Измерение частоты электромагнитных колебаний. Измерительные генераторы. Электронно-счетный частотомер

Глава 6

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Частота колебаний является важнейшей характеристикой переменного тока, а измерение частоты — одной из основных задач, решаемых в радиотехнике и электронике. Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

f= N/Т_сч

где Т_сч — интервал времени, за которое совершается N колебаний.

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

Спектр частот электромагнитных колебаний, которые используются и которые необходимо измерять, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Весь спектр электромагнитных колебаний условно разделяется на два диапазона — низких и высоких частот. Низкие частоты занимают область частот от инфразвуковых (ниже 20 Гц) до ультразвуковых (20...200 кГц); высокие частоты — от высоких (20 кГц...30 МГц) до сверхвысоких (выше 300 МГц).

Так как измерение частоты, по самому определению частоты занимает определенный промежуток времени, то результатом измерения является усредненное на интервале времени Т_сч значение частоты и, следовательно, можно ожидать, что погрешность измерения частоты будет зависеть от времени усреднения.

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты применяют различные способы и приемы измерения, основанные как на использовании методов непосредственной оценки, так и методов сравнения.

На основе метода сравнения реализуются осциллографические способы измерения частоты и гетеродинные частотомеры. К приборам, работающим по методу непосредственной оценки, относятся резонансные и электронно-счетные (цифровые) частотомеры. В настоящее время гетеродинные частотомеры полностью вытеснены электронно-счетными частотомерами, обладающими лучшими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Резонансные частотомеры также вытесняются из эксплуатации, однако небольшая номенклатура таких приборов еще встречается в обращении. С учетом сказанного рассмотрим только принципы построения цифровых и резонансных частотомеров и осциллографический вариант измерения частоты методом сравнения.

6.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Для измерения частоты методом сравнения необходимо иметь м частоты и сравнивающее устройство, с помощью которого можно зафиксировать равенство измеряемой частоты и частоты воспроизводимой мерой или кратность этих частот.

В качестве образцовой меры частоты при технических измерениях обычно применяются измерительные генераторы.

Измерительный генератор представляет собой источник электрических сигналов определенной формы, параметры которых (частота, напряжение, мощность) могут регулироваться и поддерживаться с требуемой точностью. Измерительные генераторы применяются также для' питания измерительных цепей, при настройке и испытаниях измерительной, радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры, устройств автоматики и др. Номенклатура измерительных генераторов, выпускаемых промышленностью, охватывает диапазон от инфранизких до сверхвысоких частот, с пределами регулирования напряжения выходного сигнала от долей микровольта до десятков вольт.

В зависимости от диапазона воспроизводимых частот и формы колебаний измерительные генераторы, подразделяются на генераторы сигналов низкочастотные, генераторы сигналов высокочастотные, генераторы импульсов, генераторы сигналов сложной формы, синтезаторы частоты, генераторы испытательных импульсов.

Основными нормируемыми метрологическими характеристиками' измерительных генераторов являются пределы и диапазоны частот и уровней воспроизводимых сигналов, погрешность установки частоты, нестабильность частоты, погрешность установки выходного напряжения, пределы искажения формы сигнала.

При измерениях частоты методом сравнения применяются генераторы синусоидальных сигналов низких и высоких частот.

Генераторы сигналов низких частот являются источниками электрических колебаний синусоидальной формы в диапазоне частот от 20 Гц до 300 кГц. Имеется тенденция к расширению этого диапазона вниз до единиц герц и вверх до единиц мегагерц.

Структурная схема генератора сигналов низких частот представлена на рис. 6.1. Задающий генератор ЗГ вырабатывает напряжение синусоидальной] формы требуемой частоты. Это напряжение поступает на усилитель УНЧ, где осуществляется его усиление, а также плавная регулировка опорного уровня выходного напряжения, которое контролируется отсчетным устройством ОУ. Аттенюатор Ат позволяет ослаблять опорное выходное напряжение в заданное число раз. Для передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку должно быть выполнено условие согласования их сопротивлений, для чего в некоторых генераторах имеется согласующий трансформатор СТ, имеющий переменный коэффициент трансформации.

Рис. 6.1. Структурная схема генератора сигналов низких частот

Основным узлом генератора, определяющим его тип, является задающий