Частотомер, классификация и назначение

Особенностями резонансных частотомеров, применяемых для измерения высоких и сверхвысоких частот, являются простота конструкции, быстрота функционирования и однозначность результатов измерений; погрешность измерений составляет 0,1-3%.

Резонансный частотомер представляет собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с измеряемой частотой fx возбуждающих ее колебаний, которые поступают от исследуемого источника через элемент связи. Резонансная частота определяется по показаниям калиброванного органа настройки. Состояние резонанса фиксируется с помощью встроенного или внешнего индикатора.

Частотомеры, измеряющие частоты от 50 кГц до 100-200 МГц, выполняются в виде колебательного контура из элементов с сосредоточенными постоянными: катушки индуктивности L0 и конденсатора переменной емкости С0 (рис. 16). В контуре частотомера наводится Э.Д.С. измеряемой частоты fx, например за счет индуктивной связи с источником колебаний через катушку L0 или небольшую штыревую антенну, присоединяемую к гнезду Ан. При маломощном источнике связь с последним может быть емкостной через конденсатор связи Ссв (емкостью в несколько пикофарад) и проводник связи. Изменением емкости конденсатора С0 контур настраивают в резонанс с частотой fx по максимальным показаниям индикатора резонанса. При этом измеряемая частота fx, равная собственной частоте контура:

f0 = 1/(2π*(L0C0)0,5),

определяется по шкале конденсатора С0.

При фиксированной индуктивности L0 диапазон измеряемых частот ограничивается коэффициентом перекрытия под которым понимают отношение максимальной частоты настройки частотомера fм к наименьшей частоте fн при изменении емкости контура от начального значения Сн до максимального См. Начальная емкость контура Сн слагается из начальной емкости конденсатора С0, емкости монтажа и емкостей постоянных или подстроечных конденсаторов, включаемых в контур с целью получения требуемого коэффициента перекрытия или для других целей (рис. 17). При необходимости расширения диапазона измеряемых частот частотомер снабжается несколькими катушками различной индуктивности, сменными (рис. 16) или переключаемыми (рис. 17). В последнем случае неиспользуемые катушки (если они не экранированы) желательно замыкать накоротко во избежание отсасывания ими энергии из контура частотомера при частотах настройки, близких к собственным частотам этих катушек; при этом связь с источником колебаний осуществляют через гнездо связи Ан или посредством выносной катушки связи Lсв из одного или нескольких витков, подключаемой к контуру гибким высокочастотным кабелем (рис. 17).

Индикаторы резонанса позволяют фиксировать состояние резонанса по максимуму тока в контуре или максимуму напряжения на элементах контура. Индикаторы тока должны быть низкоомными, а индикаторы напряжения - высокоомными; тогда потери, вносимые ими в контур, не будут вызывать заметного притупления резонансной характеристики контура.

В качестве индикаторов тока иногда применяют термоэлектрические миллиамперметры с током полного отклонения до 10 мА, включаемые последовательно в контур частотомера (рис. 16); при эксплуатации такого частотомера следует весьма осторожно устанавливать связь с объектом измерений и не допускать перегрузки термоприбора при подходе к резонансу. Простейшим индикатором тока может служить миниатюрная лампочка накаливания Л; погрешность измерений при этом, естественно, возрастает.

В современных частотомерах чаще всего применяют индикаторы напряжения - высокочастотные вольтметры со стрелочными измерителями; они обеспечивают высокую точность индикации при хорошей стойкости к перегрузкам. Простейший такой индикатор (рис. 17, а) состоит из точечного диода Д и чувствительного магнитоэлектрического измерителя И, зашунтированного от высокочастотных составляющих выпрямленного тока конденсатором С2. Частотомер со стрелочным измерителем можно использовать в качестве индикатора напряженности поля при снятии диаграмм направленности передающих антенн.

Рис. 17. Схемы резонансных частотомеров с индикаторами напряжения и переключаемыми контурными катушками

Если исследуемые колебания являются модулированными, то индикатором может служить высокоомный телефон Тф (рис. 17, а). При этом резонанс отмечают по наибольшей громкости тона модулирующей частоты. Такой частотомер пригоден для слухового контроля качества работы радиотелефонных передатчиков.

