Наша сеть партнеров Banwar
Міністерство Освіти РФ
Чебоксарский Філія (інститут) Московського Державного Відкритого Університету
РЕФЕРАТ
З ДИСЦИПЛІНИ "МЕТРОЛОГІЯ І СТАНДАРТИЗАЦІЯ"
НА ТЕМУ: "МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ"
Чебоксари 2000
МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
Частотою коливань називають число повних коливань в одиницю часу:
f = n / t (1)
де t-час існування п коливань.
Для гармонійних коливань частота f = 1 / T, де Т - період коливань.
Одиниця частоти герц визначається як одне коливання в одну секунду. Частота і час нерозривно пов'язані між собою, тому вимір тієї чи іншої величини диктується зручністю експерименту і необхідної похибкою вимірювання. У Міжнародній системі одиниць СІ час є однією з семи основних фізичних величин. Частота електромагнітних коливань пов'язана з періодом коливання Т і довжиною однорідної плоскої хвилі у вільному просторі наступними співвідношеннями: fT = 1 і f = с, де з-швидкість світла, рівна 299 792,5 ± 0,3 км / с.
Спектр частот електромагнітних коливань, які використовуються в радіотехніці, простягається від часткою Герца до тисяч гігагерц. Цей спектр спочатку поділяють на два діапазону - низьких і високих частот. До низьких частотах відносять і нфра звукові (нижче 20 Гц), звукові (20 20 000 Гц) і ультразвукові (20-200 кГц). Високочастотний діапазон, в свою чергу, поділяють на високі частоти (20 кГц - 30 МГц), ультрависокне (30 - 300 МГц) і надвисокі (вище 300 МГц). Верхня межа надвисоких частот безперервно підвищується і в даний час досягла 80 ГГц (без урахування оптичного діапазону). Такий поділ пояснюється різними способами отримання електричних коливань і відмінністю їх фізичних властивостей, а також особливостями поширення на відстань. Однак чіткої межі між окремими ділянками спектра провести неможливо, тому такий розподіл у великій мірі умовно.
МЕТОД ПЕРЕЗАРЯДД КОНДЕНСАТОРА
Приєднаємо конденсатор, ємність якого С, до джерела напруги U. Конденсатор зарядиться, і в ньому накопичиться кількість електрики q = CU. Якщо конденсатор переключити на магнітоелектричний вимірювач струму, то через нього пройде кількість електрики q, викликавши відхилення покажчика. Якщо конденсатор по черзі приєднувати до джерела напруги для заряду і до вимірювача струму для розряду з частотою перемикання f разів в секунду, то кількість електрики, що проходить через амперметр при розряді, буде в f разів більше: fq = fCU = I, де I-середнє значення струму розряду. Звідси випливає, що струм в такій схемі прямо пропорційний частоті перемикання і при постійному творі CU шкалу амперметра можна градуювати в одиницях частоти:
f = I / (CU) (2)
Мал. 1. Структурна схема конденсаторного
частотоміра
Структурна схема конденсаторного частотоміра, в якому використаний цей метод (рис. 11), складається з підсилювача-обмежувача УО і Зарядно-розрядного пристрою ЗРУ з магнітоелектричним індикатором. Крім того, є генератор Гк для калібрування частотомера на одній фіксованій частоті. На вхід частотоміра надходить напруга вимірюваної частоти. В підсилювачі-обмежувачі воно приймає форму меандру. Меандр управляє зарядно-розрядних пристроєм, схема якого наведена на рис. 2. 
Мал. 2. Схема лічильного пристрою конденсаторного частотоміра
Транзистор Т працює в режимі ключа: коли він закритий, один ii3 конденсаторів З заряджається через резистор R, а коли транзистор відкритий, той же конденсатор розряджається через транзистор. Зарядний струм протікає через електромагнітний міліамперметр, градуйований в одиницях частоти. Конденсатори З переключаються: мінімальна і максимальна ємність визначає діапазон вимірюваних частот, а число конденсаторів - число під-діапазонів.
