Электронно-счетные частотомеры. 
Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах

Возможности измерения высоких частот обычными электронно-счетными частотомерами, работающими по методу прямого счета, ограничиваются быстродействием существующей элементной базы электроники (делителей, формирователей, триггеров).

Достижения электроники в создании 6 ы ст р (> д е й ст в у го — щих элементов увеличили верхнюю границу частоты, измеряемой методом прямого счета, до 10 ГГц. На более высоких частотах электронно-счетные частотомеры работают с помощью преобразователей частоты.

Преобразователи частоты бывают двух типов — дискретные и преобразователи переносчиков частоты.

Принцип работы электронно-счетного частотомера с дискретным преобразователем частоты показан на рис. 8.3. Преобразователь состоит из умножителя частоты УМЧ, генератора гармоник ГГ, перестраиваемого фильтра ФВЧ, смесителя СМ, широкополосного усилителя промежуточной частоты УПЧ. Сигнал от кварцевого генератора частотомера ЭСЧ подается на вход умножителя УМЧ, где формируется частота /₀ = 100 МГц. В ГГ из этой частоты формируется дискретный спектр гармоник 2/₀, 3/₀, … n/₀. С помощью ФВЧ выделяется одна из гармоник п/₀, которая поступает на СМ, сюда же поступает измеряемый сигнал с частотой/_г. Из спектра частот на выходе смесителя УПЧ выделяет разностную частоту /_г — п/₀. Эта частота измеряется электронно-счетным частотомером и индуцируется на его цифровом табло. Значение неизвестной частоты находится путем сложения показаний отсчетного устройства ФВЧ и цифрового табло ЭСЧ.

Рис. 8.3. Схема частотомера СВЧ с дискретным преобразователем частоты.

Подобные преобразователи позволяют измерять частоты до 12 ГГц. Погрешность измерения частоты равна погрешности ЭСЧ плюс погрешность из-за дискретности. Примером дискретного преобразователя служит блок ЯЗЧ- 43, предназначенный для работы совместно с электронносчетным частотомером 43−38.

Принцип работы электронно-счетного частотомера с переносчиком частоты показан на рис. 8.4. В отличие от дискретного преобразователя переносчик частоты имеет гетеродин, перестраиваемый в широком диапазоне частот, и систему фазовой автоподстройки частоты для синхронизации частот гетеродина и измеряемого сигнала.

В процессе измерения напряжение от гетеродина Гет подается на смеситель СМ, куда поступает и сигнал неизвестной частоты f. Усилитель промежуточной частоты УПЧ выделяет на выходе смесителя разностную частоту mf_x — nf_r = /, которая поступает на фазовый детектор ФД, куда поступает и частота /₀ кварцевого генератора электронно-счетного частотомера (ЭСЧ). Постоянное напряжение с выхода фазового детектора ФД, пропорциональное разности / - /₀, через фильтр ФНЧ и усилитель УПТ подается на элемент, управляющий частотой гетеродина, благодаря чему частота гетеродина меняется таким образом, чтобы разность / -/₀ стремилась к нулю. Тем самым частота гетеродина синхронизируется с частотой сигнала, при котором выполняется равенство

Рис. 8.4. Схема частотомера СВЧ с переносчиком частоты.

Частота гетеродина выбирается такой, чтобы она измерялась частотомером ЭСЧ.

Чтобы определить /_х, необходимо найти номера гармоник п и т. Значение п определяют путем двух последовательных измерений частоты/• первое при настройке на mf=

I" г г г Л rZ Пр и второе при настройке на mj _х = nj_л .

Номер гармоники п определяют по формуле.

Для нахождения т необходимо знать ориентировочное значение частоты /_х.

В качестве примера переносчика частоты можно привести прибор 45−13, предназначенный для измерения частоты в диапазоне 10—70 ГГц совместно с электронно-счетным частотомером 43−38 и блоком Я34−42.

Необходимость определения двух близких частот гетеродина, при которых синхронизация достигается по основному и зеркальному каналам [знаки «+» и «-» в формулах (8.6) |, усложняет схему переносчика частоты и увеличивает время измерения. Эти недостатки можно устранить, если измеряемую частоту и частоту гармоники гетеродина синхронизировать с помощью фазового детектора, работающего не на промежуточной частоте, а на частоте измеряемого сигнала.

Схема частотомера СВ4 с таким переносчиком показана на рис. 8.5. Здесь роль фазового детектора выполняет гак называемый стробоскопический смеситель СС, на который подается сигнал измеряемой частоты f_x и короткие импульсы от формирователя ФИ, следующие с частотой гетеродина /_г. Такое устройство обладает свойствами фазового детектора. При выполнении условия.

на его выходе появляется постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз сигнала и гармоники гетеродина п. Это напряжение через усилитель постоянного тока УПТ управляет частотой гетеродина, поддерживая равенство nf_r = /_х с точностью до фазы.

4астота гетеродина измеряется электронно-счетным частотомером ЭС4 и в режиме синхронизации дает информацию о частоте /_х с точностью до номера гармоники п. Для определения п измеряют два значения частоты гетеродина, при которых выполняются условия.

Отсчитанные по шкале частотомера /_г1 и /_г2 позволяют определить п

Рис. 8.5. Схема частотомера СВЧ с расширением времени счета.

После определения номера гармоники п значение f_x можно вычислить по формуле (8.8) либо в п раз увеличить время счета ЭСЧ. Последний прием позволяет получить на табло частотомера значение частоты /_у. Примером ЭСЧ, работающего по этому методу, служит прибор 43−51.

Рассмотренные преобразователи и переносчики частоты имеют существенный недостаток — необходимость ручных операций при определении номера гармоники и ввода найденного значения в ЭСЧ. Данный недостаток устраняется в переносчиках частоты с автоматическим определением номера гармоник гетеродина (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Схема частотомера СВЧ с автоматическим определением номера гармоники гетеродина.

Сигнал неизвестной частоты / поступает на смеситель С1, на который подаются короткие импульсы от формирователя ФИ с частотой / гетеродина Гет. Смеситель С1 работает в режиме фазового детектора, с выхода которого постоянное напряжение через усилитель УПТ управляет частотой гетеродина. Этим обеспечивается фазовая автоподстройка частоты гетеродина (в пределах полосы удержания системы) но частоте /_х. Сигнал гетеродина /_г поступает на вход электронно-счетного частотомера ЭСЧ, время счета которого устанавливается сигналом расширителя времени счета (РВ). Информация о номере гармоники п поступает в блок РВ через усилитель промежуточной частоты УПЧ с выхода второго смесителя С2. Этот смеситель питается сигналом гетеродина, сдвинутым по частоте в модуляторе М на 1 кГц, поэтому частота сигнала на выходе смесителя С2 оказывается равной.

Сигнал п I/кГц, усиленный в УПЧ, преобразуется в блоке РВ в код, устанавливающий время счета ЭСЧ.

Таким образом, на табло частотомера выводится значение частоты nf_r = /_х. Этот принцип работы используется в современных электронно-счетных СВЧ-часготомерах.