Измерение частоты резонансным методом. Метод дискретного счета и его использование в электронно-счетных частотомерах

Компенсационный метод измерения фазового сдвига (нулевой метод). Фазовый детектор.

Сущность-сравнение измеряемого фазового сдвига с известным фазов сдвигом.

Позволяет получить высокую точность. Использование калиброванного фазовращателя (линейное устройство).

Подаем сигнал U1 на вход Y через фазовр, а U2 на вход Х.

Фазов сдвиг ∆φ между U1 и U2 опред путем изменен фазы дополнит сигнала U1’ с помощью фазовращ до момента появления на экране наклонной прямой линии, т.е. до момента равенства фаз сигналов U2 и U1’. При этом искомый фазовый сдвиг считывают по шкале образцового фазовращ.

Есть индикатор нуля (ИН), показывает, когда сдвиг фаз = 0

Фазовращатель вносит известный калиброванный фазовый сдвиг. Он не должен при этом менять амплитуду.

Подаем 2 напряжения и регулировкой фазовращателя добиваемся равенства фаз. Отсчет производится по шкале фазовращателя.

Погрешности: градуировки фазовращателя, его шкалы;фиксации «0» в индикаторе;неидентичность фазовых набегов в нуль-индикатора.

Фазовый сдвиг нужно измерять от 0 до 360 => фазовращатель должен иметь большую шкалу (или от 0 до 180) или может быть цепочка фазовращателей. На практике получается мерить от 0 до ≈160 градусов.

На низких частотах используется фазовращатель в виде RC – цепочек: интегрир. цепь.

На СВЧ: используется линия передачи переменной длины. Изменение длины соответствует фазовому сдвигу.

Недостатки: непрямопоказывающий метод; не хватает иногда фазового сдвига; фазовращатель всегда имеет меняющийся от частоты фазовый сдвиг.

Нулевой метод пригоден только там, где есть отградуированный на нужной нам частоте фазовращатель.

Нуль-индикатор – это фазовый детектор, который фиксирует нулевой фазовый сдвиг.

Фазовый детектор. ∆φ между 2мя гармонич сигнал одной част можно измерить фазовым детектором. Сигналы U1 и U2, между которыми измеряется фазовый сдвиг, преобразуются в постоянное напряжение. На выходе его включен вольтметр, измеряющий пост составляющую напряжения. Если амплитуды исследуемых напряжений поддерживать постоянными, шкалу вольтметра можно проградуировать непосредственно в значение фазового угла. С помощью ФД получаемая погрешность измерения около (2…3)˚. Погрешность завис от выполнения условий, от стабильности этих величин во времени, чувствительности вольтметра. ФД используется как прямо показывающий фазометр.
27. Фазометры с преобразованием фазового сдвига во временной интервал.

Приборы для фазовых измерений могут содержать преобразователи – устройства, формирующие электрические сигналы, параметры которых функционально связаны с измеряемым фазовым сдвигом.

С помощью формирующих устройств (ФУ) из исследуемых напряжений u1 и u2 вырабатываются кратковременные импульсы в моменты перехода напряжений через 0 в сторону увеличения. Эти импульсы поступают на входы S и R триггера T, и на его выходе формируются прямоугольные импульсы. Длительность импульсов триггера пропорциональна измеряемому сдвигу фаз: . Среднее значение напряжения на выходе триггера, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу , измеряется встроенным цифровым вольтметром постоянного напряжения. При этом амплитуда импульсов Um выбирается таким образом, чтобы показания вольтметра численно совпадали с фазовым сдвигом ϕ, выраженным в градусах.

При таком способе измерения фазового сдвига может возникнуть систематическая погрешность из-за несимметричного ограничения исследуемых напряжений в ФУ. В этом случае напряжение на выходе ограничителя, например в ФУ1, будет иметь постоянную составляющую (рис. 3.4, в). Дифференцирующая цепь, входящая в ФУ, постоянную составляющую не пропускает, поэтому моменты перехода напряжения через нуль смещаются (показано на рисунке в стрелками). Изменение интервала τ приводит к погрешности измерения фазового сдвига.
28.Измерение частоты осциллографическим и гетеродинным методами. Погрешности методов.

Погрешности: главная - погрешность меры (сравниваем неизвестное с эталоном) + небольшая - погрешность устройства сравнения (когда фигура лиссажу не неподвижна, а вращается, частота вращения – погрешность).

