книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники

Мультивибратор на 10 кгц в свою очередь управляет третьим мультивибратором с основной частотой 1 кгц, захватывая его на 10-й гармонике. Этот мультивибратор синхронизирует четвертый мультивибратор с основной частотой 100 гц и таким образом осуществляется после­ довательное деление и выдача образцовых декадно-крат­ ных частот во всем диапазоне от 100 гц до 30 Мгц.

Помимо мультивибраторов, в качестве делителей ча­

стоты используются также

синхронизированный генера­

■ 200 кгц

тор, регенеративный

делитель,

делитель частоты пускового ти­

• 300 к гц

■1000кгц

па

и др.

Умножение

частоты

выполняется также путем пре­

образования

напряжения

об­

разцового

генератора

в

узкий

импульс, спектр которого дает

большое (Число равномерных по

амплитуде

гармоник

в

широ­

10 кгц

ком диапазоне

частот.

20-кгц

Поверка

первичного

этало­

30 кгц

100кгц

на

частоты

производится

по

сигналам точного астрономиче­

1 кгц

ского времени с помощью син­

2 кгц

хронных часов. Поверка вто­

3 кгц

ричного эталона частоты про­

■10 кгц

изводится сличением его часто­

ю о г ц

ты

с образцовыми

частотами,

передаваемыми

по

радио

или

2О0гц

300 гц

проводам от первичного этало­

1000гц

на частоты. Образцовые меры

Рис.

4-12.

Блок-схема деле­

частоты 1-го, 2-го

и

3-го

раз­

рядов поверяются

по вторич­

ния

и умножения частоты.

ному эталону частоты.

ройство,

входящее в состав

Частотоизмеритель'ное уст­

образцовой

меры

частоты,

предназначается для прецизионных частотных измере­ ний и градуировки частотоиз1мерительной аппаратуры.

О б р а з ц о в ы й г е н е р а т о р , используемый в образцовых мерах частоты, представляет собой вы­ сокостабильный кварцевый генератор с уходом частоты от ее номинального значения не более чем на Й• 10~7— 1*10~9 в течение длительного времени. Столь высокая стабильность частоты достигается применением сне-

120

циальных мер. Так, например, кварц берется с возмож­ но более высокой добротностью и 'возможно меньшей эквивалентной последовательной емкостью. Обработка его производится так, что уход частоты при его старе­ нии сводится к минимуму. Для исключения влияния на частоту генератора атмосферного давления и влажно­ сти и повышения добротности кварца последний вакуумируется.

Кроме того, для устранения влияния температуры на частоту генератора производится двойное термостатирование. Во внутреннем термостате помещается кварц, во внешнем—схема генератора. В термостатах с помощью схемы автоматической терморегулировки поддерживает­ ся постоянная температура 60—70° С.

Принимаются также меры для исключения влияния на частоту колебаний механических сотрясений. Для этого применяется прочное механическое крепление деталей генератора и монтажа схемы, а крепление кварца в кварцедержателе производится в узлах механических коле­ баний.

Колебательный режим генератора подобран так, что на кварце выделяется минимальная мощность. Влияние нагрузки на частоту генератора устраняется примене­ нием буферного каскада. Емкости и сопротивления в анодной и сеточной цепях задающего генератора выби­ раются возможно большими, для того чтобы их измене­ ние от внешних условий меньше влияло на частоту. Для этого же применяется стабилизация источников пита­ ния. И, наконец, для устранения влияния внешних полей схема и отдельные узлы образцового генератора тща­ тельно экранируются.

О б р а з ц о в ы е к в а р ц е в ы е г е н е р а т о р ы мо­ гут быть подразделены на два вида: 1) схемы последо­ вательного резонанса, в которых генерируемая частота близка к частоте последовательного резонанса кварца; 2) схемы параллельного резонанса, в которых генери­ руемая частота близка к частоте параллельного резо­ нанса кварца.

Наиболее типичная схема кварцевого генератора по­ следовательного резонанса — мостовая схема, исполь­ зуемая в современных образцовых (мерах частоты, при­ ведена на рис. 4-13. Схема состоит из усилительного каскада на лампе Л\ с контуром в анодной цепи, за

121

Которым следует фазоинверторный каскад на лампе Jt2, питающий мост. Кварц включен в одно из плеч моста последовательно с индуктивностью и конденсатором пе­ ременной емкости. В противоположное плечо моста включена лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Обратная связь в генераторе осуществляется подачей выхода моста на сетку лампы усилителя Л\. В момент