Резонансные частотомеры характеризуются чувствительностью, т. е. минимальным значением подводимой к ним высокочастотной мощности, при котором обеспечивается четкая индикация резонанса; обычно оно находится в пределах 0,1-5 мВт, а при использовании лампочки накаливания возрастает до 0,1 Вт. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . С целью повышения чувствительности в индикатор резонанса иногда вводят (после детектора) транзисторный усилитель постоянного тока с большим входным сопротивлением; простейшая схема такого усилителя показана на рис. 17, б.

На сверхвысоких частотах контуры из элементов с сосредоточенными постоянными становятся малоэффективными из-за резкого уменьшения их добротности. В диапазоне частот от 100 до 1000 МГц достаточно хорошие результаты достигаются в частотомерах с контурами смешанного типа, имеющими сосредоточенную емкость и распределенную индуктивность (рис. 18). В качестве элемента индуктивности L0 используется криволинейный отрезок (виток) посеребренной медной проволоки или трубки диаметром 2-5 мм. Переключатель В определяет поддиапазон измерений. Настройка частотомера производится изменением рабочей длины витка индуктивности L0 посредством поворотного контактного движка. Верхний предел измеряемых частот ограничивается значением емкости монтажа См. Связь с источником исследуемых колебаний осуществляется через виток связи L1.

Рис. 18. Схема резонансного частотомера с контуром смешанного типа

На рис. 19 приведена схема широкодиапазонного однопредельного частотомера с коэффициентом перекрытия в пределах 5-10; здесь элементом индуктивности контура является металлическая пластинка Пл, согнутая в дугу и соединенная со статором St конденсатора переменной емкости. По пластинке скользит движок, механически и электрически связанный с ротором Rot конденсатора. При повороте ротора одновременно увеличиваются (или уменьшаются) как емкость контура, так и его индуктивность. Такие частотомеры наряду с широким диапазоном измерений имеют довольно высокую добротность при малых габаритах. В диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн для измерения параметров электромагнитных колебаний применяются приборы, использующие колебательные системы с распределенными постоянными - отрезки линий передач и объемные резонаторы.

Рис. 19. Схема широкодиапазонного однопредельного резонансного частотомера СВЧ

Для повышения стабильности градуировочной характеристики элементы контура частотомера должны иметь прочную и жесткую конструкцию и изготовляться из материалов с малым температурным коэффициентом. Наибольшая погрешность, обусловленная влиянием внешних факторов, имеет место при измерении самых высоких частот каждого поддиапазона, когда емкость конденсатора С0 мала. Для снижения этой погрешности иногда увеличивают начальную емкость контура посредством включения параллельно конденсатору С0постоянного или подстроечного конденсатора (С1 на рис. 17, а). При этом уменьшается коэффициент перекрытия по частоте, что способствует снижению погрешности измерения частоты, но одновременно увеличивает число потребных поддиапазонов. Погрешность измерений также уменьшается, если управление органом настройки производить через верньерное устройство с замедлением в несколько десятков раз. В приборах промышленного изготовления рукоятку верньера часто снабжают шкалой, разбитой на 100 делений, а на основной - шкале органа настройки частотомера наносят деления, отмечающие число полных поворотов рукоятки верньера. При совместном использовании обеих шкал удается получить несколько тысяч отсчетных точек; соответствующие им частоты определяются с помощью таблиц или графиков.

Перестройка частотомера, возбуждаемого источником колебаний частоты fx, вызывает изменение тока в его контуре в соответствии с резонансной кривой последнего (рис. 20). Чем выше добротность контура, тем острее его резонансная кривая и тем меньше возможная ошибка при фиксации резонанса. Для достижения высокой добротности элементы контура должны иметь малые потери, а связь контура с индикатором резонанса и исследуемым источником должна быть возможно слабее.

Связь с индикатором можно уменьшить, применив, например, емкостный делитель напряжения (рис. 17, б) с отношением емкостей С2/С1 >> 1. Следует, однако, учитывать, что ослабление связи с контуром ведет к необходимости повышения чувствительности индикатора или усиления связи с исследуемым источником.

При использовании в частотомере прямочастотного конденсатора можно получить почти равномерную шкалу частот. Градуируют резонансные частотомеры при помощи образцовых гетеродинных частотомеров, а в диапазонах СВЧ для этого применяют измерительные линии. Приближенную градуировку можно выполнить, имея измерительный генератор или передатчик с плавным диапазоном частот.

