И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Для калибровки и проверки частотомеров используются источники высокостабильных эталонных частот, так называемые эталоны (стандарты) частоты, выполняемые в большинстве случаев на основе кварцевых генераторов.

Абсорбционный частотомер является самым простым прибором для измерения частоты. Принцип действия этого прибора иллюстрирует рис. 13.4.

Рис. 13.4. Принцип действия сорбционного частотомера

Приближение катушки частотомера к цепи, излучающей энергию в виде электромагнитной волны, вызывает возбуждение в резонансном контуре электродвижущей силы, которая достигает максимального значения при настройке этого контура в резонанс на измеряемой частоте. Перестройка контура осуществляется дискретно сменой или переключением катушек или плавно с помощью переменного конденсатора. Индикатором, обнаруживающим резонанс, является чаще всего магнитоэлектрический прибор с чувствительностью, соответствующей чувствительности полупроводникового диода. При максимальном отклонении стрелки прибора отсчет частоты осуществляется по шкале, расположенной на оси переменного конденсатора.

Прибор позволяет проводить измерения в широком диапазоне частот (5·104—1·108 Гц). Однако точность измерений невысока и составляет обычно 0,25—2 %.

В гетеродинном частотомере измеряемая частота fx определяется путем сравнения с эталонной частотой f0. Измерения осуществляют методом получения нулевых биений. На вход смесителя подаются одновременно два высокочастотных сигнала f0 и fx (рис. 13.5).

Если частоты f0 и fx близки по значению, то разностная частота на выходе смесителя может лежать в диапазоне звуковых частот, и ее будет слышно в наушниках. Измерение сводится к установлению равенства частот f0 = fx при нулевых биениях f0 — fx = 0, характеризующихся пропаданием звука в наушниках.

В гетеродинный частотомер обычно встраивают кварцевый калибратор, который позволяет контролировать шкалу генератора и значительно увеличивать точность измерения, лежащую в пределах 10-4—10-5

К недостаткам гетеродинного частотомера относится погрешность в определении частоты, следующая из получения нулевых биений из-за гармоник сигналов с частотами f0 и fx.

Рис. 13.5. Структурная схема гетеродинного частотомера

В настоящее время широко используется цифровое измерение частоты, которое обеспечивает быстроту и точность измерения. Частота как дискретная величина идеально подходит для измерения цифровым методом. Принцип действия цифрового частотомера основывается на подсчете импульсов за определенное время.

Структурная схема цифрового частотомера, действующего на принципе счета импульсов, сформированных из измеряемого колебания с частотой fx за стандартный временной интервал Тизм, представлена на рис. 13.6.

Рас 13.6. Структурная схема цифрового частотомера

Колебание, частота которого должна быть измерена, после усиления, если оно необходимо, превращается в последовательность импульсов с той же самой частотой fx. Внутренний эталон частоты (кварцевый генератор) совместно со схемами деления, которые одновременно обеспечивают регулировку частоты индикации, а также формирующей схемой генерирует последовательность эталонных импульсов fэт. Эталонные импульсы запускают схему управления, которой обычно является стробирующая схема. Задачей этой схемы является задание стандартного времени измерений Тизм, в течение которого вентиль открыт. Во время открывания вентиля на счетчик подаются импульсы с измеряемой частотой fx. Число подсчитанных импульсов за время Тизм указывает непосредственно на цифровых индикаторах счетчика значение измеряемой частоты fx в единицах частоты[30]. Частотомер также снабжен схемой сброса, которая перед отпиранием вентиля устанавливает счетчик в нулевое положение.

В настоящее время максимальная частота, измеряемая непосредственно с помощью счетчика, не превышает 250 МГц. Расширение частотного диапазона возможно путем использования на входе гетеродинных приставок, понижающих измеряемую частоту. Они позволяют расширить диапазон цифровых частотомеров до 1000 МГц.