Рис. 4-13.	Мостовая схема кварцевого
	генератора.
запуска генератора	нить лампы накаливания холодная
и сопротивление ее	невелико. Вследствие этого мост

разбалансирован, напряжение на выходе моста сравни­ тельно велико и находится в фазе, соответствующей возникновению генерации. С нарастанием колебаний, которое происходит весьма быстро, сопротивление лам­ пы начинает повышаться, что приближает мост к ба­ лансу. При этом напряжение на выходе моста пони­ жается, уменьшая в свою очередь напряжение обратной связи и амплитуду колебаний. Таким образом, ампли­ туда колебаний автоматически поддерживается постоян­ ной. Частота колебаний определяется частотой после­ довательного резонанса кварца при настройке на нее

122

включенного последовательно с кварцем контура н отсутствии сдвига фаз в усилителе. Регулировкой емко­ сти переменного конденсатора можно в небольших пре­ делах производить подстройку частоты. Лампа Л 3 используется в качестве буферного выходного усилителя для уменьшения влияния внешних цепей «а частоту ге­ нератора. Недостатком мостовой схемы является ее сложность и применимость главным образом для частот, не превышающих 300 кгц.

Из схем параллельного резонанса наибольшее при­ менение получили две схемы: 1) схема .кварцевого гене­

Рис. 4-14. Схема кварце­		Рис. 4-15. Схема квар­
вого	генератора с квар­	цевого генератора с
цем	между катодом и	кварцем между анодом
	сеткой.	и сеткой.

ратора с включением кварца между катодом и сеткой; 2) схема кварцевого генератора с включением кварца между анодом и сеткой.

Упрощенная схема кварцевого генератора с кварцем,

включенным между катодом и	сеткой, показана на
рис. 4-14. В этой схеме обратная	связь между анодным

и сеточным контурами осуществляется через междуэлектродную емкость сетка — анод. Для того чтобы удовле­ творить условию самовозбуждения, сопротивление анод­ ного контура должно иметь'индуктивный характер, т. е. контур должен быть настроен на. батее высокую ча­ стоту, чем частота колебаний в схеме. Для того чтобы частота колебаний в схеме возможно меньше зависела от настройки анодного контура, он должен обладать значительной расстройкой. При этом ослабляется влия­ ние на частоту в схеме его параметров и стабильность частоты определяется в основном параметрами кварца.

На рис. 4-15 показана схема, в которой кварц вклю­

123

чен		между	анодом	и	сеткой.		По­
скольку кварц эквивалентен индук­
тивности, то по общему правилу
для трехточечных схем сопротивле­
ния		между сеткой			и	катодом,
а	также		между	анодом		и	като­
дам должны иметь емкостный ха­
рактер.						в анодной
.	В этом случае контур
цепи должен быть настроен -наболее

Рис. 4-16. Схема квар­ низкую частоту, чем частота колеба­

цевого генератора	с	ний в схеме. По стабильности часто­
апериодической	на­	ты схема эквивалентна предыдущей.
грузкой.		Поскольку	контур в	анод­
		ной цепи	представляет	собой

емкостную нагрузку, то он может быть заменен апериодической нагрузкой в виде активного сопротивле­ ния, шунтированного емкостью. При этом схема гене­ ратора принимает вид, показанный на ри-с. 4-16. Эта схема отличается большой стабильностью частоты, по-

скольку в ней			отсутст­
вует колебательный
тур,	относящийся		к
стабилизирующим
ментам. Кроме того,
сматриваемая		схема
чительно проще, чем дру­
гие схемы, и поэтому за
последние годы она наш­
ла	широкое	применение
в образцовых		мерах ча­
стоты.			и у м ­
Д е л и т е л и
н о ж и т е л и ч а с т о т ы
( м у л ь т и в и б р а т о р ы )				Рис. 4-17. Принципиальная схема
Л4ультивибратор			пред­	мультивибратора.

ставляет собой двухкас­ кадный усилитель на сопротивлениях, в котором

напряжение	с выхода второго	каскада	.подает­
ся на вход	первого каскада (рис.	4-17).	Так как

каждая лампа производит сдвиг по фазе усиливаемого напряжения на 180°, то фаза напряжения на выходе второй лампы будет равна фазе напряжения на сетке

124

первой лампы. В результате этого в схеме происходит нарастание усиливаемого напряжения, что приводит к возникновению релаксационных колебаний. Релакса­ ционные колебания близки по форме к прямоугольным и характеризуются обильным содержанием гармоник. Частота этих колебаний неустойчива и легко поддается управлению синхронизирующим напряжением образцо­ вого кварцевого генератора. Характер введения синхро­ низирующего напряжения определяется отношением ча­ стоты генератора к основной частоте мультивибратора.

