ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.06.2024
Просмотров: 126
Скачиваний: 1
н а п р я ж е н и я |
смещения UCM |
на |
неинвертирующем |
входе усилителя . |
||
П р и поступлении на вход устройства |
сигнала положительной по |
|||||
лярности на выходе входного усилителя |
появляется положительный |
|||||
потенциал. В момент, когда |
н а п р я ж е н и е на |
инвертирующем входе |
||||
усилителя |
А2 сравняется |
с |
напряжение м |
на |
неинвертирующем |
|
входе его, начинается переключение усилителя А2 из состояния положительного в состояние отрицательного насыщения . При этом фронт переключения оказывается весьма малой длительности, что
обусловлено |
положительной обратной связью, образованной ре |
||||||||||||
зисторами |
Ri |
и Rb. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Порог |
с р а б а т ы в а н и я |
£ / с р |
триггера |
Шмитта |
определяется соот |
||||||||
ношением: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U ^ U ^ |
+ |
l U o ^ - U n ) — ^ |
- |
, |
(3-23) |
||||
где |
t/omax — напряжение |
на |
выходе |
усилителя |
А2 |
при |
положитель |
||||||
ном |
насыщении . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Д л я порога |
отпускания |
L' 0 T n можно |
записать: |
|
|
|||||||
|
|
|
|
^ о п т = Uси |
+ |
(Uomin-Uси) |
|
^ |
- j |
V |
• |
( 3 - 2 4 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ 4 |
+ |
Kb |
|
|
где |
f/omm — н а п р я ж е н и е |
на |
выходе |
усилителя |
А2 |
при |
отрицатель |
||||||
ном |
насыщении . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Гистерезис триггера Шмитта равен разности: |
|
|
||||||||||
|
|
AU0 |
= U c p - U o n |
r |
= (U0 ш |
а х - U о m l l I ) |
|
. |
(3-25) |
||||
Достоинством схемы триггера Шмитта, построенной на диф ференциальном усилителе, является возможность независимо ре
гулировать пороги с р а б а т ы в а н и я |
Ucp |
и отпускания £ / О Т п, |
а |
тем са |
||||||
мым плавно изменять величину гистерезиса |
AU0- |
|
|
|
||||||
При измерении частоты или временных интервалов в присут |
||||||||||
ствии |
помех |
величина гистерезиса |
д о л ж н а |
быть |
выбрана |
такой, |
||||
чтобы |
м а к с и м а л ь н а я |
о ж и д а е м а я |
помеха |
не |
п р е в ы ш а л а |
его. |
||||
Д л я |
уменьшения |
влияния изменения |
температуры |
на |
пороги |
|||||
с р а б а т ы в а н и я |
и отпускания необходимо |
выполнять |
условие: |
|||||||
Схема формирующего устройства, приведенная на рис. 3-23, рас считана на положительные входные сигналы. Принципиально не трудно эту ж е схему преобразовать в формирующее устройство от рицательных сигналов. Д л я этого достаточно усилитель At вклю чить по схеме инвертирующего усилителя либо, не изменяя этой части устройства, изменить полярность смещения UCM в триггере Шмитта . В последнем случае изменится на положительную и по лярность выходного сигнала с формирующего устройства.
3-7. Источник образцовых частот и временных интервалов
В а ж н е й ш и м узлом цифровых частотомеров и измерителей вре
менных |
интервалов |
является источник образцовых частот и вре |
|
менных |
интервалов . |
Погрешность приборов в значительной сте |
|
пени определяется |
точностью |
и стабильностью этого источника. |
|
К а к |
правило, источник включает генератор фиксиров'анной об |
||
разцовой частоты и |
делители |
(умножители) частоты. Д л я обеспе |
|
чения высокой точности и стабильности частоты генератора, пос ледний стабилизируется кварцевым резонатором .
