МУЛЬТИВИБРАЦИОННЫЙ ВОЛНОМЕР Советский патент 1938 года по МПК G01R23/04 

Изобретение касается схемы мультивибрационного волномера, позволяющего производить весьма точные измерения длины волны.

Для точных измерений длины волны (частоты) применяют следующий метод:

1. После сложения измеряемой частоты ƒ_х с m гармоникой эталонного генератора в анодной цепи детекторной лампы получают промежуточную частоту F_x, лежащую в сравнительно узком диапазоне частот. Измерения в заданном, обычно очень широком, диапазоне частот сводятся, таким образом, к измерению частот в узком диапазоне. Искомую частоту находят по формуле:

где m заранее известно по градуировке селектора гармоник эталонного генератора, и ƒ_эт - частота эталона, которую примем равной 10⁶ Hz.

2. Частоту F_x можно, в свою очередь, представить так:

где n - номер гармоники мультивибратора на 10 kHz синхронизированного от эталонного генератора и F_зв - звуковой тон биений между n гармоникой мультивибратора на 10 kHz и частотой F_x.

3. Дальнейшая задача заключается в нахождении F_зв, n и определении знака звукового тона. Для получения F_зв детектируют частоты F_x и ближайший номер гармоники мультивибратора на 10 kHz. Обычно для этого прибегают к выделению нужного номера гармоники селектором, предварительно определив частоту гетеродинным волномером. При этом сложный селектор и точный гетеродинный волномер чрезвычайно удорожают и делают громоздкой всю установку для измерения частот.

Автор предлагает принципиально другой метод определения F_x. Для получения звукового тона на сетку детекторной лампы подают частоту F_x и не одну какую-либо гармонику мультивибратора, выделенную селектором, а весь спектр частот мультивибратора.

Если сеточную цепь детекторной лампы настроить на частоту F_x, то для частот, сильно разнящихся с F_x (например, для первых номеров гармоник мультивибратора), сопротивление сеточной цепи мало и их амплитуды становятся соизмеримыми с амплитудами высших номеров гармоник, близких по частоте к F_x. В результате детектирования всех этих частот в анодной цепи детектора появятся комбинационные тона, среди которых будут два звуковых тона F_зв и 10000 - F_зв. Амплитуда этих звуковых частот будет значительно больше амплитуды всех других комбинационных звуковых тонов; поэтому частоты F_зв и 10000 - F_зв легко и безошибочно определяются методом нулевых биений с эталонной звуковой частотой.

Для определения номера n, который надо подставить в формулу (2) в установке предусмотрен вспомогательный кварцевый генератор с двумя кварцами на частоты: ƒ′=998 kHz и ƒ′′=1002 kHz.

Мультивибратор на 10 kHz должен без перестройки синхронизироваться от любой из частот ƒ_эт, ƒ′ и ƒ′′. При этом синхронизация мультивибратора от генератора с частотой ƒ′ или ƒ′′ соответствует относительной расстройке его:

Следовательно при синхронизации мультивибратора от генератора с частотой ƒ′ его частота уменьшается на ΔF = S . 10000 Hz, где ΔF - изменение основной частоты мультивибратора в герцах и 10000 - основная частота в герцах. В нашем случае ΔF = 2 · 10^-3 . 10000 = 20 Hz.

При синхронизации от ƒ′′ основная частота мультивибратора увеличивается на ΔF=20 Hz.

Для второго номера гармоники мультивибратора абсолютное увеличение или уменьшение частоты равно уже 40 Hz. Таким образом, ΔFn = n . 20 Hz, где ΔF_n абсолютное изменение частоты n-го номера гармоники мультивибратора на 10 kHz.

Если F_x в процессе измерения считать постоянной, изменение звукового тона при изменении синхронизирующей частоты с ƒ_эт на ƒ′ или ƒ′′ равно ΔF_n.

Отсюда легко находят n

причем результат округляют до целого числа. Здесь ΔF_зв - абсолютное значение разности частот F_зв и F′_зв (или F′′_зв) звукового тона при синхронизации мультивибратора от генератора с частотой ƒ′ (или ƒ′′).

