1.1. Методы сравнения

Для измерения частоты используются и методы сравнения с частотой источника образцовых колебаний (резонансный, гетеродинный и с помо­щью осциллографа). Однако гетеродинные частотомеры используются редко, а гетеродинное преобразование частоты обычно применяется для переноса частоты СВЧ-колебания в область, удобную для измерения циф­ровыми приборами.

Рис. 1. Модулируемая по яркости круговая развертка

Методы сравнения используются в основном для градуировки генераторов различных измеритель­ных приборов. Для их реализации необходим об­разцовый генератор более высокой точности и уст­ройство сравнения (сличения) частот. Перечислим методы, основанные на использовании осциллографа в качестве устрой­ства сравнения:

- определение частоты методом интерференционных фигур (фигур Лиссажу);

- определение интервалов времени (периода, длительности импульса и т.д.) с использованием калиброванной развертки осциллографа;

- определение частоты с помощью яркостных меток на круговой раз­вертке.

Отме­тим, что погрешность измерения интервала времени с помощью осцилло­графа вызвана нелинейностью его развертки и погрешностями отсчета начала и конца интервала.

Рассмотрим подробнее последний метод. Этот метод реализуется при условии, что неиз­вестная частота f_x больше образцовой f₀. Круговая развертка создается при подведении ко входам Υ и X осциллографа гармонических сигналов образ­цовой частоты, сдвинутых взаимно по фазе на 90°. Подавая гармонический сигнал с измеряемой частотой f_x на вход Ζ модуляции яркости луча осцил­лографа и регулируя частоту f₀, можно получить практически неподвижную модулированную по яркости круговую развертку (рис. 1). Если N — число ярких дуг (или темных промежутков) на круговой развертке, то частота f_x = Nf₀ (на рис.1 f_х = 8f₀).

Все три перечисленных метода имеют невысокую точность (относительная погрешность измерений порядка l*10^-2...5*10-²). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большин­ства из них не превышает 250 Мгц.

1.2. Резонансный метод измерения частоты

Сущность резонансного метода состоит в сравнении измеряемой частоты f_x с собственной резонансной частотой f_p градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазоне СВЧ, но может использоваться и в ВЧ-диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частото­мерами; их обобщенная структурная схема приведена на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема резонансного частотомера

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

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

Рис. 3. Упрощенная структурная схема резонансного частотомера

На рис. 3 приведена упрощенная структурная схема частотомера (волномера) с объемным резонатором, включающая волновод 1, по ко­торому поступает энергия измеряемой частоты f_x петлю связи 2, детек­тор (полупроводниковый диод) 3 с индикатором резонанса И, объемный резонатор 4 и плунжер 5, предназначенный для изменения одного из размеров резонатора и связанный с отсчетной шкалой. Связь резонатора с детектором индуктивная и осуществляется петлей связи 5.

Размеры резонатора в момент настойки в резонанс однозначно свя­заны с длиной волны λ, возбуждаемых в нем электромагнитных колеба­ний. Причем резонанс наступает при размерах резонатора l= nλ/2, где n = 1, 2, 3 и т.д. Поэтому, перемещая плунжер 5 до момента получения пер­вого резонанса, а затем следующего и оценивая по отсчетной шкале раз­ность Δl = l₁ - l₂ = λ/2, можно определить λ. Здесь l₁ и l₂ — показания отсчетной шкалы в момент 1-го и 2-го резонансов. Искомая частота f_x вычисляется по формуле f_x = c/λ, где с — скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме (скорость света; напомним с = = (2,99776 ±0,00004)·10⁸ м/с).

Для повышения точ­ности измерений частоты добротность Q резонато­ров должна быть высокой. С этой целью их внутрен­ние поверхности полируют и серебрят, доводя ве­личину Q до значения (5...10)·10³. С целью уменьшения сопротивления в месте подвижного контакта плунжера применяют системы длинных линий (отрезки линий длиной λ/2, λ/4).

(1)

Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с погрешностью 10³...10⁴. Основными источниками погрешностей измерения являются погрешность настройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.