Точность измерений с помощью цифрового частотомера составляет 10-5—10-8 и зависит от измеряемой частоты (чем меньше частота, тем ниже точность), а также времени измерения (чем оно дольше, тем выше точность).

Вольтметры, приборы для измерения напряжения, относятся к группе основных измерительных приборов. В настоящее время применяют вольтметры разных типов, которые отличаются входным сопротивлением, частотным диапазоном, типом индикатора и принципом работы.

В общем вольтметры можно разделить на неэлектронные (лишенные активных элементов, таких как электронные лампы или транзисторы) и электронные. Последние делятся на аналоговые, т. е. измеряющие непрерывным способом, и цифровые. Неточность аналоговых вольтметров составляет несколько процентов, а цифровых — на два порядка меньше.

Электронный вольтметр постоянного тока характеризуется очень высоким входным сопротивлением, около 107 Ом, поэтому он не нагружает измеряемую схему. Он состоит из усилителя постоянного тока и чувствительного магнитоэлектрического измерительного прибора — микроамперметра. Из многих схем достаточно широкое применение нашла схема, изображенная на рис. 13.7. Она содержит две лампы, потенциометр, включенный по мостовой схеме, и измерительный прибор, включенный между катодами обеих ламп. Измерительный прибор реагирует на разность токов обеих ламп, а его шкала прокалибрована непосредственно в вольтах.

Рис. 13.7. Схема лампового вольтметра

При отсутствии напряжения на входе прибора, когда к его входным зажимам не подключен источник постоянного напряжения, потенциометр устанавливается таким образом, чтобы стрелка измерительного прибора совпадала с нулем шкалы. Сетка одной из ламп заземлена, а измеряемое напряжение подается непосредственно на сетку второй лампы. Возникающая в результате разность токов обеих ламп пропорциональна входному, а отклонение стрелки прибора — измеряемому напряжению. Напряжение, требуемое для управления лампой, в нормальных условиях невелико, поэтому измеряемое напряжение подается на сетку лампы через делитель напряжения для того, чтобы уменьшить его до требуемого значения. Делитель напряжения снабжен переключателем, позволяющим менять коэффициент деления, т. е. диапазон измеряемых напряжений.

Да. Достаточно перед рассмотренной выше схемой использовать выпрямитель и соответствующим образом прокалибровать прибор, например в эффективных значениях. Тогда вольтметр постоянного тока пригоден и для измерения переменных напряжений.

Вольтметры с цифровым отсчетом служат прежде всего для измерения постоянного напряжения и обычно работают на принципе компенсации измеряемого напряжения с помощью эталонного напряжения. Из нескольких методов цифрового измерения напряжения самым простым является импульсно-временной метод. При использовании этого метода измерение напряжения осуществляется путем изменения его значения на определенный временной интервал, измеряемый на принципе счета импульсов. Структурная схема цифрового вольтметра, работающего на таком принципе, представлена на рис. 13.8, а.

Рис. 13.8. Цифровые измерения напряжения импульсно временным методом:

а — структурная схема; б — принцип действия

Основной составляющей частью является аналого-цифровой преобразователь, называемый в этом случае преобразователем напряжение — время. Преобразователь содержит измерительный компаратор, который сравнивает измеряемое напряжение Ux с линейно нарастающим эталонным напряжением Uэт, подводимым от специального генератора. В момент равенства напряжений Ux и Uэт на выходе схемы сравнения появляется импульс сравнения. Второй импульс сравнения появляется на выходе нулевого компаратора в момент перехода напряжения Uэт через нулевой уровень. Оба импульса открывают и закрывают вентиль, через который проходят образуемые генератором эталонных импульсов сформированные соответствующим образом узкие импульсы. Интервал времени между двумя импульсами сравнения является мерой величины Ux, а последовательность импульсов свидетельствует о знаке измеряемого напряжения. Число импульсов за время отпирания вентиля подбирается так, что напряжение непосредственно считывается по показаниям счетчика на цифровом индикаторе.