Если деление частоты производится на нечетное чис­ ло, т. е.

		т = ф~		(4-13)
		/ м
равно	нечетному числу, где fv— частота		генератора;
/м — основная частота		мультивибратора,	то	наиболее
полная	синхронизация	будет получена, если		управляю­

щее напряжение подается только на одну из ламп мультивибратора. Если же деление частоты производит­ ся на четное число, то синхронизирующее напряжение нужно подавать на обе лампы. Мультивибратор может быть применен для генерации частот в диапазоне до 1 Мгц. Для выделения гармоник возможно более высо­ ких порядков мультивибратор рассчитывается как уси­ литель на частоту наивысшей гармоники. Поэтому осо­ бенно пригодными в этом случае являются высокоча­ стотные пентоды, обладающие малыми 'выходными емко­ стями. Для устранения влияния изменений в цепях на­ грузки на надежность синхронизации между мультивиб­ раторами и выходными цепями включают буферные усилители. В этих усилителях анодные нагрузочные со­ противления выполняются обычно индуктивными, что способствует усилению гармоник высших порядков.

При достаточно стабильных деталях, надежной кон­ струкции, надлежащем способе введения синхронизи­ рующего напряжения и правильном подборе величины этого напряжения мультивибратор работает с устойчи­ вой синхронизацией при коэффициенте деления частоты до 10:1.

С и н х р о н н ы е ч а с ы служат для поверки первич­ ного эталона частоты по сигналам точного времени. Принцип действия синхронных часов заключается в сле­

125

дующем. Напряжение, получаемое с образцового гене­ ратора путем ряда последовательных делений с по­ мощью мультивибраторов доводятся до частоты звуко­ вого диапазона, равной 'Обычно 1 000 гц. Это напряже­ ние после усиления подводится к статору синхронного мотора, где создает вращающееся магнитное поле.

Число оборотов ротора синхронного мотора в точно­ сти соответствует числу оборотов вращающегося поля, т. е. частоте напряжения, питающего статор, и при ча­ стоте 1 000 гц равняется обычно 10 об/сек. С роторам синхронного мотора посредством .системы шестерен свя­ зан часовой механизм синхронных часов. Первая ше­ стерня дает замедление, равное ГО, и, таким образом, совершает 1 об/сек. Связанная с ней шестерня дает за­ медление, равное 60, и совершает 1 об/мин. От этой ше­ стерни выведена секундная стрелка синхронных часов.

Аналогичным образом подобраны передаточные чис­ ла других шестерен, от которых выведены минутная и- часовая стрелки. Таким образом, синхронные часы будут давать точное время, когда частота, подведенная к ста­ тору синхронного двигателя, равна точно 1 000 гц. Сравнивая показания синхронных часов на протяжении временного интервала, определяемого передаваемыми сигналами точного астрономического времени, поверяют тем самым точность первичного эталона частоты.

Частотоизмерительные устройства

Частотоизмерительные устройства, используемые в образцовых мерах частоты, позволяют производить частотные измерения с высокой степенью точности. В зависимости от методов формирования образцовых частот, используемых при частотных измерениях, и спо­ собов отсчета измеряемой частоты различаются следую­ щие основные типы частотоизмерителыных устройств.

Устройства, в которых измерение частоты произво­ дится методом простого гетеродинирования измеряемой частоты и серии образцовых гармоник, с последующим определением разностной частоты с помощью интерполя­ ционного генератора.

Устройства, в которых измерение частоты произво­ дится методом последовательного гетеродинирования с использованием двух или нескольких серий декаднократных образцовых частот.

126

Устройства, в которых измеряемая частота сравни-

. вается с равной ей или близкой по величине образцо­ вой частотой, образуемой путем набора и преобразо­ вания (синтеза) ряда составляющих образцовых частот.

Счетные	устройства, в которых измеряемая частота
с помощью	серии образцовых частот и селектора гар­

моник преобразуется в более низкую частоту, отсчиты­ ваемую непосредственно с помощью электронного счет­ чика.

Ч а с т о т о и з м е р и т е л ь н ы е	у с т р о й с т в а
с п р о с т ы м г е т е р о д и н и р о в а н и е м . В этих

устройствах наибольшее применение получили два

метода	измерения			часто­
ты: а) ;метод		интерполя­
ции по	низкой		частоте;
б) метод интерполяции по
высокой	частоте			(метод
скользящих		гармоник).
Блок-схема			измерения
частоты методом интерпо­
ляции по низкой				часто­
те показана		на	рис. 4-18.		Рис. 4-18. Измерение	частоты ме­
Измеряемая			частота fx		тодом интерполяции	по низкой
вместе	с серией образцо­				частоте.

