Файл: Шумилин Н.П. Специальные измерения в проводной связи учебник.pdf

Г Л А В А ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

11.1. Общие сведения

При эксплуатации средств связи частоту элек­ трических колебаний приходится контролировать в весь­ ма широком диапазоне и во многих случаях с весьма высокой точностью (до тысячных долей процента и да­ лее более). В зависимости от того, контролируются ли

виду требуемую точность, в технике проводной связи выбираются те или другие способы измерений частоты. В некоторых случаях точному измерению частоты пред­ шествует ориентировочное ее определение.

К числу используемых способов непосредственного ■ измерения частоты относятся: измерения с помощью мо­ ста, с помощью интегрирующего конденсатора, резонанс­ ным методом и с использованием цифровых приборов. Весьма употребительны и способы сопоставления (срав­ нения) частот: осциллографический, метод нулевых бие­ ний и метод акустических биений.

Мостовые способы измерения частоты основаны на том, что в условие равновесия моста переменного тока, содержащего реактивные сопротивления, всегда входит частота, определяющая величину последних. Таким об­ разом, если известны величины L, С и R в плечах моста, то, уравновесив мост, можно рассчитать (а при опреде­ ленной схеме определить непосредственно) частоту то­ ка, поступившего от источника в генераторную диаго­ наль (задача № 160). В настоящее время эти способы применяются редко.

228

11.2. Конденсаторный (интегрирующий) частотомер

Упрощенная схема использования заряда и разряда 'конденсатора для определения частоты 'проте­ кающего тока представлена на рис. 11.1. В этой схеме

ля, включенного в сеть промышленного тока, и поддер­ живается постоянным с помощью стабилизатора. По­ стоянство же напряжения U2, до которого конденсатор разряжается, обеспечено наличием диода Д 2. Если на­ пряжение на конденсаторе упадет ниже U2, то он сра­ зу подзарядится через этот диод.

Подобные частотомеры (ИЧ-6; 43-7) применяются для частот от 0,01 до 500 кГц; погрешность их 1—2%. Для достаточно низких частот (100 Гц) переключатель с заряда на разряд может быть электромеханическим; при слишком высоких частотах ошибка измерений силь­

2 2 9

но возрастает, так как конденсатор не успевает заря­ диться; если же его емкость взять весьма малой, то ска­ жутся паразитные емкостные связи.

Конденсаторные частотомеры, как правило, содер­ жат в себе калибровочный генератор (обычно с частотой 10 кГц), по которому производится корректировка по­ казаний частотомера перед включением его для изме­ рений.

11.3. Резонансные методы измерения частоты

На рис. 11.2 представлена схема резонансно­ го моста. Нетрудно убедиться, что при равновесии мо­ ста

Стало быть, для определенной величины индуктивности L значения емкости С определят частоту тока, питаю­ щего мост.

Аналогично работает резонансный волномер, исполь­ зуемый для измерения частот порядка сотен и тысяч ки-

JlA

Рис. 11.3. Схема резонансно­ резонансного мос­ го волномера та

логерц (рис. 11.3). Он состоит из конденсатора перемен­ ной емкости с большим числом отсчетных точек (поряд­ ка тысяч), набора образцовых катушек (Ly, Ьъ L3) и микроамперметра термоэлектрической системы (вклю­ чаемого с соответствующими шунтами).

При некоторой индуктивной связи катушки Ly с це­ пью, в которой циркулируют токи измеряемой частоты fx (чтобы не повредить термоприбор, связь, как прави­ ло, должна быть слабой), в катушке Ly возникает эдс индукции с той же частотой fx. Если, меняя емкость С, добиться, чтобы ток, показываемый микроамперметром,

230

ймёл максимальное значение, то можно утверждать, что при этом действительна ф-ла (11.2). Для значений ем­ кости С (и каждой из катушек) составляют градуиро­ вочные таблицы, по которым и определяют- (в случае надобности с помощью интерполяции) величину часто­ ты fx. Погрешность таких измерений зависит от доброт­ ности контура и чувствительности индикатора и нахо­ дится в пределах 10~3-М0~5.

