Различные по форме (следовательно, и по назначению) сигналы характеризуются разнообразными параметрами. К числу наиболее известных и подлежащих измерению параметров относятся рассмотренные ранее напряжение, сила тока и мощность. К важным параметрам относятся также частота и связанные с ней период и длина волны электромагнитных колебаний, фазовый сдвиг, временные интервалы, коэффициент нелинейных искажений и ряд специфических параметров, характерных для модулированных сигналов и сигналов СВЧ- устройств. Измерение этих параметров выполняется с помощью соответствующих приборов (частотомеров, фазометров, измерителей нелинейных искажений, измерителей АЧХ) и связано с решением многих научных и практических задач.
Измерение частоты и периода повторения сигнала
Основной единицей измерения частоты сигнала является герц, но ввиду его малости в электронике используют кратные единицы:
• килогерц (1 кГц = 103 Гц);
• мегагерц (1 МГц = 106 Гц);
• гигагерц (1 ГГц = 109 Гц).
Частота сигнала измеряется электронными и электромеханическими частотомерами.
В каталоговой классификации электронные частотомеры обозначаются следующим образом: 41 — образцовые (стандарты частоты и времени), 42 — резонансные, 43 — электронные, 44 — гетеродинные волномеры (сняты с производства), 45 — преобразователи частоты, 46 — синтезаторы, делители, умножители частоты.
Электромеханические частотомеры независимо от используемой системы преобразования обозначаются по единице измерения — Гц (международное обозначение — Hz).
В практике электротехнических измерений в большинстве случаев измеряют линейную частоту, которую исторически в радиоэлектронике обозначают буквой / (высокие частоты) или буквой F (низкие частоты). Гармонические сигналы характеризуются также угловой (круговой) частотой со:
Угловая частота равна изменению фазы сигнала ф(?) в единицу времени. Для низких частот угловая частота записывается как Q = 2лТ, для высоких — как со = 2л/.
При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной угловой частоты:
где f(t) — мгновенная циклическая частота.
При описании методов измерения частоты будем подразумевать ее среднее значение за время измерения.
Под линейной частотой понимают число колебаний в единицу времени
Наряду с частотой на ВЧ и СВЧ часто используют длину волны электромагнитных колебаний X, которая связана с линейной частотой зависимостью
где с — скорость света: с = 3 • 108 м/с.
Реже измеряют период электромагнитных колебаний Т, связанный с линейной частотой обратной зависимостью:
Таким образом, параметры F, Т и X связаны между собой и при необходимости можно измерить любой из них.
Приборы, измеряющие частоту сигнала, называются частотомерами, длину волны — волномерами, период — периодомерами.
Так как все три параметра электрических сигналов являются важнейшими в электронных и телекоммуникационных системах, то приборы, используемые для частотно-временных измерений, образуют единый комплекс аппаратуры, позволяющей проводить измерения с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени, что гарантирует высокую точность измерений.
Наряду с названными в соответствии с каталоговой классификацией приборами, частоту можно измерять осциллографическими (косвенными) методами, которые были рассмотрены ранее.
Спектр частот электромагнитных колебаний, используемый в электронике, простирается от долей герца до десятков гигагерц. Этот спектр условно можно разделить на два диапазона:
• низкие частоты, к которым относятся инфразвуковые — ниже
20 Гц, звуковые — 20 Гц ... 20 кГц, ультразвуковые — 20 ... 200 кГц;
• высокие частоты, к которым относятся собственно высокие —
200 кГц ... 30 МГц, ультра- или сверхвысокие — выше 30 МГц.
В зависимости от участка спектра частот электромагнитных колебаний применяются различные методы измерения, которые подразделяются на низко- и высокочастотные. Приборы для измерения низких и высоких частот также называются низко- и высокочастотными.
При измерении низких (промышленных) частот (до 1000 Гц) широко используются электромеханические частотомеры на основе электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, выпрямительной, вибрационной систем.
Электромеханические частотомеры имеют малые габаритные размеры, не требуют источников питания, недороги, однако имеют существенный недостаток — ограниченный диапазон измерения частот, поэтому используются в основном как контролирующие приборы.
