Погрешности измерений. Измерение токов и напряжений. Приборы анализа электрических сигналов. Измерение напряженности поля и помех, страница 13

На рисунке 4.3, изображен, по существу, супергетеродинный приемник с нулевой промежуточной частотой. Действительно, на входы нелинейного преобразователя (СМ) поступает неизвестная частота f_х и частота опорного гетеродина f₀. При этом на выходе смесителя образуются суммарно-разностные значения f_х±f₀ и если поставить далее усилитель низких частот, то выделяется только f_х – f₀. Остается подстроить так f₀, чтобы на выходе смесителя было бы f_х – f₀ = 0. При этом необходимо только фиксировать «нуль» биений каким-либо индикатором, в качестве которого может служить и ухо человека. Погрешность измерения частоты будет зависеть от погрешности опорного генератора и индикатора нуля - , . Человеческое ухо имеет абсолютную погрешность 10 Гц, что существенно ниже погрешности частоты гетеродина с плавной перестройкой, которая опрделяется добротностью колебательного контура с переменным конденсатором, обеспесивающим созданное f₀. Относительная погрешность такого автогенератора по частоте с учетом всех способов улучшения качества индуктивности, конденсатора переменной емкости, стабилизации источников питания оказывается порядка 10^-3, что недостаточно для рабочих измерений частоты. Сам по себе этот метод является косвенным, так как фактически мы измеряем угол поворота кондесатора гетеродина, по величине которого пересчитываем значение f₀ (или имеем готовую таблицу). Для уменьшения погрешности косвенного измерения прибегают к совместым, путем калибровки f₀ в ряде точек образцовыми значениями частоты кварцевого гетеродина (f_кв). Кварцевый автогенератор имеет фиксированную частоту f_кв, а ее погрешность благодаря свойствам кварцевой пластины сохранять свои геометрические размеры при колебаниях окружающей температуры, составляет величину порядка 10^-6. Таким образом, если привести график изменения δ₀ (погрешности гетеродина) от частоты, одновременно указав точки калибровки с опорной кварцевой частотой, то получим погрешность результата совместных измерений (пунктирная линия на рисунке 4.4).

            На графике рисунка 4.4 прямые измерения (сравнение с f_кв), образующим целую сетку гармоник благодаря нелинейным свойствам смесителя. Добавление в схему прибора всего лишь одного кварцевого генератора небольших габаритов (впомните электронные наручные часы с кварцем!) приводит к повышению метрологической характеристики гетеродинного волномера до (два порядка). Это типичный пример, как можно улучшить характеристики косвенного

измерения за счет прямых в отдельных точках (калибрационная сетка).

Подобные приборы по типу совместных измерений очень часто используются в технике связи, при этом результирующая погрешность такого прибора носит                             

характерный синусоидальный вид: ее наихудшие значения определяются косвенными измерениями, а наилучшие – прямыми.

Компенсационные измерители частоты (гетеродинные волномеры) очень часто используются для непрерывного контроля, обеспечивают создание сигнала ошибки.

в) Непрерывные, все возростающие требования к увеличению точности измерения частоты, автоматизации процесса измерений, исключения ошибки оператора и т.д. приводят к необходимости создания цифровых частотомеров.

Частота – количество колебаний за 1 секунду, то есть . Исходя из этого нужен счетчик числа колебаний и хронизатор (блок создания интервалов времени счета). Вся сложность заключается в том, что погрешность такого сложного прибора не должна превышать 10^-6! Значит, и N и t_сч должны быть выполнены с относительной погрешностью 10^-7. При этом частотомер должен работать в широком диапазоне и его показания не должны зависеть от амплитуды входного сигнала. Потому в радиотехнике из любых периодических сигналов (например, синусоид) формируют очень короткие (10^-7 периода) импульсы в момент прехода через «0», которые и считают за единицу времени. Если t_сч=1 мкс, то N даст отет в МГц, при t_сч=1 мс ответ получается в кГц и соответсвенно t_сч=1 с соответствует частоте в Гц. Обратим внимание, что желательно иметь время счета, кратное 10^к, где к – целое число, при этом будет обеспечиваться на индикаторе «плавающая» запятая, что упростит процесс измерений.