Из формулы (3) можно сделать вывод, что звуковой тон необходимо определять с весьма высокой точностью ±(2-3) Hz на всем диапазоне звуковых частот. В противном случае возможна ошибка в определении номера n.

Если F_x лежит в диапазоне

то легко доказать, что ΔF_зв, при выбранных значениях частот ƒ′ и ƒ′′, лежит в пределах 1000 Hz ≤ ΔF_зв ≤ 2000 Hz. Можно увеличить относительную рассройку S, разнеся частоты ƒ и ƒ′′. Однако, как это увидим ниже, такая мера, правда, позволит пользоваться более грубым звуковым генератором, но увеличит ту область измерений, где надо делать для определения n три замера звукового тона. С другой стороны, при сближении частот ƒ′ и ƒ′′, необходим звуковой генератор такой точности, достигнуть которой можно только сильно удорожив всю установку. Заметим, что для определения звукового тона достаточно иметь градуированный звуковой генератор на диапазон частот от 0 до 5000 Hz, так как всегда один из двух звуковых тонов (F_зв или 10000 - F_зв) находится в этом диапазоне. Если допустить увеличение погрешности измерений Δƒ_х на 10^-6 ƒ_х, диапазон генератора звуковых эталонных частот можно сузить до 500-5000 Hz. В этом случае допустимо использование звукового генератора с генерированием основной частоты, что значительно упрощает его схему.

Для определения номера гармоники мультивибратора и знака F_зв при условии

(70% возможных значений F_x дают звуковой тон, удовлетворяющий условию (5)) поступают следующим образом. Получают звуковой тон или синхронизируя мультивибратор от ƒ′ или от ƒ′′. Частоту синхронизации выбирают из условия:

При соблюдении условий (5) и (6) F_зв имеет тот же знак, что и ΔF_зв, где , если мультивибратор синхронизирован от генератора с частотой ƒ′, или при синхронизации с частотой ƒ′′. Номер n находят по формуле (3).

На прилагаемых чертежах фиг. 1 изображает скелетную схему мультивибрационного волномера; фиг. 2 - частотную цепочку, которую дает мультивибратор при синхронизации с ƒ_эт; фиг. 3 - то же при синхронизации с частотой ƒ′; фиг. 4 - схему селектора с исказителем, фиг. 5 - схему селектора с мультивибратором; фиг. 6 - детектор промежуточной частоты; фиг. 7 - детектор звуковой частоты; фиг. 8 - схему вспомогательного генератора на частоты ƒ′ и ƒ′′; фиг. 9 - схему мультивибрационного блока; фиг. 10 - схему индикатора биений.

Допустим, что по звуковому генератору найдена частота F_зв=1263 Hz. Полученное значение удовлетворяет условию (5). Синхронизируя мультивибратор частотой ƒ′, получают звуковой тон . Пусть он не подходит к условию (6). Тогда синхронизируют мультивибратор с частотой ƒ′′. Получают звуковой тон , откуда находят номер гармоники мультивибратора на 10 kHz

(округляя до ближайшего целого числа). Определяют знак звуковой частоты: разность имеет знак минус, следовательно F_зв имеет тоже минус. Поэтому F_x = n . 10000 - F_зв = 600000 - 1263 = 598737 Hz.

Задача нахождения n и знака F_зв несколько усложняется, если условие (5) не соблюдается, т.е. когда F_зв меньше 500 Hz или больше 4000 Hz. В этом случае получаются два значения ΔF_зв и нельзя установить, какое из них надо подставить в формулу (3). Например, допустим, что частота F_x меньше частоты n-го номера гармоники мультивибратора, синхронизированного от ƒ_зт на 200 Hz, т.е. F_зв=200 Hz. На фиг. 1 показана частотная цепочка, которую дает мультивибратор. Пунктиром показана частота F_x. При синхронизации мультивибратора от генератора с частотой ƒ′ частотная цепочка сдвинется влево и сожмется, так как соседние номера гармоники будут уже отстоять друг от друга не на 10000 Hz, как раньше, а на 9980 Hz (фиг. 2). Частота F_x не изменилась, частота n-го номера гармоники уменьшилась, F_x оказалась уже вправо от n. Допустим теперь, что . Можно сказать, что абсолютная частота номера гармоники n уменьшилась на величину , т.е. на 1700 Hz, отсюда по формуле (3)