Для измерения низких частот применяют осциллографические методы (методы сравнения), используемые чаще для градуировки шкал генераторов различных измерительных приборов. При реализации этого метода требуется генератор образцовой частоты более высокой точности и осциллограф. К осциллографическим методам относятся метод фигур Лиссажу, метод яркостной модуляции и метод использования калиброванной линейной развертки осциллографа. Все названные методы рассмотрены достаточно подробно ранее. Погрешность измерения третьим методом зависит от нелинейности развертывающего напряжения, а также от погрешности отсчета линейных размеров периода и качества фокусировки и яркости луча на экране осциллографа.
В настоящие время для измерения низких частот широко используются электронные цифровые частотомеры (43), практически вытеснившие конденсаторные частотомеры.
Цифровые частотомеры, в основу измерения которыми положен метод дискретного счета, характеризуются очевидными достоинствами:
• высокой точностью измерений, т.е. малой относительной погрешностью измерения частоты (10 6...10
9);
• возможностью успешного использования на низких и на высоких частотах (от десятых долей герц до сотен мегагерц);
• исключением субъективной ошибки оператора;
• возможностью обработки результатов измерения с помощью микропроцессора и персонального компьютера;
• возможностью наряду с измерением частоты измерения периода повторения сигнала, отношения частот, длительности импульсов. На рисунке 7 приведена упрощенная структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы, поясняющие его работу в режиме измерения частоты.
 
Рис. 7 Упрощенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу в режиме измерения частоты сигнала (б)
При измерении частоты сигнала методом дискретного счета исследуемый сигнал с частотой Fx подается на входное устройство, в котором усиливается или ослабляется до значения, необходимого для работы блока формирования сигнала.
Поступающий в блок формирования 1 гармонический сигнал Ui преобразуется в последовательность коротких однополярных
1
импульсов U2 со счетным периодом повторения Тх = —. Передние
фронты счетных импульсов практически совпадают с мЪментом перехода сигнала JJ через нулевое значение на оси времени при его возрастании.
Затем счетные импульсы поступают на один из входов временного селектора (электронного ключа), а на другой его вход с выхода кварцевого генератора подаются импульсы прямоугольной формы, калиброванные по длительности, с периодом повторения Т0 > Тх для последующего их формирования в блоке формирования 2. Временной селектор открывается импульсом Щ и в течение времени его действия пропускает пакет импульсов U2 на вход счетчика. В результате на счетчик импульсов поступает п импульсов напряжением UA. То есть метод дискретного счета состоит в подсчете числа периодов измеряемой частоты Fx за известный высокостабильный интервал времени Т0 В результате измерения получим
откуда
В счетчике число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, который затем преобразуется в десятичный код, высвечиваемый на цифровом индикаторе.
Действительная относительная погрешность измерения частоты определяется формулой
Из анализа формулы следует, что чем ниже значение измеряемой частоты Fx, тем больше должна быть погрешность. Поэтому для получения меньшей погрешности измерения низких частот увеличивается время измерения Т0. Следовательно, измерение низких частот требует большего времени измерения.
Для варьирования Т0 в составе делителя кварцевого генератора имеется декадный делитель частоты с коэффициентом kA (каждая декада уменьшает частоту кварца F0 в десятки раз). Период импульсов на выходе блока формирования 2 и длительность строб импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е.
и выражение можно представить в виде
А_
Отношение изменяют варьированием kA, т.е. за счет изменения числа декад делителя.
Погрешность измерения частоты имеет систематическую и случайную составляющие. Систематическая составляющая обусловлена главным образом долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора Fq, которую уменьшают термостатированием кварца или применением в генераторе термокомпенсирующих элементов. Погрешность за счет неточности установки частоты F0 уменьшают калибровкой генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью мобильных квантовых стандартов частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генератора не превышает (1...5) • 10-10.
В ряде случаев требуемая стабильность частоты достигается введением в генератор фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Рассмотрим пример подсчета частоты сигнала цифровым частотомером.
Частота кварцевого генератора jP0 = 1 МГц, что соответствует Т0 = = 1 / Fo = 1 мкс.
Предположим, что на счетчик за это время прошло 10 импульсов, тогда в соответствии с формулой (5.5) Fx = п / Т0= 10/ 106с= 107Гц = = 10 МГц.
