Измерение частоты

Определения. Методы измерения

Напряжение гармонического колебания, как известно, имеет вид:

где U – амплитуда, Ф – фаза колебания, – круговая частота и – начальная фаза колебания.

Частота в момент времени t является производной фазы по времени

и называется мгновенной частотой.

Измерение выполняется в течение некоторого интервала времени , на протяжении которого измеряемая частота усредняется. Следовательно, значение частоты, полученное в результате измерения, всегда является усредненной величиной.

Частотой колебаний называется число колебаний в единицу времени:

где t – интервал времени существования n колебаний.

Единица частоты "герц" (Гц) определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связанны между собой, поэтому измерение величины одной из них можно заменить измерением другой.

В международной системе единиц СИ время принято за одну из шести основных физических величин.

Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания и длиной однородной плоской волны в свободном пространстве следующими соотношениями: и , где c – скорость света. Скорость света в свободном пространстве км/с, однако в воздухе по данным измерений на многих частотах скорость распространения электромагнитных колебаний меньше. Рекомендуется принимать значение км/с.

Спектр частот электрических колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр разделяется на два диапазона – низких и высоких частот. К низким частотам относят инфразвуковые (ниже 20 Гц) и звуковые (от 20 до 2000 Гц). Высокочастотный диапазон разделяют на высокие частоты (от 20 кГц до 30 МГц), ультравысокие (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц).

Такое разделение объясняется различными физическими свойствами электрических колебаний в указанных участках спектра, разными способами их получения и особенностями передачи на расстояние.

Международный консультативный комитет по радио (МККР) в 1959 г. принял решение об упорядочении наименований в спектре частот, применяемом для радиосвязи, радиовещания и телевидения (табл. 9.1 таблица 9.1).

В зависимости от участка спектра применяют различные методы измерения.

Метод перезарядки конденсатора

Допустим, что конденсатор, емкость которого С, соединяется то с источником напряжения для заряда, то с магнитоэлектрическим амперметром для разряда; скорость этих переключений составляет f раз в секунду. Если конденсатор заряжается до некоторого напряжения U, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, , где I – среднее значение тока за время разряда. Отсюда

( 9.1)

т.е. частота прямо пропорциональна току, протекающему через амперметр, и его шкалу можно проградуировать в единицах частоты при условии постоянства величины знаменателя в формуле (9.1). Этот метод использован в простых и удобных прямопоказывающих, так называемых конденсаторных частометрах. Структурная схема (рис. 9.1 рис. 9.1) такого частотометра состоит из входного каскада (обычно катодного повторителя), усилителя, ограничителя и счетной схемы.

Рис. 9.1. Структурная схема конденсаторного частотометра

На вход усилителя поступает напряжение измеряемой частоты, которое после ограничения приобретает форму меандра. Это напряжение управляет счетной схемой, состоящей (рис. 9.2 рис. 9.2) из электронного коммутатора, работающего на транзисторе Т, набора конденсаторов С и магнитоэлектрического микроамперметра. Прямоугольное напряжение, поступающее на транзистор Т, открывает и закрывает последний, благодаря чему происходит перезаряд конденсатора за каждый период колебаний измеряемой частоты. Микроамперметр фиксирует величину зарядного тока, пропорциональную измеряемой частоте. Переключение конденсаторов С обеспечивает соответствующее число поддиапазонов измерения.

Рис. 9.2. Счетная схема частотомера

Значение напряжения U в формуле (9.2), до которого заряжается один из конденсаторов, при разных значениях емкости и измеряемой частоты не сохраняется постоянным, и потому градуировка шкалы индикатора частотомера нарушается. Для устранения этого явления в счетной схеме (рис 9.2) предусмотрена стабилизация напряжения, до которого может быть заряжен любой конденсатор при любой частоте. Стабилизация осуществляется стабилитроном . Общее напряжение питания стабилизируется при помощи стабилитронов и .