вых частот n/обр подается

на приемник. В результате детектирования биений изме­ ряемой частоты с ближайшей образцовой гармоникой на выходе приемника выделится разностная частота

	F = ± ( f x - n f o6p),	(4-14)
где:	п — номер использованной гармоники,	определяе­
мый	по частотной шкале приемника.

Значение разностной частоты, не превышающее по­ ловины частотного интервала используемой серии образ­ цовых гармоник, определяется с помощью интерполя­ ционного генератора и осциллографа. Интерполяцион­ ный генератор представляет собой высокостабильный ге­ нератор звуковой частоты, шкала которого имеет высо­ кую разрешающую способность порядка 1—2 гц на деление. Верхний предел диапазона частот интерполя­ ционного генератора обычно равен половине частотного интервала используемой серии образцовых частот.

127

Так, например, при использовании -серии образцовых частот, кратных 10 кгц, .применяется интерполяционный генератор на 5 кгц. Если подобрать частоту интерполя­ ционного генератора равной разностной частоте, то на экране трубки будет эллипс и значение разностной ча­ стоты отсчитывается по шкале интерполяционного гене­ ратора. Измеряемая частота

fx — nf об» — F

(4-15)

определится по номеру п использованной гармоники, значению образцовой частоты /0бр и измеренной разно­ стной частоте F. Знак плюс или минус берется в зави­ симости от того, .происходят ли биения измеряемой ча­ стоты с ближайшей меньшей или с ближайшей большей образцовой гармоникой. Для определения знака изме­ ряемая частота заменяется близкой ей частотой, пода­ ваемой от гетеродинного частотомера. Если при увели­ чении частоты гетеродинного частотомера увеличивается звуковая частота биений, то это значит, что увеличи­ вается частотный интервал между сравниваемыми ча­ стотами и, следовательно, измеряемая частота больше частоты гармоники. Уменьшение разностной звуковой частоты при увеличении частоты гетеродина указывает на то, что измеряемая частота меньше частоты исполь­ зуемой образцовой гармоники.

Погрешность измерения частоты Д будет складываться из по­ грешности образцового генератора Д0ор и погрешности интерполя­ ционного генератора Ди.г:

Д = К Л^бр + Аи.г •

(4-16)

Погрешность Ди.г будет складываться из двух погрешностей: погреш­ ности Дд г, определяемой нестабильностью частоты интерполяцион­

ного генератора за время измерения, и погрешности отсчета Д” г , Следовательно,

Ди.г=д;,г+д;;г.

Для высококачественных интерполяционных генераторов уход частоты за время измерения не превышает величины порядка Д^г= = 0,5 гц.

Для серии частот, кратных / 0бр = Ю лггг< при шкале интерполя­ ционного генератора на 1000 делений, наибольшая погрешность отсчета для максимальной измеряемой разностной частоты F —

128

= 5 000 гц составляет величину порядка половины деления, т. е. •

Д н г = 2,5 гц.	Таким	образом,
		д = ] / " fx 3обр + Ди.г Н]>			(4-18)
где Д — абсолютная		погрешность	измерения частоты;
Д — измеряемая		частота;
®обр — относительная погрешность образцового генератора.
Относительная погрешность			измерения частоты
		“		Д	(4-19
			и
Пусть,,	например, |Д — 20[Мгц,			Йобр = 10-7,	Ди.г = 3 гц. Тогда
абсолютная	погрешность составит			Д = 3,6 гм и	относительная 5 =
== 1,8 - 10 —7

Недостаток данного метода состоит в том, что при измерении частот, близких по (величине к значениям образцовых гармоник, разностная частота может иметь

Рис. 4-19. Измерение частоты методом интерполяции по высокой частоте.

настолько малое значение, что отсчет ее становится за­ труднительным. Для преодоления этого затруднения в стандарте частоты фирмы Дженераль Рэйдио исполь­ зуются три серии образцовых гармоник, кратных 9, 10 и 11 кгц. Переход с одной серии на другую позволяет получить разностную частоту, величина которой может быть легко отсчитана. Однако это связано с усложне­ нием измерительного устройства и необходимостью до­ полнительных вычислений.

Блок-схема измерения частоты методом интерполя­ ции по высокой частоте приведена на рис. 4-19. В этой схеме интерполяционный генератор представляет собой высокостабильный узкодиапазонный генератор высокой частоты, номинальное значение которой может быть

9-2240

129