Проведем те же рассуждения для случая, когда частота F_зв больше частоты n гармоники мультивибратора (при синхронизации от ƒ_эт на 200 Hz). При переходе на синхронизацию от ƒ′ частотная цепочка сдвинется влево, т.-е. частота n-й гармоники уменьшится, абсолютное уменьшение частоты n-й гармоники будет равно уже не сумме F_зв и , а разности ΔF_зв = 1500 - 200 = 1300 Hz и, следовательно,

В реальных условиях знак F_зв неизвестен. Его надо определить. Поэтому нельзя сказать, какое n=65 или 85 нужно подставить в формулу (2), Для определения знака F_зв и номера n производят третий замер звуковой частоты. Мультивибратор синхронизируют частотой ƒ′′. По звуковому генератору находят звуковой тон F_зв. При выборе ΔF_зв рассматривают две разности и . Большая по абсолютной величине разность равна искомой частоте ΔF_зв; при этом F_зв, как и прежде, имеет тот же знак, что и ΔF_зв.

Эти правила для определения n и знака у F_зв справедливы и для F_зв в пределах 5000 ≥ F_зв ≥ 4000 Hz. Например, согласно измерениям F_зв=316 Hz, , .

Рассматривают две разности

По абсолютной величине первая разность больше; следовательно, ΔF_зв=1800 Hz и ; ΔF_зв имеет знак плюс; следовательно знак F_зв также плюс. Таким образом

При частотах F_зв, близких к 5000 Hz, рекомендуется сначала определить знак F_зв и потом уже находить n. Если знак F_зв плюс, то n округляют до целого числа, отбрасывая знаки после запятой (при делении ΔF_зв на 20). Если же F_зв имеют знак минус, n округляют до ближайшего целого числа.

Не всегда необходимо точно определить все три частоты F_зв, , и . Если при измерениях очевидно, что разность между и F_зв получается меньше 1000 Hz (по условию 1000 ≤ ΔF_зв ≤ 2000 Hz), частоту; точно не измеряют, а синхронизируют мультивибратор от ƒ′′ и точно находят только F_зв и ,

Весь волномер выполняют в виде вертикальной стойки с небольшим столиком для оператора. Волномер можно питать как от сети переменного тока, так и от аккумуляторов. В первом случае необходим стабилизатор напряжения в цепи переменного тока или после выпрямления. При стабилизации по переменному току можно применить стабилизационный трансформатор с использованием одновременно нескольких факторов, поддерживающих фиксированное напряжение во вторичной цепи при изменении напряжения сети в широких пределах: магнитного насыщения, переменной самоиндукции рассеяния, настройки самоиндукции рассеяния вторичной цепи в резонанс с емкостью и компенсационной обмотки. Такой трансформатор дает стабильность напряжения около 1%, что достаточно даже для питания анода и накала эталонного генератора. При стабилизации по переменному току нагрузка на выпрямитель не меняется, так как во время работы мультивибратора все элементы схемы включены постоянно.

Выбор конструкции и схемы эталонного генератора целиком зависит от требований, предъявляемых к его стабильности. При использовании кварца с температурным коэфициентом 1.10^-6 можно получить стабильность кварцевого эталона порядка 2.10^-6 даже с самым примитивным термостатом, поддерживающим температуру с точностью 0,2-0,3°. Кварцевый эталон получается компактным и его целесообразно вмонтировать в стойку волномера вместе с синхронными часами для проверки частоты. С увеличением гарантированной стабильности габариты эталонного генератора разрастаются. Эталоны обрастают сложной системой реле подогрева, сигнальным реле, стабилизатором напряжения и т.д. Поэтому при стабильности 0.5·10^-6 и выше эталонный генератор лучше выполнять в виде второй автономной стойки.