Значення напруги, до якого заряджається конденсатор даного піддіапазону, в залежності від вимірюваної частоти і значення ємності конденсатора змінюється, і позначки на шкалі частотоміра порушується. Для усунення цього явища в зарядно-розрядному пристрої передбачена стабілізація напруги заряду, яка здійснюється стабілітроном Дз; напруга пітаніятакже стабілізується за допомогою стабілітронів Д1 і Д2 Нижня межа вимірюваних частот становить 10 Гц;
при більш низьких частотах рухлива частина магнітоелектричного індикатора буде здійснювати механічні коливання в такт з вимірюваної частотою. Верхня межа залежить від постійної часу ланцюга заряду, яка визначається не тільки опором резистора R і мінімальної ємністю конденсатора С, але і монтажними ємностями елементів зарядно-розрядного пристрою, і не перевищує 1 МГц. Похибка вимірювання залежить від класу точності миллиамперметра, залишкової нестабільності напруги заряду конденсатора і становить 1-2%.
РЕЗОНАНСНИЙ МЕТОД
Р
fx
ЕСС
ІК
ЕСС
езонансний метод вимірювання частоти полягає в порівнянні вимірюваної частоти з власною резонансною частотою градуйованого вимірювального коливального
Р 
ис. 3. Структурна схема вимірювання частоти резонансним методом
Мал. 4. Схема резонансногочастотоміри
контуру. Цей метод застосовується в діапазоні високих і надвисоких частот. Структурна схема його реалізації приведена на рис. 3. Джерело напруги вимірюваної частоти fx за допомогою елемента зв'язку ЕСС з'єднується з прецизійним вимірювальним контуром ІК, який налаштовується в резонанс з частотою fx Момент резонансу фіксується по максимальному показанню індикатора, приєднаного до контуру через другий елемент зв'язку. Вимірюється частота визначається по градуйованою шкалою мікрометричного механізму настройки з великим числом відлікових точок. Контур і індикатор конструктивно об'єднані в пристрій, який називається резонансним частотоміром. Якщо шкала механізму настройки градуирована в довжинах хвиль, то такий пристрій називають резонансним хвилеміром.
Схема резонансногочастотоміри (рис. 4) дозволяє виявити джерела похибки вимірювання. Похибка градуювання визначається якістю механізму настройки;
її можна зменшити шляхом попередньої градуювання шкали частотоміра за допомогою зразковою заходи. Нестабільність частоти вимірювального контуру виникає внаслідок зміни його геометричних розмірів під впливом зміни температури навколишнього середовища; її можна обчислити за такою формулою:
де f - відхилення частоти від резонансної під впливом зміни температури на T, К; - лінійний температурний коефіцієнт розширення матеріалу контуру; k - конструктивний коефіцієнт. Нестабільність настройки контуру виникає також при зміні внесених реактивних опорів з боку джерела fx і індикатора. Активні вносяться опору зменшують добротність контуру.
Рис.5 резонансна крива коливального контуру
Зменшення впливу внесених опорів досягається ослабленням зв'язку з джерелом fx і індикатором.
Неточність фіксації резонансу визначається значенням добротності контуру Q навантаженого вимірювального контуру і роздільною здатністю індикатора. З рівняння резонансної кривої (рис. 5) можна отримати формулу для розрахунку відносної похибки від неточності фіксації резонансу:
(3)
де U0 - показання індикатора при резонансі; Up - показання при розладі вимірювального контуру на 
f.
Вимірювальний контур резонансногочастотоміри в залежності від діапазону частот, для якого він призначений, виконується з зосередженими або розподіленими параметрами. Резонансні частотоміри з зосередженими параметрами в даний час повністю витіснені цифровими частотомірами, а з розподіленими параметрами широко застосовуються в діапазоні СВЧ.
Резонансні частотоміри характеризуються діапазоном виміру частот, похибкою і чутливістю, тобто мінімальною потужністю, що поглинається від джерела вимірюваної частоти, необхідної для впевненого відліку показань індикатора при резонансі.
Резонансні частотоміри з розподіленими параметрами. Коливальний контур частотоміра виконують або у вигляді відрізка коаксіальної лінії, або у вигляді об'ємного резонатора. Налаштування коаксіальної лінії виробляється зміною її довжини, об'ємного резонатора - зміною його обсягу.