Рис. 20. Резонансная характеристика резонансного частотомера

При измерениях частотомер или его элемент связи вносят в зону излучения исследуемого источника. Подбором их взаимного расположения устанавливают такую связь, чтобы при резонансе стрелка индикатора находилась примерно в середине его шкалы.

При малой чувствительности частотомера приходится усиливать связь с источником колебаний; это ведет к уплощению резонансной характеристики частотомера, что затрудняет точную фиксацию состояния резонанса. Для уменьшения возможной ошибки применяют способ двух отсчетов. После приближенной настройки частотомера в резонанс с измеряемой частотой fх изменением емкости С0 расстраивают контур сперва в одну, а затем в другую сторону от резонансной частоты до получения одного и того же показания индикатора (I1-2) примерно в пределах 50-70% резонансного значения Iм (рис. 20). Так как при этом используются крутые склоны резонансной кривой, то определить частоты настройки контура f1 и f2, соответствующие току можно с большой точностью. Измеряемая частота fх = (f1 + f2)/2.

Если исследуемые колебания несинусоидальны, то возможна настройка частотомера на одну из гармоник. При этом частотомер обнаружит настройку и на ряд других частот, кратных основной частоте колебаний. Последняя определится как самая низкая из ряда найденных резонансных частот.

Если Э.Д.С., наводимая в контуре частотомера, недостаточна для нормальной работы индикатора резонанса, то измерение можно выполнить способом реакции (поглощения, абсорбции): настройку в резонанс определяют по воздействию частотомера на режим генератора, от которого измерительный контур поглощает некоторую энергию. Между контурами генератора и частотомера устанавливают достаточно сильную связь и плавно изменяют настройку последнего. При резонансе постоянная составляющая анодного (или коллекторного) тока генератора достигает максимума, а постоянная составляющая тока управляющей сетки (или базы) резко падает, что может быть обнаружено при включении чувствительного измерителя постоянного тока в одну из указанных цепей. На частоту генерируемых колебаний частотомер не влияет, ибо при резонансе он вносит в контур генератора лишь активное сопротивление.

Резонансный частотомер является прибором пассивного действия, так как его работа основана на поглощении энергии источника измеряемой частоты. Поэтому он непригоден для непосредственного измерения частоты настройки радиоприемников и изолированных колебательных контуров. Однако несущую частоту радиостанции, на которую настроен приемник, можно измерить достаточно точно способом реакции. Для этого контур частотомера связывают с антенной цепью приемника посредством включаемой в эту цепь катушки связи или приближением к магнитной антенне. Настройку частотомера изменяют до получения резонанса, который обнаруживается по резкому спаду громкости звуковых сигналов, воспроизводимых приемником.

Гетеродинные частотомеры применяются для точных частотных измерений в плавном диапазоне высоких частот. В принципе гетеродинный частотомер отличается от кварцевого калибратора, выполненного по функциональной схеме на рис. 12, лишь тем, что вместо кварцевого генератора в нем используется гетеродин, т. е. маломощный генератор с плавно регулируемой частотой настройки. Наличие смесителя позволяет использовать прибор не только для градуировки частотных шкал радиоприемников, но и для измерения методом нулевых биений частоты генераторов. Индикация нулевых биений осуществляется телефонами, осциллографическими и электронно-световыми индикаторами, а также стрелочными измерителями.

Погрешность измерений гетеродинного частотомера в основном определяется стабильностью частоты гетеродина и погрешностью ее установки. Поэтому часто предпочитают гетеродины выполнять на электронных лампах. Повышению стабильности частоты способствуют правильный выбор схемы и конструкции гетеродина, применение в нем деталей с малым температурным коэффициентом, включение буферного каскада между гетеродином и выходными цепями, стабилизация напряжений питания, длительный прогрев прибора под током перед измерениями. Для повышения плавности регулировки и точности установки частоты управление конденсатором настройки гетеродина обычно осуществляют через верньерный механизм с большим замедлением (до 100-300 раз). Непосредственный отсчет частоты по шкале конденсатора переменной емкости производят лишь в самых простых конструкциях; в большинстве приборов шкала выполняется равномерной с очень большим числом делений (до нескольких тысяч), а отсчет по ней переводится в частоту при помощи таблиц или графиков.

