←предыдущая следующая→
1 2
Министерство Образования РФ
Чебоксарский Филиал (институт) Московского Государственного Открытого Университета
РЕФЕРАТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ "МЕТРОЛОГИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ"
НА ТЕМУ: "МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ"
ЧЕБОКСАРЫ 2000
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:
f=n/t (1)
где t—время 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 дикту¬ется 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 свобод¬ном пространстве следующими соотношениями: fT = 1 и f = с, где с—скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.
Спектр частот электромагнитных колебаний, исполь¬зуемых 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). Высокочас¬тотный 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 получе¬ния электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на рас¬стояние. Однако четкой границы между отдельными участ¬ками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.
МЕТОД ПЕРЕЗАРЯДД КОНДЕНСАТОРА
Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источ¬нику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем нако¬пится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно при¬соединять к источнику напряжения для заряда и к измери¬телю 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 пере¬ключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты:
f=I/(CU) (2)
Рис. 1. Структурная схема конденсаторного
частотомера
Структурная схема конденсаторного частотомера, в кото¬ром 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 управ¬ляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема счетного устройства конден¬саторного частотомера
Транзистор Т работает в режиме ключа: когда он за¬крыт, один ii3 конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разря¬жается 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 конден¬сатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устра¬нения 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;
при более низких частотах подвижная часть магнитоэлектри¬ческого индикатора будет совершать механические колеба¬ния в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емко¬стью конденсатора С, но и монтажными емкостями элемен¬тов 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
Рис. 3. Структурная схема измерения частоты резонансным методом
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 эле¬мента связи ЭСв соеди¬няется с прецизионным из¬мерительным контуром ИК, который настраивается в резонанс с частотой fx Момент резонанса фиксируется по максимальному по¬казанию индикатора, при¬соединенного к контуру через второй элемент связи. Из¬меряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объеди¬нены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волноме¬ром.
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. Неста¬бильность частоты измерительного контура возникает вслед¬ствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды; ее можно вычислить по следующей формуле:
где f — отклонение частоты от резонансной под влиянием изменения температуры на T, К; — линейный темпе¬ратурный коэффициент расширения материала контура; k — конструктивный коэффициент. Нестабильность настройки кон¬тура возникает также при изме¬нении вносимых реактивных со¬противлений со стороны источника fx и индикатора. Активные вноси¬мые сопротивления уменьшают доб¬ротность 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 измеритель¬ного контура и разрешающей способностью индикатора. Из уравнения резонансной кривой (рис. 5) можно по¬лучить формулу для расчета относительной погрешности от неточности фиксации резонанса:
(3)
где U0 — показание индикатора при резонансе; Up — показание при расстройке измерительного контура на f.
Измерительный контур резонансного частотомера в зави¬симости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью вытеснены циф¬ровыми 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 парамет¬рами. 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.
Частотомеры с распределенными параметрами связы¬вают с источниками измеряемой частоты через штыревую или рупорную антенну или через элементы связи в виде
Рис. 6. Четвертьволновый резонансный частотомер
Рис. 7. Резонансный часто¬томер
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 магнитоэлектри¬ческого 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 видео¬импульсы, получившиеся после детектирования диодом, поступают на транзисторный усилитель и амплитудный вольтметр. Параллельно последнему можно включить осцил¬лограф.
Коаксиальные
←предыдущая следующая→
1 2
|
|