10.2. Резонансный метод измерения частоты
Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой fр градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазонах высоких частот и СВЧ, но может использоваться и в более низком диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называютсярезонансными частотомерами, их обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.2.
U(fx)
|
Входное устройство |
|
Перестраиваемая колебательная система |
|
Индикатор резонанса |
|
| ‘ |
Рис. 10.2. Обобщенная структурная схема резонансного частотомера
Перестраиваемая колебательная система возбуждается сигналом источника измеряемой частоты u(fx) через входное устройство. Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса , т.е. при fx= fр. Данный момент фиксируется с помощью индикатора резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты fx считывается с градуированной шкалы механизма настройки.
В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц используются колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц — контуры с распределенными постоянными типа отрезков коаксиальной линии; на частотах, превышающих 1 ГГц, — объемные резонаторы.
На рис. 10.3 приведена упрощенная структурная схема резонансного частотомера (волномера) с объемным резонатором, включающая волновод 1, по которому поступает энергия измеряемой частоты fx, петлю связи 2, детектор (полупроводниковый диод) 3 с индикатором резонанса И, объемный резонатор 4 и плунжер 5, предназначенный для изменения одного из размеров резонатора и связанный с отсчетной шкалой. Связь резонатора с детектором индуктивная и осуществляется петлей связи 2.
Линейный размер резонатора l в момент настройки в резонанс однозначно связан с длиной волны λ возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине резонатора l = n λ/2, где п = 1,2, 3 и т. д. Поэтому, перемещая плунжер 5 до момента получения первого резонанса, а затем следующего и оценивая по отсчетной шкале разность △l= l1- l2=λ/2, можно определить длину волны λ. Здесь l1 и l2 — показания отсчетной шкалы в момент 1-го и 2-го резонансов. Измеряемая частота fx вычисляется по формуле fx = с/λ, где с — скорость распространения света в вакууме.
Чтобы увеличить точность измерений частоты, необходимо повышать добротность Q резонаторов. С этой целью их внутренние поверхности полируют и серебрят, доводя величину Q до значения (5…10)103. С целью уменьшения сопротивления в месте подвижного контакта плунжера с резонатором применяют системы длинных линий (отрезки линий длиной λ /2, λ /4).
Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10-3 …10-4. Основными источниками погрешностей измерения являются погрешность настройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.