Осциллографические измерители временных интервалов позволяют производить измерения с абсолютной погрешностью до 1 не. Один из основных недостатков приборов такого типа - невозможность их использования в автоматизированных системах из-за необходимости визуально отсчитывать результат.

Пример 9.5. Оценим погрешность измерений временного интервала 7,= = 116,46 мкс, если шаг дискретизации регулируемой задержки 7о= 100 не, предел погрешности измерений интервала 7зр составляет 10 % от измеренного значения, а погрешность из-за неконтролируемых задержек не превышает 1 не. Предельное значение относительной нестабильности частоты генератора счетных импульсов б„,= 10-.

Поскольку составляющие погрешностей заданы допускаемыми пределами, общую погрешность оценим согласно (3.33).

Предельная погрешность измерений временного интервала

где Д„тз и Дптзр - допускаемые пределы погрещностей 7, и 7зр, а Дпнз - допускаемый предел погрешности из-за неконтролируемых задержек.

Погрешность измерений регулируемой задержки А„з/7з = бп;= 10, откуда Дптз = 0,01 не. В данном случае шаг дискретизации задержки 7о=100 не, поэтому с помощью ЭЛТ измеряют малые интервалы 7зр = 46 не. Погрещность А„тзр = = 10--7зр = 4,6 НС.

Общая предельная погрешность Дп„ = (0,01--4,б+1) =4,7 не.

Заметим, что погрешность из-за неконтролируемых задержек имеет преимущественно систематический характер и может быть существенно уменьшена при калибровке прибора. В этом случае будет доминировать погрешность измерений с помощью ЭЛТ. Уменьшить ее абсолютное значение можно путем уменьшения шага дискретизации.

9.8. АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ

Сушествуют два основных аналоговых метода: резонансный и сравнения. При резонансном методе колебательный контур, слабо связанный с источником колебаний, настраивают в резонанс на их частоту. О резонансе судят по максимуму напряжения на реактивном элементе контура, частоту определяют по шкале элемента настройки, например конденсатора переменной емкости. Резонансные частотомеры находят ограниченное применение главным образом как встроенные приборы в генераторах СВЧ..

Метод сравнения. Измеряемую частоту сравнивают с образцовой /о, воспроизводимой генератором. Его перестройкой добиваются вьшолнения равенства / = /0 -Лср, где Лср - погрешность сравнения частот. Переходя к погрешностям и учитывая, что Лср</о, получаем б/д: = б/о -Аср о. Здесь первое слагаемое определяется погрешностью воспроизведения частоты /о с помошью ге-

7 Зак. 1898 193

нератора образцовых частот. Погрешность сравнения Дер зависит от способа индикации равенства частот.

В простейшем случае для индикации равенства используют смеситель и головные телефоны. Под действием колебаний образцовой и измеряемой частот на выходе смесителя возникают колебания комбинационных частот вида mfoztifx, где тип - целые числа. Если сигнал разностной частоты попадает в полосу пропускания головных телефонов, то оператор слышит тон этой частоты. Перестраивая генератор, добиваются наиболее низкого тона Fn, который для различных типов головных телефонов составляет 20...100 Гц. Затем отсчитывают значение /ь по шкале генератора и рассчитывают измеряемую частоту fx = nfo/ni-\-Fn/m.

Поскольку при измерении значения ш и л не определяются, то метод неоднозначен и до измерений необходимо знать приближенное значение fx. Если измерения проводят на разностной частоте, то f,=zfo-{-F„.

Наименьшую погрешность сравнения получают, если колебания с частотами /о и fx сравнивают по фазе. Изменяя /о, устанавливают постоянную разность фаз ф = (а)о - ш)/ сравниваемых колебаний. При этом d(p/dt = 0 и а)х = а)о. Погрешность сравнения обусловлена возможными изменениями разности фаз за время измерений Т. Если из-за несовершенства фазометрической аппаратуры разность фаз Дф не будет зафиксирована, то это вызовет погрешность сравнения Дер = Д((1)-а)о) = Дф/Г.

В качестве индикатора разности фаз можно использовать любые фазометры с непрерывным режимом работы. Очень часто используют осциллограф, подводя исследуемые колебания к каналам горизонтального и вертикального отклонения. О постоянстве разности фаз судят по неподвижной фигуре Лиссажу. Метод позволяет сравнивать и сигналы с кратными или дробно-кратными частотами.

Для сравнения частот с высокой точностью, например при оценке нестабильности частот кварцевых генераторов, используют специальные приборы, называемые компараторами частот. В этих приборах о разности частот судят по изменению разности фаз, фиксируемому с помощью фазового детектора. Для повышения разрешающей способности в таких приборах входные частоты умножают в целое число раз. Более подробно вопрос построения фазометров с умножением частоты рассмотрен в гл. 10. Погрешность компараторов обусловлена нестабильностью фазовых сдвигов в умножителях частоты и смесителях, а также гармониками основной частоты в подводимых сигналах. Компараторы частот иногда используют вместе с приемниками образцовых частот, передаваемых по радиоканалам.

Погрешность б/п воспроизведения образцовой частоты зависит от свойств генератора. В простейшем случае для грубых измерений применяют генераторы стандартных сигналов с погрешно-

стью установки частоты 10"...Ю""*. Для уменьшения этой погрешности прибегают к калибровке шкалы генератора по известным стабильным частотам, например по гармоникам частоты кварцевого генератора.

Использование преобразования частот для расширения частотного диапазона электронно-счетных частотомеров. Как уже указывалось, предельная частота, измеряемая электронно-счетными частотомерами, зависит от быстродействия счетчиков и для выпускаемых промышленностью приборов не превышает 1... ...1,5 ГГц. Более высокие частоты до измерений снижают посредством их гетеродинного преобразования, используя гармонику кварцевого генератора. Таким образом диапазон измеряемых частот расширяют до десятков гигагерц.

Преобразование частоты по гармоникам частоты кварцевого генератора. Этот метод заключается в преобразовании частоты исследуемого колебания с помошью гетеродина, генерирующего колебания с образцовым дискретным спектром (рис. 9.20). Сигнал гетеродина формируют из напряжения образцовой частоты fo, поступающего к генератору гармоник G от цифрового частотомера. В генераторе входной сигнал усиливают и из него формируют последовательность коротких импульсов с частотой повторения nfo. При этом часто используют диоды с накоплением заряда, как и при формировании стробирующих импульсов в стробоскопическом осциллографе.

Одну из гармоник дискретного спектра выделяют узкополосным фильтром, который можно перестраивать в пределах всего диапазона измеряемых частот. Фильтр выполняют, например, на основе короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии с емкостью на разомкнутом конце. Изменяя длину линии, фильтр настраивают на гармонику nfo образцовой частоты. Настройку индицируют с помощью магнитоэлектрического прибора с детектором, подключенного к выходу УПЧ (на схеме детектор и прибор не показаны). По шкале фильтра определяют номер гармоники, частотомером измеряют промежуточную частоту и вычисляют результат измерений /х = /п + и/о.

Пример 9.6. Определим длительность импульсов генератора, а также полосу пропускания фильтра, необходимые для обеспечения измерений частоты в диапазоне 4... 12 ГГц, если образцовая частота /о =100 МГц.

fx/\fn / rtfo\