Глава 10. Измерение временных интервалов и периода повторения

Различают два основных метода измерения периода и временных интервалов: осциллографический и электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием линейной развертки. Из-за значительных погрешностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелинейности развертки общая погрешность измерения временных интервалов составляет единицы процентов. Значительно меньшая погрешность свойственна специализированным измерителям временных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счетные методы измерения периода и временного интервала. При измерении весьма малых временных интервалов удобны методы преобразования. На основе этих методов созданы умножители интервала — устройства, позволяющие расширить измеряемый интервал в заданное число раз. Умножители часто используются совместно с электронно-счетными приборами.

10.1 Электронно-счетный измеритель временного интервала

Структурная схема измерителя временного интервала показана на рис. 6.1,. Исследуемые напряжения U_x1 и U_x2 подводят по двум каналам к формирующим устройствам. Когда эти напряжения достигают опорных уровней U₀₁ и (U₀₂, на выходе формирующих устройств возникают короткие импульсы U_H и U_K, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени Тх. Эти импульсы воздействуют на триггер, выходной импульс которого на время Тх отпирает селектор.

За время действия импульса счетные импульсы с известным периодом T₀, поступающие с генератора, фиксируются счетчиком.

Их число N пропорционально измеряемому временному интервалу и считывается с отсчетного устройства,

Схема измерителя периода отличается от рассмотренной тем, что импульсы начала и конца интервала, равного периоду повторения исследуемого напряжения, формируются в одном канале, а вторая схема формирования отсутствует.

Период счетных импульсов Т₀ выбирается кратным 10^-k, с, где k — целое число.

Систематиескую составляющую нестабильности счетных импульсов можно уменьшить, периодически корректируя частоту генератора.

Погрешность дискретности, для ее уменьшения следует увеличивать частоту генератора, максимальное значение которой ограничено быстродействием используемого счетчика. В настоящее время лучшие серийно выпускаемые счетчики работают до частот в сотни мегагерц. Погрешность дискретности можно несколько уменьшить, применяя генератор счетных импульсов с ударным возбуждением, запускаемый импульсом UH.

Если прибор предназначен для измерения времени задержки в исследуемом устройстве, то импульс начала интервала можно синхронизировать со счетными импульсами. В состав измерителя временного интервала вводят делитель частоты, запускаемый счетными импульсами. Импульс с выхода -делителя запускает исследуемое устройство. Из-за нестабильности времени.задержки в делителе не удается полностью устранить погрешность начала.

Точность измерений можно значительно повысить, применяя специальные методы, рассмотренные далее.

Если измеряемый интервал повторяется, то погрешность дискретности можно снизить, увеличивая измеряемый интервал в целое число раз или проводя многократные измерения.

10.2 Измерение частоты

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиотехнике. Частота может быть измерена с очень высокой точностью, поэтому получили широкое распространение методы измерения различных параметров с предварительным преобразованием их в частоту и измерением последней.

Существуют следующие основные методы измерения частоты; электронно-счетный, заряда и разряда конденсатора, сравнения измеряемой частоты с образцовой, а также с помощью избирательных пассивных цепей.

Электронно-счетный метод заключается в счете числа, периодов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени электронным счетчиком, быстродействие которого ограничивает диапазон измеряемых частот 100...500 МГц. Большие частоты приходится преобразовывать, понижая их до указанных пределов. Цифровые измерители частоты позволяют получить относительную погрешность измерения частоты порядка 10 ^-11 и менее в. диапазоне до сотен гигагерц.

Метод заряда и разряда конденсатора состоит в измерении среднего значения тока заряда или разряда конденсатора, пропорционального частоте измеряемого колебания. Метод пригоден, для измерения частот до сотен килогерц с погрешностью порядка 1%.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой может производиться в широком диапазоне частот, включая СВЧ. Погрешность измерения зависит главным образом от погрешности определения образцовой частоты и может составлять до 10^-13.

Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей: резонансных контуров и резонаторов—сводится к настройке цепи в резонанс, значение измеряемой частоты считывается со шкалы элемента настройки. Погрешность измерения составляет до 10^-4.

Таким образом, наиболее точные результаты дают методы электронно-счетный и сравнения, что обусловлено наличием квантовых эталонов частоты, лучшие образцы которых характеризуются нестабильностью частоты до 10^-13. Например, водородные стандарты частоты, выпускаемые промышленностью, позволяют получить образцовые частоты с нестабильностью 5 … 10^-13 за сутки.

