Гетеродинный, конденсаторный, резонансный и мостовой методы измерения частоты

Способ нулевых биений (гетеродинный способ).

Данный способ используется для измерения высоких частот. Два гармонических (синусоидальных) напряжений подают на линейный элемент - смеситель. На выходе смесителя появляется набор комбинационных частот. В этом наборе имеется частота, представляющая собой разность частот первых гармоник. Эта частота называется частотой биений. Если измеряемая и образцовая частоты будут равны друг другу, то частота биений будет равно нулю. Поэтому данный способ измерения частоты называют способом нулевых биений.

Работа схемы.

Напряжение образцовой и измеряемой частоты подают на смеситель (См). На его выходе включают индикатор биений (телефон). В телефоне будет слышен тон разностной частоты, понижающейся по мере приближения образцовой частоты к измеряемой. Телефон играет роль фильтра низкой частоты.

Особенности восприятия.

Ухо человека реагирует только на определенный диапазон частот от 20 кГц до 16 Гц, то есть имеем момент начала реагирования - точка "б" и конец реагирования - зона "а".

Погрешность реагирования равна 16 Гц. Для уменьшения этой погрешности используют: 1)Вилочковый отсчет. Среднеарифметическое двух симметрий отсчетов равно измеряемой частоте. 2)Используют за место телефона в качестве индикатора магнитоэлектрический миллиамперметр. При частоте биения меньше 10 Гц стрелка прибора колеблется с частотой биения и при равенстве частот устанавливается на нуле.

Гетеродинные частотомеры.

Работа схемы.

Генератор перестраиваемой частоты имеет линейно-зависимое значение частоты на своем выходе от положения ротора конденсатора настройки. На смеситель (См) подаем два напряжения: напряжение образцовой частоты с перестраиваемого генератора и напряжение измеряемого сигнала. В смесителе они смешиваются, образуя комбинационные частоты. Усилитель низкой частоты (УНЧ), как фильтр, из всего спектра частот пропускает только сигнал разностной частоты. Индикатор (И) фиксирует момент равенства частот. Отсчет значения измеряемой частоты производят по положению ротора конденсатора настройки. Конденсатор С_к и генератор калибровки используются для калибровки перестраиваемого генератора образцовой частоты. Калибровка так же производится по методу нулевых биений, изменением значения С_к до получения равенства частот по индикатору.

Резонансный метод.

Он применяется на высоких и сверхвысоких частотах. Основан на использование явления электрического резонанса, возникающего в колебательном контуре.

Работа схемы.

Источник напряжения измеряемой частоты через электромагнитное поле связывается с резонансным частотомером. Резонансный частотомер представляет собой высококачественный измерительный контур с точно градуированным механизмом настройки. При измерении частоты контур настраивается на резонанс по максимальному отклонению указателя индикатора (И). Отсчет значения частоты производится по шкале механизма настройки. В качестве индикатора резонанса используются полупроводниковый детектор или магнитоэлектрический микроамперметр.

Основными характеристиками резонансного частотомера являются: диапазон измеряемых частот, погрешность измерения и чувствительность. Чувствительность определяется мощностью, передаваемой частотомеру от источника сигнала.

Конденсаторный метод.

Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источ­нику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем нако­пится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно при­соединять к источнику напряжения для заряда и к измери­телю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше: fq = fCU = I, где I -среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте пере­ключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты f=I/(CU)

Структурная схема конденсаторного частотомера, в кото­ром использован этот метод (рис. 11), состоит из усилителя-ограничителя УО и Зарядно-разрядного устройства ЗРУ с магнитоэлектрическим индикатором. Кроме того, имеется генератор Гк для калибровки частотомера на одной фиксированной частоте. На вход частотомера поступает напряжение измеряемой частоты. В усилителе-ограничителе оно принимает форму меандра. Меандр управ­ляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена на рис. 2.

Транзистор Т работает в режиме ключа: когда он за­крыт, один ii3 конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разря­жается через транзистор. Зарядный ток протекает через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуированный в единицах частоты. Конденсаторы С переключаются: минимальная и максимальная емкость определяет диапазон измеряемых частот, а число конденсаторов - число под-диапазонов.

Значение напряжения, до которого заряжается конден­сатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устра­нения этого явления в зарядно-разрядном устройстве предусмотрена стабилизация напряжения заряда, которая осуществляется стабилитроном Дз; напряжение питаниятакже стабилизируется с помощью стабилитронов Д1 и Д2 Нижний предел измеряемых частот составляет 10 Гц;

при более низких частотах подвижная часть магнитоэлектри­ческого индикатора будет совершать механические колеба­ния в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емко­стью конденсатора С, но и монтажными емкостями элемен­тов зарядно-разрядного устройства, и не превышает 1 МГц. Погрешность измерения зависит от класса точности миллиамперметра, остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора и составляет 1-2 [знак процента].

Мостовой метод - когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор.

Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, емкости) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения осуществляют вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают высокой чувствительностью, большой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов. На основе мостовых методов строят средства измерения, предназначенные как для измерения какой либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы.

Существует несколько разновидностей мостовых схем измерения элементов R, L, C: четырехплечие, уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов.