Резонансные и гетеродинные методы измерения частоты

При резонансном методе измерения частоты используется явле­ние резонанса в колебательном контуре. Поэтому принцип действия резонансного частотомера основан на сравнении измеряемой частоты f0 с собственной резонансной частотой fр градуированного колеба­тельного контура или резонатора. Измерительные приборы, рабо­тающие на основе этого метода, называются резонансными часто­томерами; их обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.12.

Рисунок 10.12 Обобщенная структурная схема резонансного частотомера    

Перестраиваемая колебательная система через входное устройст­во возбуждается сигналом измеряемой частоты u(fx). Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент ре­зонанса, т. е. при fx = fp. Этот момент фиксируется индикатором резо­нанса, связанным с колебательной системой, и значение измеряемой частоты fx считывается с градуированной шкалы механизма настройки.

Из самого принципа измерения частоты fx сравнением ее с резо­нансной частотой колебательного контура следует, что резонансная кривая колебательного контура должна иметь достаточно четко вы­раженный максимум. Как известно, резонансная кривая тем острее, чем выше добротность Q контура. В зависимости от типа колебатель­ного контура добротность составляет от нескольких сотен единиц у контуров с сосредоточенными постоянными до 10 000 - 30 000 у кон­туров, выполненных в виде объемных резонаторов.

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. 6.5 приведена структурная схема резонансного часто­томера (это прибор на СВЧ называют волномером) с объемным резо­натором.

Рисунок 10.13. Структурная схема резонансного частотомера.

1 – волновод; 2 – петля связи; 3 – детектор (диод); 4 – объемный резонатор;

5 – плунжер; И – индикатор резонанса

Линейный размер объемного резонатора l в момент настройки в резонанс однозначно связан с длиной волны X возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине резона­тора l = пλ/2, где п = 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 длину волны λ, где l1и l2 — линейные показания отсчетной шкалы в момент 1-го и 2-го резонансов. Измеренную частоту fx вычисляют по формуле fx = с/λ, где с — скорость распространения света в вакууме.

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 fx с частотой эталонного генератора — гетеродина. Этот метод использует принцип построения измеритель­ных схем с нулевыми биениями. Упрощенная структурная схема гете­родинного частотомера представлена на рис. 10.14. 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 fx, подаваемой на входное устройство.

Рисунок 10.14. Упрощенная структурная схема гетеродинного частотомера

Калибровку шкалы гетеродина осуществляют непосредственно перед измерением с помощью дополнительного кварцевого генерато­ра. Сигнал, поступающий с кварцевого генератора, имеет сложную форму и содержит ряд гармонических составляющих с кратными частотами: f кв1, fкв, ..., fквi...,f
кв n, где п — номер гармоники. Эти частоты называют кварцевыми точками. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к изме­ряемой частоте fx
кварцевой точке (примерное значение измеряемой частоты должно быть известно, иначе процесс измерения очень ус­ложняется).

Сигналы с кварцевого генератора fкв i, и гетеродина fг поступают на смеситель, поэтому на его выходе возникают колебания с суммар­ными, разностными и комбинационными частотами. Индикатор фик­сирует наличие сигнала биений на минимальной разностной частоте Fб =|fкв i – fг|, проходящего через усилитель низкой частоты (высоко­частотные составляющие, получающиеся в результате смешения час­тот кварцевого генератора и гетеродина, через усилитель низкой час­тоты не проходят). Меняя емкость конденсатора в контуре гетеродина, получают нулевые биения, следовательно, частота гетеродина стано­вится равной частоте кварцевой гармоники fг ≈ fкв i. Затем приступают к измерению неизвестной частоты fx, переводя ключ К в положение 2. Вращая отсчетный лимб гетеродина, добиваются нулевых биений и по откорректированной шкале гетеродина определяют значение измеряе­мой частоты fx ≈ fг.

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 осуществляют с помощью дискретного гетеродинного преобразователя частоты, структурная схема которого вместе с низкочастотным цифровым частотомером приведена на рис. 10.15.

Рисунок 10.15. Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя

В состав цифрового частотомера гетеродинного преобразователя входит генератор опорной (образцовой) частоты f0, (на схеме для уп­рощения не показан). Эта частота поступает на генератор гармоник (нелинейный элемент), который формирует сетку гармонических составляющих fn, = пf0, где п = 1,2, ... – целые числа. С помощью пе­рестраиваемого фильтра (объемного резонатора с отсчетной шкалой) Добиваются выделения из них гармоники fn, ближайшей к измеряемой частоте fx. При этом на выходе смесителя появляется сигнал с разно­стной частотой
∆f = |fx - nf0|. Усилитель промежуточной частоты УПЧ имеет полосу пропускания, соизмеримую с разностной частотой ∆f.

Результат измерения неизвестной частоты fx колебаний автомати­чески вычисляется по формуле fx
= |nf0 ± ∆f|, 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 (n ± 1)f0, соседнюю с гармоникой nf0. Если результаты вычисления частоты fх совпали при двух измере­ниях, то они считаются верными.

10.4. Цифровые частотомеры и измерители временных интервалов.

Для измерения частоты fх периодического сигнала достаточно сосчитать число N его периодов за известный интервал времени Dt0. Результат измерения определяется отношением . С другой стороны, при измерении неизвестного интервала времени Dtх достаточно подсчитать число периодов T0
сигнала известной частоты f0 за измеряемый интервал Dtх. Результат измерения представляется выражением . Период сигнала известной частоты Т
определяет в данном случае, по сути дела цену деления "электронной линейки", с помощью которой измеряют неизвестный временной интервал. Аппаратурное выполнение электронно-счётного частотомера и измерителя временных интервалов весьма схожее, поэтому часто измерение временного интервала и частоты осуществляется одним прибором.

Упрощенная структурная схема цифрового (электронно-счётного) частотомера изображена на рис. 10.16.

Исследуемый сигнал поступает на входное устройство, где осуществляется необходимое усиление (или ослабление) и фильтрация сигнала. Формирующее устройство преобразует исследуемый сигнал в последовательность импульсов uфу , частота которых равна частоте исследуемого сигнала. Селектор представляет собой управляемый электронный ключ, который пропускает на электронный счётчик сформированные импульсы неизвестной частоты только при наличии на управляющем входе стробирующего импульса uуу, длительность которого определяет время измерения Dt0. Стробирующий импульс вырабатывает устройство управления с помощью делителей частоты из сигнала высокостабильного опорного генератора, и его длительность выбирается кратной 10k с, где k – целое число. Число импульсов N, отсчитываемое электронным счётчиком на выходе селектора и фиксируемое цифровым отсчётным устройством (ЦОУ), пропорционально частоте входного сигнала. Так как Dt0
=10k с, частота fx = N = 10-k Гц. Значение множителя 10-k учитывается положением десятичной запятой на ЦОУ с указанием размерности получаемого результата (Гц, кГц).

Составляющие погрешности измерения могут быть определены с помощью диаграмм, показанных на рис. 10.17. Как видно из рисунка количество импульсов стробированных с помощью временного селектора зависит от величины калиброванного интервала времени Dt0. Эта погрешность определяется неточностью начальной установки и нестабильностью частоты опорного кварцевого генератора. Обычно в цифровых частотомерах применяются термостатированные кварцевые генераторы с f = 0,1…1 МГц, максимальная относительная погрешность частоты которых составляет 10-7…10-9. Это достаточно малая величина, которой во многих практических случаях можно пренебречь по сравнению с другой составляющей – погрешностью дискретности. Действительно, зафиксировать изменение частоты с помощью счётчика возможно только в случае, когда это приведёт к появлению (или пропаданию) хотя бы одного импульса. Если учесть, что стробирующий импульс и исследуемый сигнал между собой не связаны, возможная погрешность подсчёта составляет +1 импульс. Таким образом абсолютная погрешность составляет +1 (единицы счёта). Для определения относительной погрешности эту величину следует разделить на N – общее количество подсчитанных импульсов. В результате для максимальной относительной величины погрешности дискретности при измерении частоты, получаем выражение:

                                                              (10.9)

Как видно из приведенных формул, погрешность дискретности уменьшается с увеличением измеряемой частоты fх и времени измерения Dt0. Подбором этих величин погрешность дискретности может быть снижена до приемлемой величины.

Рисунок 10.17.

Расширение частотного диапазона в сторону высоких частот ограниченно быстродействием элементной базы, в частности элементов схемы временного селектора и счётчика. При измерении высоких частот относительное значение погрешности дискретности снижается и становится соизмеримым с погрешностью опорного кварцевого генератора. Поэтому в этом случае необходимо применять генераторы чрезвычайно большой стабильности. Для работы на частотах 1 ГГц и выше используют гетеродинное преобразование частоты и измеряют цифровым методом разность частот исследуемого сигнала и сигнала перестраиваемого высокочастотного гетеродина.

С уменьшением измеряемой частоты относительное значение погрешности дискретности увеличивается. В некоторых пределах это увеличение можно скомпенсировать увеличением времени измерения. Однако наиболее радикальным является переход на измерение периода исследуемого сигнала.

Измерение периода сигнала является частным случаем измерения временных интервалов. Ранее отмечалось, что с аппаратурной точки зрения измерители временных интервалов и цифровые частотомеры весьма схожи. На рис. 10.18 представлена структурная схема измерителя временных интервалов построенного на принципе дискретного счёта.

Как видно из рисунка основные элементы измерителя временных интервалов и электронно-счётного частотомера одни и те же, однако включены в другом порядке. Это позволяет перевести цифровой частотомер путём несложных переключений в режим измерения временного интервала (периода). Задача формирующего устройства и устройства управления – сформировать из исследуемого сигнала импульс uуу
с крутыми фронтами, длительность которого определяет время открытого состояния временного селектора. За это время через селектор на электронный счётчик проходят импульсы uвс, период которых задаётся высокостабильным опорным генератором. Относительная нестабильность частоты этого генератора определяет одну из составляющих погрешности измерения временного интервала. Поэтому в качестве опорного генератора и в этом случае следует применять высокостабильные кварцевые генераторы.

Рисунок 10.19

Последовательность формирования сигналов в измерителе интервалов времени показана на рис.10.19. Из исходного синусоидального сигнала, период которого измеряется, формируется с помощью усилителя-ограничителя управляющий импульс uуу. Длительность этого импульса равна периоду исходного сигнала. Импульсы, поступающие от опорного генератора u поступают на временной селектор, который выделяет из них "пакет" с числом Nх. Количество импульсов в пакете связано с измеряемым периодом Тх и периодом опорного сигнала Т0 следующим соотношением: Nх= Тх/Т0. Откуда измеряемая величина может быть определена как .

Минимально возможное значение периода меток времени Т определяет абсолютную погрешность дискретности. Как и в случае измерения частоты погрешность дискретности определяется погрешностью счёта в ± один импульс. Т.е. абсолютная погрешность равна +Т , а относительная .

Рассмотренные цифровые методы являются не единственными. Существуют приборы с более сложными вариантами обработки сигналов, которые обеспечивают большие функциональные возможности и более высокую точность.