Проведение точных измерений требует знания не только номинального значения образцовой частоты, но и некоторых других параметров, характеризующих ее нестабильность.

10.3 Электронно-счетный метод измерения частоты

Электронно-счетный метод основан на счете числа импульсов неизвестной частотой повторения fx на известном стабильном по длительности интервале времени. Упрощенная структурная схема частотомера (рис. 8,2, а) подобна схеме измерителя временного интервала.

Частота кварцевого генератора выбирается равной n*10^k Гц, где k — целое число, а значение коэффициента деления n бывает кратным десяти. Поэтому число зафиксированных счетчиком импульсов N соответствует значению измеряемой частоты в выбранных единицах. Значение f₀ считывается с отсчетного устройства прибора.

Измерение частоты путем заряда и разряда конденсатора

Этот метод положен в основу работы частотомера, схема которого показана на. рис. 8.4, а. Напряжение U_г с частотой f_x поступает на усилитель-ограничитель (рис. 8.4, б). Его выходное напряжение U₂, имеющее форму прямоугольных импульсов, воздействует на цепь, состоящую из конденсатора С и диодов Д1 и Д2. Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе Uс = U2- Постоянную времени заряда выбирают много меньшей половины периода входного напряжения. Среднее значение тока заряда конденсатора, проходящего через диод Д1 и магнитоэлектрический прибор,

пропорциональна частоте fx, поэтому шкалу магнитоэлектрического прибора градуируют в значениях измеряемой частоты.

Частотомеры рассмотренного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Этот диапазон частот перекрывается несколькими поддиапазонами с разными пределами измерений Переход с предела на предел достигается сменой емкости, которая выбирается такой, чтобы на предельных частотах поддиапазонов средний ток прибора был достаточным для отклонения стрелки на всю шкалу.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой

При этом методе измеряемая частота fx сравнивается о известной частотой f₀ генератора колебаний образцовой частоты. Перестраивая последний, добиваются выполнения равенства

где Δσp1 — погрешность сравнения частот.

Погрешность сравнения частот зависит от способа индикации равенства частот. В некоторых приборах для индикации равенства применяют смеситель и головные телефоны (рис. 8.5, а). Под действием колебаний образцовой и измеряемой частот в смесителе возникают колебания комбинационных частот вида mfx ±. nf₀, где m и n — целые числа. Если сигнал разностной частоты попадает в полосу пропускания головных телефонов, то оператор слышит тон этой частоты. Изменяя f₀ следует добиться наиболее низкого тона, который для различных типов головных телефонов составляет десятки герц.

Поскольку при измерениях частота неизвестна, то метод неоднозначен и до измерений необходимо знать приближенное значение f_x. Рассмотренный метод измерения частот иногда называют методом нулевых биений.

Измерения производят методом вилки. Погрешность сравнения при этом составляет 10...30 Гц.

10.4 Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей

Измерение этим способом сводится к настройке избирательной цепи на частоту сигнала. Частоту отсчитывают по положению элемента настройки. Такими цепями могут быть мостовые схемы и колебательные контуры. В настоящее время мостовые измерители частоты, область применения которых ограничена низкими частотами, полностью вытеснены приборами других типов. Практическое применение нашли лишь измерители частоты с использованием резонансного контура, называемые резонансными волномерами. Эти простые приборы охватывают частотный диапазон от сотен килогерц до сотен гигагерц. Упрощенная схема резонансного волномера с контуром показанa рис. 8.8. Напряжение неизвестной частоты fx через катушку связи Lсв подводится к контуру, состоящему из образцовых катушки L и переменного конденсатора С Настройка контура производится изменением емкости, Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения на части катушки. Значение измеренной частоты считывается со шкалы конденсатора.

Погрешность измерения частоты с помощью резонансных волномеров определяется следующими основными факторами: погрешностью градуировки, нестабильностью резонансной частоты колебательной системы, влиянием связи с генератором и индикатором, неточностью фиксации резонанса. Погрешность градуировки может быть большой, если появляются неисправности в механизме настройки, который имеет довольно сложную конструкцию. Эта погрешность возрастает вследствие износа деталей механизма, появления перекосов и люфтов.

За счет связи с индикатором и источником измеряемой частоты в резонатор вносятся активные и реактивные сопротивления. Рост активных потерь уменьшает добротность, а непостоянство вносимых реактивных сопротивлений приводит к смещению резонанса. Уменьшение погрешностей, обусловленных влиянием индикатора и источника сигнала, достигается уменьшением связи. Но при этом уменьшается подводимое к детектору напряжение и в схему после детектора приходится вводить усилители.