Длительность импульса должна быть такой, чтобы ширина его спектра пре вышала верхнюю границу диапазона 12 ГГц. Поскольку эффективную ширину спектра можно оценить соотношением Д/эгк1/т„, то необходимая длительность импульса т„ = 1/12-105к0,08 не.

Полоса пропускания фильтра для выделения одной спектральной составляющей должна составлять не менее 100 МГц. Следовательно, добротность контура Q = 4-lOVlOO-10 = 40 на низшей частоте диапазона и Q = 12-lOVlOO-10*= 120 на высшей частоте.

Переносчик частоты. В переносчиках частоты для преобразования используют высшие гармоники генератора с плавной перестройкой (рис. 9.21). Исследуемое напряжение поступает на смеситель, к которому подведено напряжение генератора G. Генератор охвачен кольцом ФАПЧ. На фазовый детектор подают сигнал промежуточной частоты с выхода УПЧ и сигнал с частотой /о от цифрового частотомера. Сигнал ошибки с выхода фазового детектора после фильтрации в ФНЧ и усиления УПТ наступает на управляющий элемент генератора. В режиме удержания fx - = п/г + /о, откуда рассчитывают значение измеряемой частоты. Номер гармоники п определяют по результатам двух измерений. На основном канале преобразования fo = fx - nf, а на зеркальном fo = nfr - fx, откуда п = 2/оА/г -/г).

Погрешность измерений частоты определяется инструментальной погрешностью частотомера.

Выводы

Точные измерения временных параметров сигналов основаны на использовании образцовых отрезков времени, состоящих из целого числа периодов повторения счетных импульсов. Импульсы формируют из выходного напряжения кварцевого генератора с относительной нестабильностью частоты 10 "...10".

Наиболее употребительны цифровые методы измерений, основанные на счете числа импульсов, заполнивших определенный интервал. Временные интервалы и период повторения находят по числу заполнивших их счетных импульсов с известным периодом повторения. Частоту определяют по числу импульсов, сформированных из исследуемого напряжения и заполнивших образцовый интервал времени.

Цифровому методу свойственна погрешность дискретизации, предел которой равен периоду повторения счетных импульсов, заполнивших интервал. Минимальное значение периода повторения определяется быстродействием счетчиков и для выпускаемых промышленностью приборов составляет 2... 10 не. Предельная относительная погрешность дискретизации обратно пропорциональна числу импульсов, заполнивших интервал.

Если погрешность дискретизации доминирует, то ее уменьшение - основной путь повышения точности измерений. Погрешность дискретизации уменьшают проведением измерений с многократными наблюдениями, а также нониусным методом или аналоговыми методами расширения временных интервалов, например с помощью пилообразного напряжения.

Временные интервалы измеряют методом сравнения. Образцовая задержка обычно принимает дискретные значения, а измерения в пределах шага дискретизации производят с помощью ЭЛТ с калиброванной линейной разверткой.

Наибольшую точность воспроизведения заданной задержки с шагом дискретизации до 10 не получают на основе счета предварительно заданного числа импульсов, полученных от кварцевого генератора. Для уменьшения шага дискретизации применяют задержку на линиях передачи или на основе пилообразного напряжения.

Измерение частоты методом сравнения с частотой перестраиваемого генератора используют для грубых измерений. Для точных измерений малых уходов частоты образцовых генераторов прибегают к фазовому методу определения малых изменений частоты.

Диапазон измерений цифровых частотомеров расширяют, уменьшая измеряемую частоту путем ее гетеродинного преобразования. Частоту гетеродина синхронизируют с образцовой частотой кварцевого генератора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуют частоту образцового генератора и как эти параметры определить экспериментально? Влияние какого параметра доминирует?

2. Постройте временные диаграммы, характеризующие работу цифрового частотомера в режиме непосредственного измерения частоты и измерения периода. Чем отличаются эти режимы?

3. Перечислите источники погрешностей при измерениях временных интервалов. Какие составляющие носят случайный характер и каким образом их уменьшают? Как оценивают допускаемый предел общей погрешности?

4. Опишите методику расчета шумовой погрешности при измерениях временных интервалов. Как влияет на погрешность скорость нарастания напряжения на входе формирующего устройства? Как учитывают систематические составляющие?

5. Поясните, зачем при измерениях временных интервалов с многократными наблюдениями интервал ti модулируют. Каким должен быть закон модуляции?

6. В чем заключается нониусный метод? Из каких соображений выбирают длительность импульсов и шаг нониуса? Как следует проводить обработку измерений при совпадении нескольких импульсов?

7. Опишите действие аналогового расширителя временных интервалов с пилообразным напряжением. Назовите источники погрешностей. Каким образом осу-

[цествляют калибровку интерполятора в измерителе временных интервалов? Почему расширяют интервалы Tq...2To?

8. Почему при отсутствии шумов во входном сигнале наименьшая относительная погрешность дискретизации получается при измерении частоты косвенным методом по периоду повторения? Время наблюдений фиксировано. Как влияют шумы на справедливость полученного вывода?

9. Постройте временные диаграммы для микропроцессорного частотомера (см. рис. 9.14, а). От чего зависит абсолютная и относительная погрешности дискретизации? Из каких сображений выбирают интервал 7"„i и какие требования предъявляют к его стабильности?

10. Каким образом создают задержку на основе счетных импульсов? Как устраняют влияние непостоянства запаздывания сигнала в логических элементах? Оцените временную нестабильность воспроизводимого интервала и шаг дискретизации.

11. Как создают задержку с помощью линий передачи? Постройте схему для создания задержки до 10 не с шагом дискретизации 1 не из минимального числа отрезков коаксиального кабеля.

12. Опишите устройства задержки с пилообразным напряжением. В каких случаях такие устройства применяют?

13. Перечислите аналоговые методы измерений частоты. Чем определяется погрешность резонансных частотомеров? Качественно поясните зависимость погрешности от добротности.

ЗАДАЧИ

I. Частота генератора, выраженная в герцах, изменяется по закону f{t) = = lO-f 10-/--Af((), где Д/(/)-эргодический случайный процесс. Определите долговременную нестабильность при 7"= 100 с и 7"=1 г.

, 2. Показания цифрового измерителя временных интервалов 212,6 мкс. Рассчитайте предел допускаемой погрешности и запишите результат измерений, если долговременная относительная нестабильность частоты кварцевого генератора не превышает 10"", частота повторения счетных импульсов /(i=10 МГц. Измеряемый сигнал имеет форму равнобедренной трапеции с длительностями фронта и спала 0,1 мкс.

3. Показания измерителя временных интервалов 328,3 мкс. Определите систематическую погрешность и СКО случайной погрешности, если измерялась длительность импульсного сигнала в форме равнобедренной трапеции с амплитудой L„, = 10 В и длительностью фронта и спада Тф=10 мкс. Среднее квадратическое отклонение шума входного сигнала о = 0,1 В, уровни формирования одинаковы и составляют 5 В. К моменту измерений относительная нестабильность частоты /(1=10 МГц кварцевого генератора составляет 10". Шумовые погрешности в начале и конце импульса можно считать статистически независимыми. Запишите результат измерений для Рд =0,95, считая погрешность подчиненной гауссовскому закону.

4. Измерителем временных интервалов измерена длительность косинусои-дального импульса с амплитудой 10 В. Показание прибора 3,61 мкс, /(i=100 МГц. Уровни формирования составляют 5 В, а их допускаемые отклонения независимы и равны ±0,1 В, долговременная относительная нестабильность частоты не пре-