С помощью селектора гармоник (фиг. 4) выделяют необходимый номер гармоники эталонного генератора. Селекторный контур (или связанная цепь с малым декрементом затухания (включен в анодную цепь исказительной лампы. На сетку этой лампы задают большой отрицательный потенциал и большую амплитуду напряжения от эталонного генератора. Лампу ставят в режим колебаний второго рода с малым углом отсечки. Анодный ток богат высшими гармониками, которые выделяются селектором. Селектор градуируют прямо в номерах гармоник. Для подбора амплитуды гармоники удобно в цепь сетки включить микшер. Используя одну исказительную лампу, поставленную в правильный режим, можно выделить гармоники до 20-25 номера с амплитудой, достаточной для дальнейшего детектирования. Другая схема селектора с мультивибратором на 1 mHz представлена на фиг. 5. Мультивибратор на 1 mHz синхронизируют от эталонного генератора по основной частоте. Напряжение, богатое гармониками, снимают с сеточной цепи одной из ламп мультивибратора. В анодную цепь разделительной лампы, работающей в режиме усиления, включают селектор. Схема с мультивибратором имеет преимущество перед схемой с исказительной лампой в тех случаях, когда диапазон измерений волномера увеличивается в сторону больших частот и появляется необходимость выделить гармоники с номерами 25-35.

На сетку детекторной лампы промежуточной частоты (фиг. 6) подают m гармонику эталонного генератора и частоту ƒ_х; чтобы не изменять градуировки селектора при подборе амплитуды, рекомендуется поставить разделительную лампу. Регулировку амплитуды производят в сеточной цепи лампы с помощью экранированного конденсатора малой емкости или безъиндукционного потенциометра. В анодную цепь детектора включают контур, настраиваемый на частоты 500-1000 kHz. Весь диапазон перекрывается поворотом лимба конденсатора контура. Шкала конденсатора - прямочастотная - градуируется в килогерцах. Градуировка облегчает определение номера гармоники n мультивибратора. В схеме предусмотрен катодный индикатор, по которому настраивают анодный контур на частоту F_x.

Частоту F, выделенную после детектирования частот mƒ_эт и ƒ_х, подают на сетку детектора звуковых частот. Детектор звуковых частот связан также с мультивибратором на 10 kHz (фиг. 7). Нагрузкой детектора является омическое сопротивление или дроссель низкой частоты. Целесообразно включение режущего фильтра низкой частоты с частотою среза порядка 5200-5300 Hz.

На фиг. 8 показана принципиальная схема вспомогательного генератора по классической схеме Пирса. Переключатель n позволяет выбирать для синхронизации частоту ƒ′ или ƒ′′. Удобно этот переключатель иметь на три положения по типу телефонных перекидных Джеков. Тогда в одном положении рукоятки джека вспомогательный генератор идет на частоте ƒ′ и мультивибратор синхронизируется по этой частоте. Во втором положении мультивибратор синхронизируется частотой ƒ_эт, и вспомогательный генератор не используется, наконец, в третьем положении вспомогательный генератор идет по частоте ƒ′′ и синхронизирует собою мультивибратор. Подстроечные конденсаторы c₁ и с₂ служат для подгонки частот ƒ′ и ƒ′′ по индикатору биений. Включение подстроечных конденсаторов малой емкости параллельно кварцу весьма распространено в осцилляторных схемах, где требуется небольшое на 20-30 Hz изменение частоты генератора. Желательно иметь кварцы Q₁ Q₂ с малым температурным коэфициентом. Применять термостат целесообразно, так как частота при измерениях корректируется по эталонному генератору, а самое время измерений невелико.

Мультивибратор на 10 kHz нельзя синхронизировать частотами ƒ_эт, ƒ′, и ƒ′′ непосредственно, поэтому вводят ступень деления частоты. В качестве такого делителя используют мультивибратор на 100 kHz. Схема мультивибрационного блока показана на фиг. 9. Через разделительную лампу, в анодную цепь мультивибратора на 100 kHz подают синхронизирующую частоту. При правильном подборе амплитуды синхронизации и параметров схемы мультивибратор будет увлечен по десятой гармонике. Частота в 100 kHz снимается с мультивибратора, выделяется в очистителе от гармоник анодным контуром разделительной лампы. Частотой в 100 kHz, в свою очередь, синхронизируют мультивибратор на 10 kHz также по десятой гармонике. Через вторую разделительную лампу мультивибратор связывают с детектором звуковой частоты.

Мультивибратор на 1 kHz предназначен для корректирования градуировки звукового генератора, для корректирования частот ƒ′ и ƒ′′ по частоте ƒ_эт и для проверки эталонного генератора с помощью синхронных часов по сигналам времени. Этот мультивибратор синхронизируют частотой в 10 kHz по десятой гармонике.