Кристаллический |
кварц |
представляет |
собой |
пьезоэлектрический |
||||||||
материал, |
который |
о б л а д а е т |
свойством |
взаимно |
преобразовывать |
|||||||
электрическую и механическую энер |
|
|
|
|||||||||
гии. Это означает, что электрический |
|
|
|
|||||||||
потенциал на кристалле вызывает ме |
|
|
|
|||||||||
ханическое напряжение, а приложен |
|
|
|
|||||||||
ная |
к |
кристаллу |
механическая |
сила |
|
|
|
|||||
создает |
электрический |
з а р я д . |
|
|
|
|
|
|||||
Если к в ы б р а н н ы м граням кри |
|
|
|
|||||||||
сталла п р и л о ж и т ь переменное напря |
|
|
|
|||||||||
жение, то в кварце возникают |
меха |
|
|
|
||||||||
нические |
колебания . |
Эти |
|
колебания |
|
|
|
|||||
изменяют |
поверхностный |
з а р я д |
на |
„ |
„ л . |
„ |
||||||
|
|
|
ґ |
|
|
, |
|
v |
|
Рис. 3-24. |
Кварцевый гене- |
|
кристалле, что может быть использо- |
|
|
ратор |
|||||||||
вано |
в |
качестве |
сигнала |
во |
внешней |
|
|
|
||||
электрической цепи. Соответствующим срезом и установкой кварца обеспечиваются условия резонанса, при которых оптимизируется
электромеханическая |
связь и минимизируется энергия, необходи |
|||
м а я д л я п о д д е р ж а н и я |
генерации. П р а в и л ь н ы е срезка |
и |
установка |
|
к в а р ц а обеспечивают |
минимизацию температурного коэффициента |
|||
резонансной |
частоты. |
И тем не менее для уменьшения |
влияния |
|
температуры |
на стабильность частоты образцового |
генератора |
||
в высокоточных частотомерах применяют термостабилизацию по следнего. П р и этом кварцевый резонатор вместе с электрической
схемой п о м е щ а ю т в термостат. В |
термостате автоматически |
под |
д е р ж и в а е т с я температура, обычно |
п р е в ы ш а ю щ а я предельную |
Тем |
пературу эксплуатации прибора. В результате влияние изменений температуры о к р у ж а ю щ е й среды на точность частоты оказывается пренебрежимо малым . Более серьезным является временной дрейф резонансной частоты кварцевого резонатора, вызываемый старе
нием кристалла . Н а |
величину |
этого д р е й ф а |
существенное влияние |
о к а з ы в а ю т чистота |
м а т е р и а л а |
кристалла, а |
т а к ж е технология из |
готовления резонатора . Величина нестабильности частоты кварце
вого резонатора |
задается в относительных единицах за определен |
||||
ный промежуток |
времени. |
|
|
||
Н а |
рис. |
3-24 |
представлена схема кварцевого генератора. |
Поло |
|
ж и т е л ь н а я |
о б р а т н а я связь осуществляется через кварцевый |
резо |
|||
натор |
КР |
к неинвертирующему |
входу дифференциального |
усили |
|
теля. |
Р а б о ч а я точка усилителя |
по постоянному току с помощью |
|||
р е з и с т о р ов Ri, Rz, подключенных к источнику отрицательног о сме щени я иСм, выбираетс я так, что генераци я происходит в линейной области без насыщени я усилителя . Этим наилучши м образо м обес
печиваются условия с а м о в о з б у ж д е н и я . |
|
Конденсатор Сі шунтирует резистор R2, чем убираетс я |
отрица |
тельна я о б р а т н а я связ ь на частоте генерации . Резистор R3 |
обеспе |
чивает нагрузк у дл я положительно й обратной связи и способствует стабилизаци и рабочей точки усилител я при колебания х темпера туры, дл я чего необходимо выполнить условие: ^3=^1^2/(^1 + ^2) • Необходимы й дл я цифрового частотомера набор образцовы х частот обеспечивается с помощь ю делителей и умножителе й ча стоты. Д л я делителей частоты обычно используются д е к а д н ы е триггерные счетчики либ о делители на счетных триггерах, коэф фициент деления которых з а д а е т с я выбором соответствующих сое
динений м е ж д у триггерами .