11.4. Цифровые частотомеры

Развитие электронносчетной техники привело к широкому использованию ее и для измерений часто­

в отсчете электронным счетчиком за строго определен­ ный промежуток времени («временные ворота») числа импульсов, следующих друг за другом с измеряемой ча­ стотой fx.

Синусоидальный сигнал, частота которого fx измеря­ ется, поступает на вход А прибора. В формирующем устройстве (состоящем, например, из усилителя-ограни­ чителя, преобразующего сигнал в прямоугольные им­ пульсы с крутыми фронтами, дифференцирующей це­ почки и одностороннего ограничителя) синусоидальный сигнал превращается в последовательность однополяр­ ных импульсов, частота следования которых равна fx. Эти импульсы подаются на вход I временного селекто­ ра. Его работа состоит в том, что он пропускает посту­ пившие на вход I импульсы в счетчик только в тот про-

231

Межуток времени («временные ворота»), когда на его вход II подан так называемый стробирующий импульс из управляющего устройства. Длительность стробирую­ щего импульса (обусловливающая ширину «временных ворот») определяется датчиком калиброванных отрез­ ков времени, воздействующим на управляющее устрой­ ство (в положении / ключа). Электронный счетчик под­ считывает количество импульсов частоты fx, попавших во «временные ворота», и с помощью цифрового инди­ катора показывает значение частоты fx.

Погрешность измерений определится погрешностью дискретного отсчета (на ±1) и погрешностью «времен­ ных ворот». Чтобы последняя получалась возможно меньшей, калиброванные отрезки времени образуются за счет действия высокоточного генератора с кварцевой стабилизацией КГ и прецизионных делителей частоты, дающих возможность менять ширину «временных во­ рот» в зависимости от величины f x. Для каждой шири­ ны этих ворот определение частоты по показаниям циф­ рового индикатора связано с умножением (делением) цифрового отсчета, обычно на числа, кратные десяти.

Погрешность дискретности (±1) для низких частот относительно велика. Поэтому в цифровых частотоме­

щем устройстве образуется стробирующий импульс дли­ тельностью Тх, который и подается на вход II времен­ ного селектора. В то же время (при положении Т клю­ ча) на формирующее устройство канала А поступают колебания с выхода умножителя частоты /кг вырабаты­ ваемой кварцевым генератором. Из них формируются короткие импульсы с частотой следования, определяе­ мой величиной /кг и положением умножителя. Эти им­ пульсы подсчитываются счетчиком в течение длитель­ ности стробирующего импульса, равной Тх, что дает воз­ можность определить значение Тх по числу отсчитанных импульсов.

Погрешность дискретности (±один импульс) отно­ сительно мала, если в промежутке Тх отсчитано доста­ точно большое число импульсов (ІО4; ІО5).

2 3 2

Цифровые частотомеры точны, удобны в эксплуата­ ции и постепенно вытесняют другие способы непосред­ ственного измерения частоты, но ввиду сложности схе­ мы они пока довольно дороги. Их погрешность может быть доведена до Ю-7, а пределы измерений от долей герца до тысяч мегагерц.

11.5. Методы сопоставления частот

Если иметь генератор образцовой частоты /0с достаточно малой погрешностью, то можно измерить не­ известную частоту /изм с примерно такой же погрешно­ стью путем сравнения частот ,/0 и /взм. Широко распро­ странен и удобен способ сопоставления частот с помо­ щью осциллографа (рис. 11.5).

а на вход — другую (чаще образцовую — f0). Тогда для отношений, выражающихся простыми дробями, на экране образуются (см. рис. 9.9) так называемые фигу­ ры Лиссажу (интерференционные), по которым легко находится соотношение частот fy/fx и, стало быть, вели­

чина /изм/fo Простейшие фигуры приведены на рис. 9.17 и 11.12. Общее правило нахождения соотношения fylfx состоит в определении величины mfn, где т — число пе­ ресечений образовавшейся фигуры прямой, параллель­ ной оси X , а п — число пересечений той же фигуры пря­

Число вращений фигуры в секунду определяет откло­ нение от этого соотношения.

233