Диапазон измеряемых цифровым прибором частот ограничивается снизу погрешностью дискретизации, а сверху — быстродействием используемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения в количественном выражении не превышает 200 МГц. Расширения верхнего предела добиваются переносом измеряемой частоты в область более низких частот (гетеродинное преобразование).
В состав цифрового частотомера обязательно входит схема автоматического регулирования усиления (АРУ) и схема подавления внешних помех. Для обеспечения устойчивой работы частотомера в паспорте прибора приводится важный параметр — чувствительность (минимальное значение напряжения, при котором частотомер уже может измерить частоту). При меньшем значении напряжения измерение прекращается и показания счетчика (следовательно, и цифрового индикатора) обнуляются. Уровень значения напряжения входного сигнала также ограничивается максимальным значением, превышать которое нельзя. В противном случае частотомер «зависает», т.е. надолго перестает измерять. В связи с этим в приборе предусмотрены меры защиты от перегрузок.
Наличие в последних моделях цифровых частотомеров синтезаторов частот позволяет получать сигналы с дискретной сеткой частот. Программное управление синтезаторами частот и введение встроенных микропроцессоров открывает новые возможности таких приборов в части уменьшения погрешности измерения, расширения диапазона измеряемых частот и упрощения включения их в автоматизированные измерительные системы. Цифровые частотомеры способны измерять частоту гармонических и импульсных сигналов.
Измерение периода повторения сигнала методом дискретного счета рассмотрим на примере гармонического (синусоидального) сигнала.
В основу измерения периода Тх положен принцип заполнения его импульсами, следующими с известным периодом Т0, задаваемым образцовым кварцевым генератором, и подсчет количества этих импульсов пх.
На рисунке 8 приведена упрощенная структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала.
Исследуемый синусоидальный сигнал U с периодом Тх после прохождения через входное устройство поступает на блок формирования 1, где преобразуется в последовательность коротких импульсов U2 (с тем же периодом), поступающих на устройство управления. В устройстве управления из поступивших импульсов формируется стробимпульс Из прямоугольной формы с длительностью, равной измеряемому периоду Тх. Далее стробимпульс поступает на один из входов электронного ключа, на второй вход которого от кварцевого генератора подаются короткие импульсы ?/4 с известным высокостабильным образцовым периодом повторения Т0 для последующего преобразования сигнала по форме в блоке формирования 2. Электронный
Рис. 8 Упрощенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала (б)
ключ в течение времени длительности стробимпульса пропускает на счетчик пх счетных импульсов с напряжением [/4. Очевидно, что измеряемый период прямо пропорционален количеству счетных импульсов пх и образцовому периоду повторения Т0.
где Дд — суммарная абсолютная погрешность дискретизации:
Дд = AtH + ДЦ,; ДГН — погрешность дискретизации начала периода Тх;
Atk — погрешность дискретизации конца периода Тх.
Без учета погрешности Д?д в формуле (5.8) число поступивших на счетчик импульсов пх = Тх / 7о, а измеряемый период прямо пропорционален пх> т.е.
Число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, поступающего на цифровой индикатор, в котором показание соответствует измеряемому периоду Тх.
Погрешность измерения периода повторения сигнала зависит от стабильности частоты кварцевого генератора и от погрешности дискретизации.
Резонансный метод измерения частоты сигнала относится к высоко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой измерительной колебательной системы, в качестве которой используется колебательный контур или резонатор.
Приборы, принцип работы которых основан на этом методе, называются резонансными волномерами (реже — частотомерами), так как в большинстве случаев они измеряют длину волны.
На рисунке 9 представлена упрощенная структурная схема резонансного волномера, которая состоит из входного устройства, колебательного контура с градуированным механизмом настройки и индикатора резонанса.
Рис. 9 Упрощенная структурная схема резонансного волномера
В зависимости от диапазона частот конструкция колебательной системы различна: на частотах < 200 МГц применяются параллельные контуры с сосредоточенными параметрами, состоящие из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости; на частотах 200... 1000 МГц применяются контуры смешанного типа (емкость сосредоточена, а индуктивность распределена); на частотах > 1 ГГц применяются контуры с распределенными параметрами — отрезки коаксиальной, волноводной линий или объемные резонаторы.
Связь измерительного контура с источником измеряемой частоты должна быть слабой (рис. 10, |
Скачать 0.67 Mb.