Беда метода: на высоких частотах метод работает, но не стабилен сам измеряемый сигнал и невозможно поймать момент остановки, даже с идеальной мерой. А на низких все ок. мера плавно регулируется. Все видно, низкая стабильность, дискретность шкалы.

Гетероидный метод. Высокая точность сравнения.

Преобразование частоты. На выходе магнитоэлектрический прибор. Сравниваем частоты так, чтобы разностная частота была равна 0. Хитрость: магнитожлектрический прибор показывает либо среднее значение на высоких частотах, либо мгновенное значение медленно меняющегося тока – это медленное биение сигнала с частотой разности. В момент нуля биения останавливаются. Это очень точный способ фиксации момента 0.

Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой fp градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазонах высоких частот и СВЧ, но может использоваться и в более низком диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частотомерами.

Структурная схема:

Индикатор резонанса аттенюатор

Перестраиваемая колебательная система

Входное устройство генератор

U(fx)

Перестраиваемая колебательная система возбуждается сигналом источника измеряемой частоты U(fx) через входное устройство. Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса, т.е. при fx=fp. Данный момент фиксируется с помощью индикатора резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты fx считывается с градуированной шкалы механизма настройки.

В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц используются колебательные контуры, а на частотах до 1ГГц – контуры с распределенными постоянными типа отрезков коаксиальной линии, на частотах выше 1 ГГц – объемные резонаторы.

Должна быть большая добротность Q. Если добротность маленькая, то изменение напряжение плавное, трудно определить максимум. Для высокой добротности необходимо высокое качество контура и связь с источником сигнала маленькая, чтобы он не губил своим сопротивлением.

Основные источники погрешностей: погрешность настройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.

Метод дискретного счета (для частоты). Подсчет количества периодов за интервал времению. На низких частотах большая погрешность частотности, т.к. мало периодов за мнтервал времени, переходим к измерению периодов.

Структурная схема:

Исследуемый гармонический сигнал частоты fx подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера. Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал U1 поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов U2, следующих с периодом Тх = 1/fx и называемых счетными. Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала U1 через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схематически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора.

Счетные импульсы U2 поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс U3 прямоугольной формы и калиброванной длительности То > Тх. Интервал времени То называют временем счета.

Временной селектор открывается строб-импульсом U3, и в течение его длительности пропускает группу из Nx импульсов U2 на вход счетчика (СЧ). В результате временного селектора на счетчик поступает пакет из Nx импульсов U4. Первый счетный импульс, попавший во временные ворота То строб-импульса, опережает его передний фронт на время Δtн, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до среза, разделяет интервал Δtk. То=NxTx-Δtн-Δtк=NxTx-Δtд, где Δtн,Δtк – абсолютные погрешности дискретизации начала и конца интервала То, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов. Δtд =Δtн-Δtк – общая абсолютная погрешность дискретизации.

Пренебрежем погрешностью Δtд, тогда Nx=To/Tx=To*fx => fx=Nx/To

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T0 от схемы, включающей кварцевый генератор (КГ) образцовой частоты fкв и декадный делитель частоты (ДДЧ) следования импульсов с коэффициентом деления Кд (каждая декада уменьшает частоту fкв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. T0 = Кд / fкв, тогда fx = Nx fкв / Кд

Счетчик подсчитывает число импульсов Nx и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение fкв/Кд выбирается равным 10n Гц, где п — целое число. При этом ЦОУ отображает число Nx, соответствующее измеряемой частоте fx в выбранных единицах. Перед на­чалом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Погрешность измерения частоты fx этим методом имеет систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая погрешности измерения вызывается в основном долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора fкв. Ее уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпенсацией. При этом относительное изменение частоты fкв за сутки обычно не выше δкв= 5.10 -9.

Погрешность измерения за счет неточности установки номинального значения частоты fкв уменьшается калибровкой кварцевого генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью перевозимых квантовых стандартов частоты.

Случайная составляющая погрешности измерения определяется погрешностью дискретизации ∆tд=∆tн-∆tк

Они распределены по равномерному закону. Вследствие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации ∆tд распределена по треугольному закону с предельным значение ±T0.

Суммарная относительная погрешность измерения из-за погрешности дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты fx. При достаточно малой частоте fx она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета Т0, которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 или 10 с. В этом случае целесообразно измерить период Тх = 1/ fx, а затем вычислить искомую частоту fx

Для уменьшения влияния погрешности дискретизации на результат измерения частоты fx можно провести ее многократные наблюдения, а затем выполнить их статистическую обработку.

Дата добавления: 2015-04-30