Проектирование генератора высоких частот (стр. 2 из 3)

Резонансный метод основывается на сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний колебательного контура или резонатора, которые предварительно градуируются. Приборы, измеряющие частоту резонансным методом, называют резонансными частотомерами. Эти простые приборы применяются в частотном диапазоне от сотен килогерц до сотен гигагерц. Обобщенная структурная схема резонансного частотомера представлена на рис.2.3.

Рисунок 2.3 – Обобщенная структурная схема резонансного частотомера.

Сигнал измеряемой частоты

через элемент связи возбуждает колебательную систему. С помощью механизма настройки изменяется частота собственных колебаний колебательной системы. При равенстве измеряемой и собственной частот возникает резонанс-возрастание интенсивности колебаний в колебательной системе. Момент резонанса фиксируется с помощью индикатора резонанса, который связан с колебательной системой через элемент связи. По шкале отсчетного устройства отсчитывают значение измеряемой частоты.

Основным узлом резонансного частотомера является перестраиваемая по частоте колебательная система. На частотах до сотен мегагерц в качестве колебательной системы применяются резонансные контуры с сосредоточенными постоянными, на более высоких частотах вплоть до 1 ГГц – контуры с распределенными постоянными в виде отрезков коаксиальной или полосковой линии, на еще более высоких частотах применяются объемные резонаторы, на частоте свыше 30 ГГц – открытые резонаторы.

В качестве индикаторов резонанса применяется чаще всего полупроводниковый детектор с микроамперметром магнитоэлектрической системы. Однако в тех случаях, когда требуется измерить частоту последовательности радиоимпульсов большой скважности, применяют усилители напряжения видеоимпульсов. На рис. 2.4 приведена схема резонансного волномера с колебательной системой в виде контура с сосредоточенными параметрами L и C.

Рисунок 2.4 – Схема резонансного волномера с колебательной системой.

Измерительный контур имеет индуктивную связь с цепью источника колебаний и автотрансформаторную связь с индикатором. Индикатор фиксирует напряжение, снимаемое с части катушки L. Влияние входной и индикаторной цепей на измерительный контур может быть оценено введением в него вносимых реактивного

и активного сопротивлений. Напряжение, поступающее на индикаторную цепь, можно выразить как

(2.4)

где

и - собственное активное и реактивное сопротивления измерительного контура;

- коэффициент включения индикаторной цепи;

- амплитуда напряжения на контуре.

Напряжение будет максимальным при

. Частоту отсчитывают по шкале конденсатора переменной ёмкости при настройке на максимум напряжения. Однако, если градуировка измерительного контура была выполнена при источнике колебаний, имеющем активное выходное сопротивление, непосредственно включенном в измерительный контур, то при измерениях появляется погрешность из-за влияния реактивного вносимого сопротивления. Вот почему в резонансных частотомерах связь с источником колебаний и индикатором должна быть очень слабой.

Можно привести еще один аргумент в пользу слабой связи: необходимость малого активного вносимого сопротивления для обеспечения высокой добротности контура, которая определяет избирательные свойства, а следовательно, и влияет на точность настройки [3].

2.2 Основные источники погрешности

Для данного проектирования генератора ВЧ применяется резонансный метод измерения частоты, так как заданные метрологические характеристики подходят для проектирования данного генератора.

Рассмотрим основные источники погрешности резонансного волномера. Реализация основной погрешности может быть записана в виде:

(2.5)

где

- относительная погрешность образцового прибора, по которому проводилась градуировка;

- относительная погрешность настройки в резонанс; погрешность появляется при градуировке и при измерении;

- погрешность градуировки, обусловленная неточностью нанесения делений на шкале;

- погрешность отсчета.

Среднее квадратическое значение

может быть оценено по классу точности образцового прибора:

= / .

Оценим границы погрешности, обусловленной настройкой в резонанс

. Воспользуемся формулой, для этого необходимо записать выражение, связывающее отклонение стрелки прибора в цепи индикатора резонансного частотомера и частоту измеряемого сигнала . Очевидно, при линейном детекторе независимо от типа колебательной системе таким выражением будет

(2.6)

где

- резонансное значение напряжения, поступающее на индикаторную цепь;

- резонансная частота измерительного контура;

- нагруженная добротность контура;

- коэффициент передачи линейного детектора.

Относительная погрешность, обусловленная настройкой в резонанс:

(2.7)

Здесь

, - разрешающая способность стрелочного прибора; для приборов с подвижной частью на кернах =0,1 дел.

Погрешность, обусловленная настройкой в резонанс, обратно пропорционально нагруженной добротности контура и пропорциональна корню квадратному из относительной разрешающей способности стрелочного прибора в цепи индикатора.

Основная погрешность резонансных частотомеров лежит в пределах от 0,01 до 2…3 %. Резонансные волномеры, кроме погрешности, характеризуются диапазоном частот и чувствительностью. В настоящее время резонансные волномеры сохранили свое значение в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн. В качестве колебательных систем используются короткозамкнутые отрезки линий передач, объемные и открытые резонаторы [4].

3. ГЕНЕРАТОР ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

3.1 Назначение и область применения

Генератор ВЧ представляет собой лабораторный прибор, предназначенный для получения синусоидальных колебаний высокой частоты в диапазоне от 10 до 100 МГц.

Прибор рассчитан для эксплуатации:

- температура (293

5) К (20 5) С;

- относительная влажность воздуха (65

15) %;

- атмосферное давление (100000

4000) Н/м (750 30) мм рт.ст.;

- напряжение сети (220

4,4) В, частота 50 Гц.