На сетку детекторной лампы индикатора биений (фиг. 10) через разделительные лампы Л₂ и Л₃ подают частоты ƒ_эт и ƒ′ или ƒ′′, в зависимости от того, в каком положении находится переключатель П (фиг. 8). Сетку детекторной лампы связывают также с мультивибратором на 1 kHz. Гальванометр в анодной цепи регистрирует комбинационные нулевые биения, как результат сложения частот ƒ_эт с ƒ′ или ƒ′′ со второй гармоникой мультивибратора на 1 kHz. Индикатор биений включают на все время работы с волномером. Медленное движение стрелки гальванометра будет служить доказательством, что вспомогательный генератор имеет частоты, разнящиеся от ƒ_эт точно на 2000 Hz.

Как было указано, звуковой генератор должен иметь диапазон 0-5000 Hz. За счет снижения точности измерений на Δƒ_х=10^-6 для 30% возможных значений частоты диапазон звукового генератора может быть сужен до 500-5000 Hz. Для получения высокого постоянства градуировки звуковой генератор собирают по схеме с параметрической стабилизацией, и контуры гетеродинов выполняют с минимальным температурным коэфициентом. Звуковой генератор должен обладать хорошей механической прочностью.

При использовании в звуковом генераторе схемы на биениях рекомендуется частоты гетеродинов выбирать в диапазоне 60-40 kHz, в контурах применять большую постоянную емкость и брать прямоемкостный переменный конденсатор. Такой конденсатор в этом случае дает почти прямолинейную зависимость между звуковой частотой и делениями шкалы. Весь диапазон (0-5000 Hz) для повышения точности отсчета лучше всего разбить на 2-3 под диапазона. Вместе с звуковым генератором монтируют индикатор нулевых биений. Его схема аналогична схеме на фиг. 10. Индикатор используется для корректирования градуировки звукового генератора и для определения методом нулевых биений частот F_зв, и . Нулевые биения фиксируют двояко: зрительно - по колебаниям стрелки гальванометра и на телефон - по характерному возрастанию и уменьшению громкости. Звуковой генератор, кроме градуировочных кривых, должен иметь таблицу дискретных точек кратных 1000 Hz для корректирования (достаточно пяти точек). При использовании мультивибрационного волномера для измерения частот по эфиру к установке добавляют приемник на диапазон измерений и стабильный генератор с плавной настройкой.

Порядок измерений. 1. Селектором гармоник выделяют, установкой лимба на соответствующее деление, нужный номер гармоники m эталонного генератора так, чтобы в результате сложения частот mƒ_эт и ƒ_х соблюдалось условие 500 kHz ≤ F_x ≥ 1000 kHz.

2. По катодному индикатору настраивают контур промежуточной частоты в резонанс с F_x.

3. Мультивибратор на 10 кНz синхронизируют частотой ƒ_эт. Проверяют правильность градуировки звукового генератора. По звуковому генератору определяют звуковой тон F_зв.

4. По индикатору биений вспомогательный генератор настраивают точно на частоты ƒ′=998 kHz и ƒ′′=1002 kHz. Если F_зв удовлетворит условию 500 < F_зв < 4000 Hz, частоту синхронизации выбирают так, чтобы было удовлетворено также условие . Звуковой тон или определяют по звуковому генератору. Определение n₁F_х и ƒ_х было уже разобрано.

При несоблюдении условия (5) замеряют все три звуковые тона F_зв, и . Как уже было отмечено, не всегда требуется точно определять все три частоты.

При измерениях частот радиостанций предварительно стабильный генератор с плавной настройкой настраивают на принимаемую станцию с возможной точностью. Мультивибрационным волномером измеряют частоту стабильного генератора.

При измерениях частота ƒ_x должна быть заранее известна с точностью 500-800 kHz.

Мультивибрационный волномер с использованием комбинационных биений нескольких гармоник мультивибратора с определяемой частотой, пониженной сложением ее с эталонной гармоникой, отличающийся тем, что для определения номера гармоники мультивибратора использовано изменение звукового тона расстройкой синхронизующей частоты.