Д л я умножени я частоты, ка к правило , |
применяют |
резонансные |
||
усилители, настроенные на высшу ю гармонику |
(вторую |
или пя |
||
тую) . Пр и сочетании таких усилителей можн о |
получить |
умножи |
||
тел ь с коэффициентом умножения , равны м |
10. |
|
|
|
3-8. Некоторые вопросы конструирования |
цифровых |
частотомеров |
||
Цифровые частотомеры к настоящему времени |
прошли |
сложный |
путь разви |
|
тия от электронных ламп через дискретные полупроводниковые компоненты к ин тегральным схемам. Прц этом непрерывно улучшались и характеристики прибо ров и, прежде всего, такие, как диапазоны измеряемых частот и временных интервалов
В настоящее время наблюдается тенденция к расширению диапазона изме ряемых частот до десятков и сотен мегагерц без промежуточного преобразования. Одновременно очевидно стремление разработчиков повысить чувствительность приборов. Так, если до недавнего времени цифровой частотомер общего назна
чения |
(43-20, |
Ф-519) имел |
верхний предел по частоте |
1 Мгц |
и чувствительность |
|
100 мв, то в настоящее время такие приборы (43-22, |
Ф-571) |
имеют |
диапазон |
|||
частот |
порядка |
10—20 Мгц |
при чувствительности 100 мв, а зарубежные |
образцы |
||
имеют чувствительность 10—50 мв.
По мере расширения частотного диапазона при конструировании приборов возникает ряд новых проблем, не встречавшихся ранее. Рассмотрим некоторые из них
Первые трудности появляются |
при разработке входного |
устройства. Следует |
||||
отметить,' что |
в настоящее |
время |
входное |
сопротивление |
цифровых частотоме |
|
ров не превышает сотни килоом. |
С появлением дешевых полевых транзисторов |
|||||
этот параметр |
легко может |
быть |
улучшен |
по крайней |
мере |
на порядок. Но при |
этом входное |
устройство окажется чувствительным к |
помехам, особенно, если |
||||
учесть стремление снизить порог срабатывания входного устройства до 10-f-20 мв. Помехи можно уменьшить, используя экранированные входные кабели (от вход ного устройства). Однако экранирование подводящих проводников увеличивает входную емкость, которую при частотном диапазоне порядка десятков и сотен мегагерц желательно иметь как можно меньше. Входная емкость, кроме того, должна быть небольшой и для того, чтобы обеспечить совместное подключение цифрового частотомера с другими приборами (осциллограф, вольтметр) к иссле дуемому устройству, не нагружая его слишком большой емкостью. Решить эту проблему можно путем существенного уменьшения длины подводящих проводни ков. Это приводит к необходимости размещать входное устройство непосред ственно около входного разъема, т. е. на передней панели прибора. Но даже и в этом случае не будет исключено влияние помех на входное устройство. Исклю чить его можно экранированием всего входного устройства в целом.
Очень серьезные требования должны быть предъявлены к формирующему
устройству |
как по полосе |
частот, так и по общему коэффициенту усиления. Как |
||||||
показано |
в |
§ 4-1, для увеличения |
помехоустойчивости |
цифрового |
частотомера |
|||
(имеются |
в |
виду |
помехи, |
наложенные на сигнал) желательно, чтобы гистерезис |
||||
триггера |
Шмитта |
был как можно больше, что осуществимо при довольно высоком |
||||||
уровне срабатывания его |
(например, |
1 в). Тогда, если |
принять чувствительность |
|||||
прибора |
равной |
10 мвЬфф, |
(14 л ш а М п л . ) , потребуется |
входной усилитель с коэф |
||||
фициентом усиления не ниже 70. |
|
|
|
|
||||
Конструирование такого усилителя, построенного |
на |
дискретных |
компонентах, |
|||||
должно производиться с особой тщательностью, чтобы исключить возможные
паразитные связи, которые |
могут привести |
к самовозбуждению усилителя, либо |
к серьезным искажениям сигнала. Решение |
этой проблемы следует искать на |
|
пути создания интегрального |
формирующего |
устройства. |
Наличие в приборе цепей, по которым проходят высокочастотные сигналы, может привести к емкостным наводкам на соседние цепи, что нарушит правиль ное функционирование прибора. Поэтому желательно все высокочастотные цепи размещать отдельно от всей остальной схемы.
