A ktualizováno v lednu 2020
Přímoukazující měřič kmitočtu a univerzální čítač
Úvod Přímé měření kmitočtu, zdá se být na první pohled jednoduché. Na obrázku vpravo je 28 let starý (pořízen v roce 1992), jednoduchý, přenosný a z baterie napájený přímoukazující měřič kmitočtu. Zavzpomínám-li, tak digitální stupnice často bývaly před mnoha léty prvním digitálním přístrojem v hamovně průměrného amatéra. Bezpochyby byly velkým přínosem, protože lepší bylo číst kmitočet jako číslo, než odečítat hodnoty na papírové, či plechové stupnici se škálou často namalovanou tehdy moderní fixkou nebo vyrytou ostrou rýsovací jehlou. Je měření s přímoukazujícím měřičem tak jednoduché, jak se na první pohled zdá? Podívejme se na funkci přímoukazujícího měřiče kmitočtu (lidově čítače) z pohledu principu jeho fungování (první obrázek dole). 1. Zatím předpokládejme, že jsme signál, jehož kmitočet měříme, dokázali převést na impulzy, které budeme čítačem čítat. 2. Impulsy převádíme do vstupu čítacího obvodu (čítacích dekád) pomocí hradla, které na "správný" okamžik otevřeme. Během tohoto okamžiku impulzy načítáme a následně budeme jejich počet zobrazovat na numerickém vícemístném displeji. 3. Správný okamžik otevření hradla řídíme z tzv. řídící jednotky, kterou můžeme ovládat např. z klávesnice. I ten jednoduchý a téměř 30 let starý přístroj má přepínač "GATE TIME", kterým lze o jeden řád změnit dobu otevření hradla. 4. Kmitočty potřebujeme měřit velice přesně. Proto řídící jednotka využívá přesný zdroj normálového kmitočtu (zdroj časových intervalů). V blokovém schématu je nakreslen symbol krystalového oscilátoru. Ve skutečnosti bývá u levných čítačů použit TCXO (teplotně kompenzovaný krystalový oscilátor) a u univerzálních čítačů bývá velice užitečný vstup, na který lze připojit přesný normálový kmitočet (např. 10 MHz, 100 MHz) externího oscilátoru, který může být synchronizován přesným kmitočtovým normálem (např. oscilátor GPS DO). Chyby měření Chyby měření mohou mít u přímoukazujících měřičů kmitočtu různý charakter a celou řadu příčin. Pokusíme se některé předpokládat s ohledem na použité funkční bloky čítače. Blokové schéma univerzálního čítače je dole na druhém obrázku. 1. Ovládací hradlo sem tam nepustí nějaký impuls do čítacích dekád. Jedná se o aditivní chybu. 2. Řídící jednotka neřídí hradlo přesně. Nastane situace - viz předchozí bod. S takovou chybou jsem se setkal u některých amatérských konstrukcí. 3. Řídící jednotka nepracuje se správným časovým intervalem. Častou příčinou je nepřesnost zdroje časových intervalů (zdroj kmitočtů, časová základna). Tato chyba je nepříjemná, protože má multiplikativní charakter. Příklad: oscilátor časové základny má jmenovitý kmitočet 10 MHz, ale jeho krystalem řízený oscilátor "ujel o 10 Hz", tj. kmitá na 9.999990 MHz. Na kmitočtu 1000 MHz už měříme kmitočet s chybou 1 kHz a na kmitočtu 10 GHz již měříme s chybou 10 kHz, protože naměříme 9999.990 MHz. Předpokládejme, že si takovou přesností nastavíme oscilátor přijímače pro příjem signálů s programem WSJT-X, který na obrazovce zobrazuje kmitočtové spektrum široké jen 2.5 kHz. Nastavili bychom s takovým měřičem kmitočet mnohonásobně mimo rozsah přijímače. Jinými slovy: Multiplikativní koeficient v uvedeném příkladu je 9.99999/10 = 0.999999. Pokud zanedbáme aditivní chybu, kterou dělá vstupní jednotka a hradlo (mohou se tam ztrácet impulsy), či řídící jednotka, zjistíme, že čítač by měřil poměr kmitočtů (kmitočtu na vstupu a kmitočtu časové základny). Univerzální čítače umí měřit několik veličin, kmitočet, poměr dvou kmitočtů, délku periody, či délku časového intervalu. Veličiny lze nastavit ze vstupu řídící jednotky. |  |
O multiplikativním charakteru chyby přímého měřiče kmitočtu jsem hovořil. V případě, že takový měřič vybavíme předděličem (prescaler), ve kterém dělíme vstupní kmitočet např. číslem 256, zvyšujeme multiplikativní koeficient čítače 256 x a odchylka zobrazené hodnoty měřeného kmitočtu bude také 256 x vyšší. V mnoha přístrojích jsem použil vynikající děličku kmitočtu Fujitsu MB 506. Vyrábí se v pouzdrech DIL i SMD, napájí se Vcc = 5V, pracuje do 2400 MHz a vstup je slušně přizpůsobený impedanci 50 Ohmů. Měřič kmitočtu jsem připojoval za tuto děličku. |
Ne vždy nám přímé měření kmitočtu umožňuje vstupní citlivost předěličky. Můj univerzální čítač, který mám v dílně, je vybaven více vstupními jednotkami. Moje oblíbená jednotka pro UHF pásma vypadá takto: |
Před vstupní děličkou je širokopásmový předzesilovač. K děličce je přizpůsoben třídecibelovým PI článkem. Na vstupu předzesilovače je skokově nastavitelný atenuátor. Zapojení předzesilovače a atenuátoru mi umožňuje měřit kmitočty v širokém rozmezí úrovní. |
Poznámky 1. Některé levné desky přímoukazujících měřičů kmitočtů mají vyveden vstup pro použití vnějších kmitočtových normálů, které mohou značně snížit multiplikativní koeficient chyby měření. 2. Měřič FC-1200 z fotografie nahoře ukazuje hodnotu 99.9999 MHz. Je měřen kmitočet GPS DO oscilátoru 100.000000 MHz. A to je důvod, proč jsem ten čítač ještě nevyhodil (multiplikativní chybu umím u mnoha měření korigovat). Použitý TCXO v čítači není až tak špatný a pro orientační měření vyhovuje. Co není u tohoto přístroje dobré? Nejsou dobré vstupní obvody a tak musíme být vždy ve střehu a ověřovat si měřicí metodu, abychom měřili věrohodně. V případě tohoto přístroje však mohu předvést vliv jeho obou dvou chyb, i té aditivní. Proto je další článek o zjištění kmitočtového rozsahu, ve kterém tento kus čítače FC-1200 něco přesně měří. 3. Kmitočty se měří různými metodami. S radostí zde uvádím odkaz na web pana Doc. Ing. Michala Horevaje, CSc.a na jeho konkrétní stránku věnovanou měření kmitočtu. |
TU 73, Mira, ok1ufc