Частотоміри з розподіленими параметрами пов'язують із джерелами вимірюваної частоти через штиркової або рупорні антену або через елементи зв'язку у вигляді
Мал. 6. четвертьволновий резонансний частотомір
Мал. 7. Резонансний частотомір
з навантаженої лінією
петель; зондів, щілин і круглих отворів. На вході частотоміра часто включають атенюатори зі змінним ослабленням для регулювання вхідної потужності. Іноді застосовують спрямовані відгалужувачі.
Індикатор частотоміра складається з напівпровідникового (германієвого або кремнієвого) діода і магнітоелектричного мікроамперметра великий чутливості. Зв'язок діода з вимірювальним контуром здійснюється через петлю зв'язку, располагаемую всередині коаксіальної лінії або об'ємного резонатора. Якщо частотомер призначений для використання при імпульсної модуляції, то відеоімпульси, утворені після детектування діодом, надходять на транзисторний підсилювач і амплітудний вольтметр. Паралельно останньому можна включити осцилограф.
Коаксіальні частотоміри виконують в основному двох типів: чвертьхвильові і з навантаженої лінією.
Четвертьволновий резонансний частотомір являє собою розімкнутий відрізок коаксіальної лінії (рис. 6). Налаштування його здійснюється за допомогою мікрометричного механізму зі шкалою, градуйованою в одиницях довжини I. Резонанс, в лінії настає при I, рівної непарному числу чвертей довжини хвилі.
де n = 0, 1, 2 ...
Відлік l1 і l2 відповідають / 4 і 3 / 4, тому їх різниця дорівнює половині довжини хвилі. У загальному випадку
Чвертьхвильові частотоміри застосовуються на частотах 600 МГц-10 ГГц. Похибка вимірювання лежить в межах 10-3-5 * 10-4.
Резонансний частотомір з навантаженою лінією відрізняється від четвертьволнового тим, що разомкнутая коаксіальна лінія навантажується ємністю С, утвореною торцями внутрішнього і зовнішнього провідників (рис. 7). Резонанс в навантаженої лінії настає при виконанні умови
де D - внутрішній діаметр зовнішнього провідника; d- зовнішній діаметр внутрішнього провідника: ρ - хвильовий опір лінії.
Під час налаштування такого частотоміра одночасно змінюються і довжина лінії l, і ємність С. Перекриття, в порівнянні з чвертьхвильові частотоміром, зростає в 2 3 рази. Двома частотомірами з навантаженої лінією перекривається діапазон частот від 150 до 1500 МГц. Вимірювану частоту визначають за допомогою градуювальних таблиць або графіків. Похибка вимірювання 5-10 ~ 3.
Резонансний частотомір з об'ємним резонатором налаштовується пересуванням рухомого поршня (плунжера). Порушувані всередині порожнини резонатора стоячі хвилі бувають різних типів. Це залежить від способу введення збудливого електромагнітного поля. При порушенні циліндричного резонатора через отвір в центрі торцевій стінки (рис. 8, а) виникають коливання типу H111. З електродинаміки відомо, що власна довжина хвилі, в резонаторі пов'язана з його діаметром чи заввишки I наступній залежністю:
(L / l) 2 + l, 37 (l / d) 2 = (2 / λ111) 2
Якщо покласти l = d, то λ111 = 1,3 d.
При порушенні порожнини резонатора через отвір в її боковій стінці виникають коливання типу H011 (рис. 8, б). Поле цих хвиль характерно відсутністю струмів провідності між торцевій і циліндричною стінками резонатора, що дозволяє застосувати для настройки безконтактний плунжер. Проникаюча при цьому в неробочий простір за поршнем енергія поглинається передбаченим
Мал. 8-8. Схеми частотомеров з об'ємними резонаторами
для цієї мети покриттям, нанесеним на ліву (рис. 8, б) поверхню плунжера. Залежність власної довжини хвилі типу λ011 від розмірів резонатора визначається виразом
(L / l) 2 + 5,94 (l / d) 2 = (2 / λ011) 2
Якщо для цього резонатора також покласти l = d, то λ011 0,76d.