С целью уменьшения числа частотных поддиапазонов и повышения устойчивости частоты гетеродины обычно работают в узком участке сравнительно невысоких частот (при коэффициенте перекрытия, равном двум), а для измерений используются как основные частоты генерируемых колебаний, так и ряд их гармоник; возникновение последних обеспечивается подбором режима работы гетеродина или буферного усилителя. Например, в частотомере широкого применения типа Ч4-1 с общим диапазоном измеряемых частот от 125 кГц до 20 МГц гетеродин имеет два плавных поддиапазона основных частот: 125-250 кГц и 2-4 МГц. На первом поддиапазоне при использовании первой, второй, четвертой и восьмой гармоник удается плавно перекрыть полосу частот 125-2000 кГц; на втором поддиапазоне при использовании первой, второй, четвертой и частично пятой гармоник перекрывается полоса частот 2-20 МГц. Таким образом, каждому положению ручки настройки гетеродина соответствуют три или четыре рабочие частоты, значения которых могут быть определены по градуировочной таблице. Например, измерение частот 175, 350, 700 и 1400 кГц производится при одной и той же настройке гетеродина на основную частоту fг = 175 кГц.

Многозначность частот настройки гетеродина создает возможность ошибки в установлении гармоники, с которой колебания измеряемой частоты fx создают биения. Поэтому, приступая к измерениям, необходимо знать приближенное значение частоты fx. Однако последнюю можно определить и расчетным путем при помощи самого гетеродинного частотомера.

Предположим, что при изменении настройки гетеродина получены нулевые биения с частотой fx при двух соседних значениях основных частот fг1 и fг2 одного и того же поддиапазона гетеродина. Очевидно, что частота fx является одновременно гармоникой обеих этих частот, т. е.

fx = n*fг1 = (n+1)*fг2.

где n и (n + 1) - номера гармоник соответственно для основных частот fг1 и fг2 (при fг2 < fг1).

Решая полученное равенство относительно n, находим

n = fг2/(fг1-fг2).

Следовательно, измеряемая частота

fx = n*fг1 = fг1*fг2 / (fг1-fг2).

Например, если нулевые биения получены при основных частотах fг1 ≈ 1650 кГц и fг2 ≈ 1500 кГц, то приближенно fx ≈ 1650*1500/(1650 - 1500) = 16500 кГц.

При измерении частоты следует остерегаться ошибки, обусловленной возможностью возникновения биений между колебаниями гетеродина и гармоникой измеряемой частоты; поэтому измерения следует проводить при слабой связи между частотомером и исследуемым генератором. Погрешность измерений возрастает и при воздействии на прибор модулированных колебаний; в этом случае биения с основной (несущей) частотой будут прослушиваться на шумовом фоне биений с боковыми частотами.

Гетеродинные частотомеры рассмотренного типа обеспечивают измерение высоких частот с погрешностью примерно 1%. Снижение погрешности измерений до 0,01% и менее достигается при дополнении частотомера кварцевым генератором, позволяющим перед началом измерений производить проверку и коррекцию шкалы гетеродина в ряде опорных точек.

Развернутая функциональная схема гетеродинного частотомера повышенной точности представлена на рис. 15. Гетеродин имеет два поддиапазона, подгонка которых осуществляется подстроечными конденсаторами С3 и С4. Частота основных колебаний задается прямочастотным конденсатором переменной емкости C1. Уровень входного (выходного) сигнала регулируется потенциометром R. Кварцевый генератор создает богатые гармониками колебания, основная частота которых часто берется равной 1 МГц. Выбор рода работы прибора производится без нарушения межкаскадных связей посредством включения или выключения питания отдельных компонентов. При установке переключателя В2 в положение 3 («Кварц») гетеродин выключен, а кварцевый генератор включен; при этом частотомер можно использовать как кварцевый калибратор для частотных измерений на гармониках генератора. В положении переключателя 1 («Гетеродин»), наоборот, кварцевый генератор выключен, а гетеродин включен. Это нормальный режим работы частотомера.

Рис. 15. Функциональная схема гетеродинного частотомера повышенной точности

Проверка шкалы частот гетеродина производится при установке переключателя В2 в положение 2 («Проверка»), когда одновременно включены и гетеродин, и генератор, колебания которых подводятся к детектору. При определенном соотношении частот или гармоник этих колебаний возникают звуковые биения, частота которых определяется формулой

F = |m*fг - n*fк|,

где fг и fк - основные частоты соответственно гетеродина и кварцевого генератора, а m и n - целые числа, отвечающие номерам взаимодействующих гармоник.

