Файл: Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник].pdf

Частотомеры с косвенным измерением

Частотомер с косвенным измерением вырабатывает напряжение постоянного тока, пропорциональное часто­ те входного сигнала. В отличие от частотомера, который осуществляет дискретный подсчет числа периодов часто­ ты входного сигнала, этот частотомер реагирует на мгно­ венный спектр входного сигнала.

В некоторых типах частотомеров основным элемен­ том является дискриминатор частоты. Дискриминаторы частоты могут применяться как в радиолокационных станциях непрерывного излучения, так и в другой аппа­ ратуре для обеспечения автоподстройки различных гене­ раторов, в качестве частотных детекторов связных ЧМ приемников и т. д.

Двухконтурный дискриминатор частоты. На рис. 43

приведена схема двухконтурного дискриминатора часто-

Рис. 43. Схема двухконтурного дискриминатора частоты

ты. В нее входят два контура, настроенных на несколь­ ко отличающиеся одна от другой частоты. Контуры на­ гружены на два амплитудных детектора, нагрузки которых соединены так, что выходное напряжение про­ порционально разности токов диодов.

На рис. 44 пунктиром показаны зависимости выход­ ного напряжения от частоты входного сигнала каждого детектора (пунктиром) и дискриминатора в целом

91

(сплошная). Из рис. 44 видно, что дискриминатор по­ зволяет резко увеличить крутизну характеристики в ра­ бочем диапазоне частот, что невозможно получить от частотомера, описанного ранее.

s

Рис. 44. Частотная характеристика дискриминатора

Дискриминатор частоты позволяет применить также более точный и простой резонансный метод измерений, суть которого заключается в следующем.

При работе в пределах линейного участка характе­ ристики дискриминатора закон изменения его выходного напряжения точно соответствует закону изменения ча­ стоты входного сигнала. Поэтому если выходное напря­ жение подать на цепь, показанную на рис. 45, то на резисторе R0 выделится постоянная составляющая, про­ порциональная среднему значению частоты входного сигнала fro, а на контуре LC, настроенном на частоту модуляции FM, — первая гармоника переменной состав­ ляющей, пропорциональная размаху изменения частоты Afs . Это свойство дискриминатора частоты позволяет использовать его' в радиолокационных системах непре­ рывного излучения для преобразования данных о рас­ стоянии и скорости целей. Но это возможно только в том случае, если диапазон изменения частоты невелик. В про­ тивном случае выгоднее применить частотомер с непо­ средственным отсчетом.

По выходному напряжению частотного детектора можно определить отклонение частоты входного сигнала

92

от частоты, принятой за начало отсчета. Однако градуи­ ровку выходного напряжения можно осуществлять толь­ ко в том случае, если предусматривается эффективное ограничение сигнала до подачи его на частотный детек­ тор. Кроме того, если с выхода частотного детектора напряжение подается на усилитель постоянного тока, то

Рис. 45. Схема разделения выходного сигнала дискри­ минатора

в схеме возникают аппаратурные ошибки, вызываемые уходом начальных напряжений в усилителе постоянного тока. Этот недостаток отсутствует в модуляционном ча­ стотном детекторе, в котором отклонению частоты соот­ ветствует глубина амплитудной модуляции выходного напряжения.

Модуляционный частотный детектор. На рис. 46 при­ ведена структурная схема модуляционного детектора. Здесь на смеситель кроме входного сигнала подается напряжение с выхода дополнительного гетеродина, промодулированное частотой опорного напряжения по пря­ моугольному закону. С выхода смесителя напряжение подводится к резонансному контуру с частотой настрой­ ки, совпадающей с точкой, принятой за начало отсчета (/о). На выходе контура получается напряжение, промодулированное по амплитуде. Огибающая этих колеба­ ний (частота модуляции) выделяется амплитудным де­ тектором и после фильтрации поступает на усилитель низкой частоты. С выхода усилителя напряжение подает­ ся на фазовый детектор, куда также подводятся колеба-

93

ния опорного напряжения. На выходе фазового детек­ тора образуется напряжение постоянного тока, пропор­ циональное отклонению частоты сигнала. Знак этого отклонения определяется разностью фаз опорного напря­ жения и напряжения с выхода усилителя низкой часто­ ты, которая может иметь два дискретных значения 0 и 180°. Таким образом, в зависимости от того, в какую

Рис. 46. Структурная схема модуляционного детектора

сторону от опорной частоты / 0 отклонилась частота пре­ образованного сигнала, напряжение на выходе фазового детектора будет иметь разную полярность.

Разновидностью описанной схемы модуляционного детектора является схема, в которой вместо модуляции частоты сигнала применяется модуляция настройки ре­ зонансного контура с помощью, например, механиче­ ского перемещения мембраны контура объемного резо­ натора.

Недостатком схемы модуляционного детектора с фик­ сированной точкой отсчета является то, что он не позво­ ляет определять знак частоты Допплера. Если это необ­ ходимо, то удобнее применить частотный детектор нуле­ вых биений,

94

угол ф (как будет показано ниже, выгоднее всего, чтобы

напряжение частоты со0. Тогда при выделении напряже­ ний частоты биений вычитаются как частоты, так п фа­

(где Q = ©с — ш0 — частота биений).

Таким образом, разность фаз напряжений частоты биений на выходах смесителей изменяется на 2ф. Поэто­ му если ф = 90°, то эта разность изменяется на 180°. Сле­ довательно, по изменению полярности выходного напря­ жения фазового детектора можно судить о знаке часто­ ты Допплера.

Для определения величины скорости необходимо, чтобы напряжение на выходе фазового детектора изме­ нялось пропорционально частоте Допплера. Для этого достаточно, чтобы напряжение с выхода одного из сме­ сителей (на схеме первого) снималось с делителя, со­ стоящего из активного и реактивного сопротивлений

95

(в нашем случае применена индуктивность). Тогда ам­ плитуда этого напряжения зависит от частоты. С увели­ чением частоты реактивное сопротивление увеличивает­ ся, соответственно возрастает и амплитуда снимаемого напряжения.

Чтобы можно было выходное напряжение фазового детектора откалнбровать по частоте, после смесителей поставлены ограничители:

область измеряемых частот. Это обусловлено тем, что при малых отклонениях частоты сигнала снимаемое с индуктивности напряжение очень мало.

Частотомеры с компенсационным измерением и автоматическим отсчетом

На рис. 48 приведена структурная схема такого ча­ стотомера. По существу — это контур частотной автоподстропкп. На вход смесителя подаются напряжения сиг­ нала и гетеродина. С выхода смесителя напряжение

Рис. 48. Структурная схема частотомера с компенсационным изме­ рением

96

Генератор

пилообразного]

напряжения

Рис. 50. Структурная схема частотомера с компенсационным изме­ рением при сопровождении по точке минимума в спектре сигнала

Пока сигнал на выходе смесителя отсутствует, двига­ тель с помощью реле подключается к источнику постоян­ ного тока и вращает ротор конденсатора контура гете­ родина. Осуществляется поиск. Как только сигнал на выходе фильтра появился, он детектируется и напряже­ ние постоянного тока подается на реле, которое срабаты­ вает, подключая двигатель к фильтру частотного детек­ тора. Частотомер переходит в режим слежения. Угол поворота ротора конденсатора соответствует измеренной частоте.

Частотомер по минимуму в спектре отраженного сиг­ нала (рнс. 50), используемый в измерителях скорости,

98