Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Резонансный и гетеродинный методы измерения частоты






Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты ƒ х с собственной резонансной частотой ƒ р градуированного колебательного контура или резонатора. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частотомерами; их обобщенная структурная схема приведена на рисунке.

 
 

 

 


Перестраиваемая колебательная система через входное устройство возбуждается сигналом источника измеряемой частоты и( ƒ х). Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса, т.е. при ƒ х = ƒ р. Данный момент фиксируется индикатором резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты ƒ х; считывается с градуированной шкалы механизма настройки. В качестве колебательной системы на частотах до сотен мегагерц используют колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц — контуры с распределенными параметрами (отрезки коаксиальной линии); на частотах свыше 1 ГГц — объемные резонаторы.

На рис. 6.3 приведена упрощенная структурная схема резонансного частотомера (на СВЧ его называют волномером) с объемным резонатором.

 
 

 

 


Линейный размер резонатора l в момент настройки в резонанс однозначно связан с длиной волны λ возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине резонатора l = п λ /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 Δ l = l1 - l 2 = λ /2, можно определить длину волны λ, где l1 и l 2 — показания отсчетной шкалы в момент 1- и 2-го резонансов. Измеренную частоту ƒ х вычисляют по формуле ƒ х = с/ λ, где с — скорость распространения света в вакууме. Чтобы увеличить точность измерений частоты, необходимо повышать добротность Q резонаторов. Для этого их внутренние поверхности полируют и серебрят, доводя величину Q до значения (5-10)103.

Резонансные частотомеры имеют сравнительно простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10-3 - 10-4 Основными источниками погрешностей измерения частоты являются погрешность настройки в резонанс резонатора, погрешность отсчетной шкалы и погрешность считывания данных.

Гетеродинный метод является одной из разновидностей методов сравнения измеряемой частоты ƒ х с частотой эталонного генератора — гетеродина. Этот метод использует принцип построения измерительных схем с нулевыми биениями. Упрощенная структурная схема гетеродинного частотомера представлена на рис. 6.4.

 
 

 

 


Она содержит: входное устройство, кварцевый генератор, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и индикатор (нулевых биений). Действие гетеродинного частотомера сводится к простому принципу: при переводе ключа К в; положение 1 производят калибровку шкалы гетеродина; при положении 2 — измерение частоты ƒ х, подаваемой на входное устройство.

Калибровку шкалы гетеродина осуществляют непосредственно перед измерением с помощью дополнительного, кварцевого генератора. Сигнал, поступающий с, генератора, имеет сложную форму и содержит ряд гармонических составляющих с кратными частотами:

ƒ кв 1, ƒ кв 2,..., ƒ кв i,..., ƒ кв n где п — номер гармоники. Эти частоты называют кварцевыми точками. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте ƒ x; кварцевой точке (примерное значение измеряемой частоты должно быть известно, иначе процесс измерения очень усложняется). Сигналы с кварцевого генератора ƒ кв i; и гетеродина ƒ г поступают на смеситель, поэтому на его выходе возникают колебания с суммарными, разностными и комбинационными частотами. Индикатор фиксирует наличие сигнала биений на минимальной разностной частоте F6 = |ƒ кв i - ƒ г|, 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 ƒ г ≈ ƒ кв i.

Затем приступают к измерению неизвестной частоты ƒ x, переводя ключ К в положение 2. Вращая отсчетный лимб гетеродина, добиваются нулевых биений и по откорректированной шкале гетеродина определяют значение ƒ х ≈ ƒ г.

Гетеродинные частотомеры являются достаточно точными измерительными приборами. Их относительная погрешность измерения лежит в пределах 10-3...10-5. Однако в диапазоне средних частот (до 300 МГц и ниже) их вытесняют электронно-счетные частотомеры, которые обеспечивают ту же высокую точность, но значительно проще в эксплуатации.

В диапазоне СВЧ-колебаний гетеродинный метод измерения частоты применяется совместно с 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 вместе с цифровым частотомером приведена на рис. 6.5.

 
 

 

 


В состав цифрового частотомера входит генератор опорной (образцовой) частоты ƒ о,. Эта частота поступает на нелинейный элемент (генератор гармоник), который формирует сетку гармонических составляющих ƒ n = п ƒ 0, где п = 1, 2,...— целые числа. С помощью перестраиваемого фильтра (объемный резонатор с отсчетной шкалой) добиваются выделения из них гармоники ƒ n, ближайшей к измеряемой частоте ƒ х. При этом на выходе смесителя появляется сигнал с разностной частотой Δ ƒ = |ƒ х - nf0 |. Усилитель промежуточной частоты УПЧ имеет полосу пропускания, соизмеримую с разностной частотой Δ ƒ.

Результат измерения неизвестной частоты fx колебаний вычисляют по формуле fx= nfo± Δ ƒ, в которой номер гармоники п считывается со шкалы перестраиваемого фильтра. Поскольку последнее выражение неоднозначно, то для получения наиболее точного результата проводят второе измерение, выбирая с помощью перестраиваемого фильтра гармонику (п ± 1) ƒ 0, соседнюю с гармоникой nf0. Если результаты вычисления частоты ƒ х совпали при двух измерениях, то они считаются верными.

Электрическая схема электродинамического частотомера на основе логометрического механизма и векторная диаграмма токов приведены на рис. 13.10.


 

 
 


Рамки подвижной части частотомера скреплены между собой под углом 90°. Параметры контура L3, С3 и R3 подобраны таким образом, что частота резонанса напряжений близка к средней частоте диапазона измерения ƒ ср = (ƒ нк)/2, гдеƒ н и ƒ к — соответственно начальное и конечное значения шкалы прибора.

Вращающие моменты, действующие на подвижную часть, равны:

 
 

 


где β 1 = 135°, β 2 = 45° — соответственно углы между плоскостями первой и второй рамок и плоскостью неподвижной катушки при α = 0.

Момент М1, зависит от угла поворота подвижной части α и фазового сдвига между токами I1 и I2, который, в свою очередь, зависит от измеряемой частоты fx. Момент М2 зависит только от угла α и не зависит от частоты fx. Моменты M1 и М2 действуют навстречу друг другу, и подвижная часть поворачивается до тех пор, пока не наступает равенство М1 = М2. Токи I1 и I2 с изменением измеряемой частоты изменяются незначительно, и поэтому из равенства моментов следует:

tg(45o – α) = c sin(±φ) .

Так как φ = Ψ (fx), то α = F(fx). Из последнего равенства следует, что при fx=fcp (φ = 0) α = 45°. При fx=fн стрелка займет крайнее левое положение, а при fx=fк — крайнее правое.

 







© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.