Частота биений оказывается равной нулю (F = 0) для ряда частот диапазона гетеродина, удовлетворяющих условию

fг =(n/m)*fк.

Эти частоты называются опорными и специально выделяются в градуировочных таблицах. Найдем для примера опорные частоты (f0) диапазона гетеродина 2000-4000 кГц, если основная частота кварцевого генератора fк = 1000 кГц:

при m = 1 и n = 2, 3 и 4 f0 = 2000, 3000 и 4000 кГц; при m = 2 и n = 5 и 7 f0 = 2500 и 3500 кГц;

при m = 3 и n = 7, 8, 10 и 11 f0 = 2333, 2667, 3333 и 3667 кГц и т. д.

Следует учитывать, что с возрастанием номеров взаимодействующих гармоник амплитуда биений уменьшается.

Если градуировка шкалы гетеродина нарушена, то при установке его ручки настройки на одну из опорных частот и включении кварцевого генератора вместо нулевых биений создаются колебания звуковой частоты, которые после усиления прослушиваются в телефонах Тф. Для коррекции (калибровки) служит конденсатор С2 небольшой емкости, включенный параллельно основному конденсатору настройки С1: с его помощью перед началом измерений добиваются нулевых биений в ближайшей к измеряемой частоте опорной точке.

Порядок настройки гетеродинного частотомера рассмотрим на следующем примере. Предположим, что требуется проверить правильность шкалы передатчика на частоте 10700 кГц. Обращаясь к градуировочной таблице частотомера, находим, что этой частоте соответствует основная частота 10700/4 = 2675 кГц. По таблице или шкале основных точек определяем, что ближайшая опорная частота равна 2667 кГц. Тогда по шкале конденсатора С1 устанавливаем частоту 2667 кГц и, поставив переключатель В2 в положение «Проверка» (2), корректором С2 добиваемся нулевых биений. Затем переключатель В2 ставим в положение «Гетеродин» (1) и, установив частоту гетеродина 2675 кГц, производим на этой частоте проверку шкалы передатчика.

При измерении неизвестной частоты fx калибровка шкалы гетеродина производится в опорной точке, ближайшей к предполагаемому значению этой частоты, а затем в режиме измерения устанавливают нулевые биения регулировкой частоты гетеродина.

При калибровке шкалы гетеродина, а также при измерении частоты генераторов модулятор должен быть выключен; при измерении частоты настройки приемников не нужен низкочастотный узел прибора. Для выключения неиспользуемых компонентов частотомера служит переключатель В3.

Гетеродинные частотомеры различных типов промышленного изготовления в совокупности перекрывают полосу измеряемых частот от 100 кГц до 80 ГГц при погрешности измерений в пределах +-(5*10-4...5*10-6). При очень высоких частотах получить нулевые биения трудно. Поэтому в частотомерах СВЧ иногда в качестве индикатора используют низкочастотный частотомер (например, емкостный); по нему определяют разностную частоту биений F, на размер которой вносится поправка в результаты измерений.

Очень малая погрешность измерений в весьма широком диапазоне частот (от низких до сверхвысоких) достигается при сочетании двух частотомеров: гетеродинного и электронно-счетного. Последний, помимо самостоятельного использования в присущем ему диапазоне частот, может быть применен для точного измерения частоты настройки гетеродина при достижении нулевых биений; при этом оказываются излишними кварцевый генератор, градуировочные таблицы и графики.

Конденсаторные частотомеры, реализующие метод заряда и разряда образцового конденсатора, так же относятся к группе Ч4-. Принцип работы заключается в измерении тока конденсатора, переменно переключаемого с заряда на заряд с частотой измерений (рис.41).

Конденсатор С0 с помощью ключа (положение1) заряжается от источника GB через токоограничивающий резистор R до напряжения U1 и разряжается через магнитоэлектрический прибор (положение 2) до U2 .

рис 41

Следовательно, количество электричества подводимое к конденсатору и отдаваемое прибору за один такт переключения , где D

U=U₁-U₂ . Если частота переключений за 1 секунду равна f_x , то , т.е. ток протекающий через прибор прямо пропорционален f_x .

Частотомеры этого типа используются на частотах 10-10⁶ Гц и обеспечивают погрешность 2-3%. Для увеличения точности измерений в частотомеры встраиваются калибровочные генераторы образцовой частоты. В качестве примера можно привести частотомер Ч4-7.