Главная Промышленная автоматика.

АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КГ

13.1. Аппаратура для частотных измерений

Электронно-счетные частотомеры. Принцип нх работы основан на. измерении числа периодов колебаний за определенный интервал времени измерения, который, в свою очередь, задается высокостабильным генератором [134, 149, 27].

Если частоту высокостабильного генератора обозначим /о> а через п - значение коэффициента деления, то интервал времени измерения п о = пТд. Если за это время счетчик показал N периодов Т, то fx = l/T = = Nfo/n = N/Xcji.

При выполнении условия fo/n = 10*, где k - произвольное целое число, величина N будет соответствовать значению частоты в заданных единицах. Время счета (Тс, = пТо) обычно выбирается равным 1; 10; 100 мс или 1; 10 с.

Частотомер состоит из высокостабильного генератора, блока делителей частоты, формирующего устройства, временного селектора, электронного счетчика с запоминающим устройством, системой цифровой индикации. Относительная погрешиоеть измереиия б/ = Фкп.г + 1 Лч) = кв.г + Тх/пТо, где 6„в.г - относительная нестабильиость высокостабильного опорного генератора.

В качестве опорного генератора обычно применяется термостатированный кварцевый генератор с высокостабильным резонатором иа 5 МГц. работающий с колебаниями пятого порядка. Время прогрева прибора обычно 2 ч. Частотомеры имеют возможность корректировать частоту опорного генератора или работать от внешнего источника опорной частоты, обычно 5 МГц, в этом случае время готовности прибора ие превышает 1 мин. В осиовиом питание частотомеров осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В ± 10% и частотой 50 Гц. Многие приборы допускают работу от сети переменного тока 400 Гц. Современные электронно-счетные частотомеры позволяют измерять частоту в широком диапазоне частот от долей герца до 500 МГц, а с преобразователями - до 70 ГГц (табл. 13.1).

Точность измереиия может быть повышена использованием вы-сокостабильиого источника опорной частоты.

Частотомеры кроме измерения частоты позволяют измерять период колебаний, интервалы времени-, отношение частот. Например, частотомер 43-54 изменяет интервал времени в диапазоне от 0,1 до 10 мкс при внутренних частотах заполнения 10», 10*. 10, 10°, 10, 10» Гц.

Некоторые частотомеры позволяют делить частоту входного сигнала и выдавать сигналы стабильных частот. Например, частотомеры 43-38 и 43-54 могут делить входной сигнал до 2 МГц в 10, 10, 10» и 10* раз и выдавать частоты 0,1, 1, 10, 100 Гц; 1, 10, 100 кГц; 1, 5, 10, 50 МГц.

Стандарт частоты - прибор, предназначенный для воспроизведения высокостабильных частот и служит для проверки и калибровки измерителей частоты, а также для обеспечения высокой стабильности измерителей частоты. Стандарты частоты подразделяют-

о о. (-

ъс: а

со V

i S 1122228 Sx

о 2 < §

712 111222S ?3xl i 5 - - §

28- 0

T 2 i 1 i 1 1 10 2

-12 2222g

Oq-"" ir> to - xn g

-ril l-r2222g -x

°

& . X

To " T " T T 2<л *-гт т о о о о о о сч l: ю «Хх

- „ „ -

2 8 ; 7 7 Т Т

Til ! - 2 2 2 2 g - х

«1 а

к r; S eo. к

s go.- S S <"

s § 3. 2 &• i g..- .3 g-i



I I

J2 II 7

о I о -

1 I „

I о

• о

« I I

t 2 2 g 2

О .О

о СЧ lO

-со о

«о

I i 2 I I

о со

I 2 2

-

i i I I

I I I I I

ira - ..J.

2 о

111 г 2 2 2 ° §

- со со Ю ю - см"

со об -

XX о

X о, л а

3"

eg у

« "о

(О <

«

с S м *

ю -я 3

(-. о.


СЯ иа кварцевые и квантовые. В свою очередь, квантовые стандарты частоты могут быть как пассивные, так и активные [134, 153].

Рассмотрим вначале кварцевые стандарты частоты, т. е. стандарты в которых частота стабилизируется с помощью кварцевого резонатора.

В кварцевых стандартах частоты имеется опорный кварцевый генератор, использующий высокодобротиый кварцевый резонатор с добротностью более 2-10». Для повышения стабильности частот служит система АРА, поддерживающая весьма малую мощность рассеяния с высокой точностью. Кварцевый генератор с системой АРА и буферным каскадом помещается в термостатирующее устройство с точностью поддержания температуры менее 0,1° С. Для улучшения соотношения сигнал-шум используется узкополосиый кварцевый фильтр. Входные частоты стандартов частоты 5 МГц, I МГц и 100 кГц.

В стандартах частоты предусматривается возможность коррекции частоты. Питание стандартов частоты производится от сети переменного тока 220 В ± 10%.

Параметры кварцевых стандартов частоты 41-40 и 41-53 приведены в табл. 13.2. Стабильности частоты указаны после 24 ч прогрева. При меньшем времени прогрева стабильность частоты существенно хуже. Например, стабильность частоты стандарта частоты 41-53 за сутки равна ± 5.10~ после 2 ч прогрева и ± 2-10- после 8 ч прогрева.

Кварцевые стандарты частоты имеют малые габариты, мощность потребления и могут быть использованы для измерения частот кварцевых генераторов. Их недостатком являются необходимость длительного прогрева и малая долговременная стабильность частоты, обусловленная в основном старением кварцевого резонатора. Более высокостабильиы квантовые стандарты частоты (КСЧ).