Шкала настройки частотомеров з об'ємними резонаторами градуюється за допомогою вимірювального генератора відповідного діапазону частот. Отже, головним джерелом похибки градуювання є похибка установки частоти по шкалі генератора. Щоб не посилювати похибка вимірювання неточністю настройки в резонанс, добротність об'ємного резонатора доводять до дуже високого значення. Це досягається поліруванням і золоченням внутрішньої поверхні резонатора; при цьому добротність досягає 10 000-30 000. Все ж похибка становить 10-3-10-4. До недоліків частотомеров з об'ємними резонаторами належить мале перекриття, що призводить до необхідності мати велике їх число для вимірювання потрібного діапазону частот.
Частотоміри з розподіленими параметрами за способом включення в вимірювану ланцюг поділяють на прохідні і які поглинають. Прохідний частотомер забезпечений двома елементами зв'язку - вхідним для зв'язку з електромагнітним полем і вихідним для зв'язку з індикатором. Момент настройки в резонанс визначають по максимальному показанню індикатора (рис. 9, а). Що поглинає частотомер має один елемент зв'язку - вхідний, а 
Мал. 8-9. Прохідний (а) і поглинає (б) частотоміри
індикатор включають в лінію передачі (рис. 8-9, б). Поки частотомер не налаштований в резонанс, показання індикатора максимальні;
при налаштуванні частина енергії поглинається в резонаторі і показання індикатора зменшуються.
МЕТОД ПОРІВНЯННЯ
Метод порівняння для вимірювання частоти набув широкого поширення, завдяки його простоті, придатності для використання практично в будь-якому діапазоні частот і порівняно високої точності результату вимірювання. Вимірюється частота визначається з рівності або кратності зразковою частоті. Отже, для вимірювання частоти fx. методом порівняння необхідно мати джерело зразкових частот fобр індикатор рівності чи кратності fx. і fобр. Як джерело зразкових частот застосовують зразкові заходи частоти, так звані стандарти частоти, з нестабільністю Ю-9-10 ~ 11 за 1 добу.
Для градуювання генераторів вимірювальних сигналів використовують синтезатори частоти та інші генератори, похибка установки частоти яких на порядок, а нестабільність частоти за 30 хв - на 3 порядки менше, ніж у градуйованого генератора.
Індикатором рівності чи кратності частот може бути осцилограф або нелінійний перетворювач частоти;
Мал. 10. До визначення кратності частот
відповідно до цього метод порівняння для вимірювання частоти реалізують двома способами: Осциллографическое і гетероді
розділ: цифрові пристрої
Кількість знаків з пробілами: 14476
Кількість таблиць: 0
Кількість зображень: 13
... тимчасових інтервалів. Оператор поточного згладжування (1) з довільною ваговій функцією g (t) перетворюється в аналітичне вираз: (6) де усереднене значення результуючої оцінки миттєвої частоти на інтервалі часу вимірювання утворюється сумою проміжний час середніх значень миттєвої частоти взятих з відповідним вагою. Усереднене значення миттєвої ...
..., зовнішнє магнітне поле, частота вимірюваного змінного струму. Електромагнітні прилади завдяки простоті, дешевизні і надійності широко застосовують для вимірювання струмів і напруг в потужнострумових ланцюгах постійного і змінного струму промислової частоти (50 і 400 Гц). Більшість електромагнітних амерметров і вольтметрів випускають у вигляді щитових приладів різних класу 1,5 і 2,5. Є ...
.... Однак, якщо максимальне запізнювання сигналу, яке фіксується даної РЛС, значно менше періоду модуляції Тимчасові діаграми ілюструють частотний метод вимірювання дальності Рис.1 (витребування max << Тм), то порушенням лінійності можна знехтувати і вважати формулу (2) справедливої для будь-якого закону частотної модуляції. Співвідношення витребування ...
... імпульсних потужностей передавача; неможливість вимірювання малих дальностей велика мертва зона Характеристика недоліків міститься в основних показниках імпульсного методу вимірювання дальності: Мінімальна дальність дії (мертва зона) імпульсної РЛС: (1.2), де - час, що витрачається на перемикання антени. Дійсно, поки антена випромінює, система не може приймати сигнал. ...