40. Аналоговые методы измерения частоты: способ нулевых биений, гетеродинные частотомеры.

2

f_б ,Гц

.1.1.2. Способ нулевых биений применяют для измерения высоких частот. Два напряжения: u₁ = U₁cosω₁t и u₂ = U₂cosω₂t – подают на нелинейный элемент – смеситель. На выходе смесителя появляется напряжение многих частот: n·f₁ , m·f₂ – гармонические составляющие и (n·f₁ ± m·f₂) – комбинационные составляющие. В числе комбинационных частот имеется разность частот первых гармоник, которая называется частотой биений f_б = | f₁ – f₂ |. Если частоты f₁ и f₂ равны друг другу, то частота биений равна нулю, поэтому способ измерения двух частот с помощью биений называют способом нулевых биений. Схема измерения частоты способом нулевых биений представлена на рис.4,а.

(пояснение к рис.4,б см.Атам.стр.262 )

Напряжение образцовой f₂ и измеряемой f₁ частот подают на вход смесителя. На его выходе включают индикатор частоты биений, в качестве которого можно исполь-зовать головной телефон. Если плавно изменять образцовую частоту, то при частоте биений ниже 20 кГц ( f_б = ‌ f₁ –f₂ ‌ < 20 кГц ) в телефоне будет слышен тон разностной частоты, понижающийся по мере приближения образцовой частоты f₂ к измеряемой частоте f₁ .На рис.4,б показано изменение частоты биений f_б в зависимости от изменения образцовой частоты f₂ при неизменной измеряемой частоте f_1. В точке “а“ частота биений равна нулю и значение измеряемой частоты совпадает со значением образцовой. Однако определить момент, когда f₁ = f₂, по отсутствию тона в телефоне нельзя, поскольку человеческое ухо не реагирует на частоты ниже 16 Гц. Появляется зона “нулевых биений ”, приводящая к абсолютной погрешности до 32 Гц. Для уменьшения погрешности можно воспользоваться в качестве индикатора магнитоэлектрическим миллиамперметром. При частоте биений, меньшей 10Гц, стрелка прибора колеблется с частотой биений и при f₁ = f₂ останавливается на нуле. Хорошие результаты можно получить, применив для визуального наблюдения нулевых биений электронный осцил-лограф.

2 .1.1.3. Гетеродинные частотомеры работают по принципу нулевых биений. Измеряемая частота сравнивается с частотой калиброванного генератора (гетеродина), а нулевые биения фиксируются телефоном или другим индикатором. Измеряемая частота определяется по шкале генератора или по соответствующим таблицам. На рис.5 предста-влена структурная схема простейшего гетеродинного частотомера. Генератор с плавной настройкой изготавливается из высококачественных деталей, питание его стабили-зировано, и поэтому его выходное напряжение в пределах каждого поддиапазона имеет малую нестабильность частоты. Генератор настраивается конденсатором переменной емкости С_н, в котором пластины выполнены таким образом, что обеспечивают линейную зависимость изменения частоты от поворота ротора конденсатора. Это позволяет интер-полировать отсчеты между делениями шкалы настройки. Основным источником погрешности измерения частоты гетеродинным частотомером является нарушение градуировки шкалы конденсатора С_н (например, вследствие изменения температуры среды). Для восстановления градуировки в измерителе имеется источник опорного (образцовой) частоты – генератор с кварцевой стабилизацией. По этой частоте перед каждым измерением шкала настройки проверяется и с помощью подстроечного конденсатора С_к калибруется. Для такой калибровки напряжение генератора с кварцевой стабилизацией через ключ SA₁ и напряжение генератора с плавной настройкой подают на смеситель; шкала настройки при этом устанавливается на определенное значение, соответствующее опорной частоте f_кв. Если на выходе усилителя низкой частоты УНЧ слышны биения , нужно их свести к нулю с помощью конденсатора С_к.

Для расширения диапазона измеряемых частот используются высшие гармоники обоих генераторов, а для выбора необходимой гармоники гетеродинные частотомеры снабжаются градуировочными таблицами и графиками. Шкала настройки частотомера обычно выполнена двух или трехступенчатой и снабжена вареньерным устройством для плавной регулировки, что позволяет получить большое число отсчетных точек.

После калибровки приступают к измерению неизвестной частоты f_x. Для этого отключают кварцевый генератор и подключают к смесителю источник измеряемого напряжения с частготой f_x.

Гетеродинные частотомеры позволяют производить измерения с высокой точностью, нотребуют квалификации и внимания оператора.