Рассмотрим вначале пассивные КСЧ, принцип работы которых осиоваи на частотной автоподстройке кварцевого генератора по частоте квантового дискриминатора. Используются цезиевые и рубидиевые КСЧ (табл. 13.2).

Более высокие характеристики имеет рубидиевый стандарт частоты 41-50. Прибор 41-48 (его параметры, отличающиеся от прибора 41-50, приведены в таблице в круглых скобках) имеет дополиитель-ио часовой блок. В этих приборах можно Перестраивать частоту магнитным полем в Пределах ± 0,9-10-»; предусмотрено резервное питание, которое обеспечивает нормальную работу прогретого прибора в рабочих условиях в течение 30 мин. Относительная погрешность воспроизведения частоты от включения к включению ие более 5-10-".

Приборы допускают непрерывную круглосуточную эксплуатацию в рабочих условиях.

Наиболее высокую стабильность частоты имеют активные квантовые стандарты частоты. Принцип их работы также, как и у пассивных квантовых стандартов, основан иа стабильности частоты алектромагиитиого излучения атомов вещества при переходе из одного энергетического состояния в другое однако, в отличие от пассивных КСЧ, в активных КСЧ возбуждаются незатухающие колебания. Весьма высокую стабильность имеют активные водородные КСЧ.

Квантовый водородный генератор работает иа частоте 1420, 4 057 516 МГц. По сигналу водородного генератора происходит



" 3 н о н

I ;5

oil! - о о о

10 • • •

- со U2 -~

о о со

сч о

(М N « «

Т Т Т 7

о о о о

ю ю ю

00 о

о о о

I I

• to

о rt гН rt <-<

Т 7 7 7 i>

о о о о - .й. о

- - - - -00

- Ю Ю U2

1" ю

о о rt rt г4

I I I I

0000

- - Ю C4

I I

I I

- - C4 lO

s-e-

5 «

01 to 10

СЧ о X

о \П

о 55

°° XX о

55 IP

о - -ч-

XX о

I I I I I I

о о о о о о

10 - - 10 -

л\ -и -и -Ц +1 -н

C4h-о - -ч-

х"

§<

tu 3

CS S

\о U

з"

фазовая автоподстронка высокостабильного кварцевого генератора.

Выходные частоты водородных КСЧ 5 МГц, 1 МГц и 100 кГц. Некоторые параметры водородных КСЧ приведены в табл. 13.2. Наиболее высокие параметры имеет водородный КСЧ 41-46, поэтому рассмотрим характеристики этого стандарта частоты подробнее. Прибор обеспечивает указанные параметры через четверо суток после его включения. Для уменьшения времени в стандарте предусмотрено раздельное включение термостатирующих устройств стандарта. При предварительно прогретом термостатирующем устройстве время готовности стандарта частоты 2 ч. Для обеспечения надежной работы в приборе предусмотрено автоматическое переключение иа сеть постоянного тока при отключении сети переменного тока. Для нормальной работы стандарта частоты следует регулярно его включать не реже 1 раза в 10 суток для поддержания рабочего вакуума.

В стандарте частоты предусмотрена возможность частотных и фазовых измерений долговременной и кратковременной нестабильности частоты сигналов с частотой 5; 1 и 0,1 МГц с погрешностью ± 7-10-"; ± 7-10-1* и ± 7-10-13 при времени счета 1; Юн 100 с соответственно. Для точной настройки резонатора водородного генератора на частоту спектральной линии и упрощения проверки стандарта в комплект поставки входят два прибора 41-46.

Приемники-компараторы. Проверить стандарты частоты по их отклонению от номинальных значений можно при использовании приемников - компараторов. Эти приборы специально предназначены для определения отклонений частоты стандартов частоты от эталонных сигналов. Эталонные сигналы передаются более чем по 200 каналам в различных диапазонах частот. Рассмотрим более подробно приемники - компараторы Ч7-9 и 47-10, которые работают в диапазоне СДВ и ДВ. Приборы состоят из приемника, синтезатора частоты и следящей системы. Приемники выполнены по схеме с двойным преобразованием частоты. Синтезатор частоты формирует сигналы первого и второго гетеродинов. Применение в качестве гетеродинов синтезатора частоты обеспечивает быструю настройку приемника на заданную частоту. Гетеродин при замкнутой следящей системе синхронизирован сигналом принимаемой эталонной частоты.

Параметры приборов Ч7-9 и 47-10 приведены в табл. 13.3.

Максимальное измеряемое относительное отклонение частоть» ие более 1-10-. Входное сопротивление приемного тракта 50 Ом. Существуют приемники сигналов точного времени, работающие в диапазоне КВ (Ч7-8) и работающие в диапазоне как КВ, так и ДВ (47-13). Эти приемники служат для сличения частот кварцевых генераторов с частотой Государственного эталона.

Частотные компараторы. Существенно повысить точность измереиия генераторов можно Использованием частотных компараторов. Компараторы предназначены для измерения нестабильности частоты высокостабильных источников сигналов, а также для измерения кратковременной нестабильности частоты и оценки спектральной плотности фазовых флуктуации сигналов.

Принцип работы частотных компараторов основан на повышении точности измерений нестабильности входных сигналов путем умножения разности их частот Д/при сохранении частоты, неизменной на выходе и входе прибора. При умножении разницы частот в N раз разрешающая способность измерений также повышается в N раз. При этом должно выполняться условие ЛД/ 10 Гц.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [32] 33 34 35 36 37 38

0.0034