Цифровые частотомеры широкого назначения должны быть, с одной стороны, универсальными и многофункциональными, а с другой,— дешевыми. Представ ляется целесообразным использовать блочно-модульный принцип конструирования. При этом отдельные блоки должны выполнять определенные функции. Тогда
потребитель |
получит возможность с наименьшими затратами |
реализовать в при |
||
боре именно |
те функции, которые |
необходимы. |
|
|
Важнейшей особенностью современных цифровых частотомеров является ши |
||||
рокое использование в их конструкции интегральных схем. |
Весьма |
интенсивно |
||
внедряются |
интегральные схемы |
в частотомеры за рубежом |
[28]. |
Разработкой |
и изготовлением цифровых частотомеров с применением интегральных схем (ИС) занимаются свыше 40 фирм, из них 34 американские, 3 французские, 3 английские, одна японская и одна ФРГ . Всего выпускается свыше [ 50 моделей. В настоящее время фирмы «Бекмен Инструменте», «Монсанто», «Систрон Донер» (США) и ряд других выпускают частотомеры на интегральных схемах с верхними пределами
частоты 125, 500 Мгц и выше. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В частотомере модели 6155 фирмы «Бекмен |
Инструменте» применяется |
около |
||||||
70 сменных интегральных схем. Каждая схема |
вставляется в |
собственную |
панель |
|||||
без пайки. При выходе ИС из строя последняя |
просто заменяется другой. |
|
||||||
Среднее время наработки на отказ у |
приборов |
со сменными |
ИС |
примерно |
||||
на 30°/о меньше, чем у приборов с пайкой. Так, например, у частотомера |
модели |
|||||||
6155 это время |
составляет 39 000 ч, а у прибора модели 6148—61 000 ч. |
|
||||||
На сменных ИС выполнен счетчик модели CF-60K фирмы «Анадекс Инстру |
||||||||
менте инк.». |
|
|
|
|
|
|
|
|
Приборы фирмы «Бекмен Инструменте» на интегральных |
схемах |
имеют в 8— |
||||||
10 раз большие |
сроки службы по сравнению с |
частотомерами, выполненными на |
||||||
дискретных компонентах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Применение ИС позволило снизить стоимость приборов. Например, высоко |
||||||||
частотные частотомеры, которые в 1965 г. стоили 3500 долл., в настоящее |
время |
|||||||
стоят менее чем 1000 долл. Частотомер модели |
1191 |
фирмы |
«Дженерал |
Рейдио» |
||||
стоит 1300 долл., а выпускавшаяся модель в |
1967 |
г. на |
электронных |
лампах |
||||
стоила 3000 долл. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Намечается |
переход к использованию |
больших |
интегральных |
схем |
(БИС), |
|||
что позволит еще больше повысить надежность |
и уменьшить |
стоимость |
приборов. |
|||||
Примечательным является факт расширения функций, выполняемых цифровым частотомером. Так, в 1968 г. только одна фирма рекламировала прибор со встроен ным счетно-решающим устройством. В 1969 г. появилось несколько моделей цифровых частотомеров, которые снабжены таким устройством. Для автомати ческой работы таких приборов достаточно иметь всего одну программу, что яв ляется существенным преимуществом перед частотомерами с программным
управлением. |
|
|
|
|
В частотомере модели 5360А фирмы «Хьюлет-Паккард» благодаря |
встроен |
|||
ному вычислительному устройству обеспечена возможность измерения |
инфраниз- |
|||
ких частот |
(диапазон частот у прибора |
0,01 гц— 320 Мгц) с отсчетом |
в |
единицах |
частоты. |
Кроме того, предусмотрена |
возможность производить |
различную |
|
