уменьшаются.

Метод сравнения

Метод сравнения для измерения частоты получил широ­кое распространение, благодаря его простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или крат­ности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты fx. методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот fобр индикатор равенства или крат­ности fx. и fобр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью Ю- 9 —10

Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин — на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.

Индикатором равенства или кратности частот может быть осциллограф или нелинейный преобразователь частоты;

Рис. 10. К определению кратности частот

в соответствии с этим метод сравнения для измерения час­тоты реализуют двумя способами: осциллографическим и гетеродинным.

Источник