Генераторы масштабной частоты: назначение, требования к генераторам. Стабилизация частоты генератора. Кварцевый генератор: пьезоэлектрический эффект. Устройство и принцип работы кварцевых генераторов. Термостат: назначение, устройство.
Стабилизация частоты в радиотехнике, поддержание постоянства частоты электрических колебаний в автогенераторе Частота колебаний автогенератора может отклоняться от первоначального значения под действием дестабилизирующих факторов, как-то: изменение температуры, влажности и атмосферного давления, изменение питающих напряжений и сопротивления нагрузки, шумы электровакуумных и полупроводниковых приборов, старение деталей, толчки и вибрация, радиоактивное облучение и т.д. Отклонение (уход) частоты приводит к нежелательным последствиям, таким, как взаимные помехи радиоприёму соседних (по частоте) радиостанций, «уход» (со временем) настройки радиовещательного супергетеродинного радиоприёмника на принимаемую станцию и многое др. Меры С. ч. направлены на повышение устойчивости частоты колебаний генераторов по отношению к дестабилизирующим факторам, т. е. на понижение нестабильности частоты генерируемых колебаний. Последняя характеризуется величиной относительной нестабильности частоты (f/f, где (f ‒ отклонение частоты от первоначального значения f (нередко (f / f называется также относительной стабильностью частоты). Различают нестабильность кратковременную (определяемую отклонением частоты за время <1 сек) и долговременную; на практике пользуются понятиями минутной, часовой, суточной, месячной и годовой нестабильности.
Повышения стабильности частоты в автогенераторе (уменьшения (f/f) достигают увеличением добротности колебательного контура, задающего частоту, и уменьшением его температурного коэффициента частоты, выбором схемы, конструкции и режима работы автогенератора, его термостатированием, стабилизацией питающих напряжений и т.д.
Наиболее распространена кварцевая С. ч., при которой в качестве колебательного контура используют электромеханическую колебательную систему ‒ пьезоэлектрический кварцевый резонатор. Кварцевые генераторы создают на транзисторах, туннельных диодах или электронных лампах; они имеют нестабильность (f/f = 10-6‒10-10 и отличаются малыми габаритами, экономичностью и надёжностью. Высокая стабильность частоты кварцевого генератора достигается благодаря малому температурному коэффициенту частоты кварцевого резонатора, устойчивости его параметров к внешним воздействиям и исключительно высокой добротности (до 107, тогда как добротность обычного колебательного контура в большинстве случаев составляет ~102). Радиотехнические устройства с кварцевой С. ч. широко применяют в радиопередатчиках средней и большой мощности, эталонах и стандартах времени и частоты, в генераторах систем многоканальной связи и т.д.; при этом в диапазонных радиоустройствах используют декадный синтез частот.
Наивысшей стабильностью частоты ((f/f = 10-11‒10-13) обладают квантовые стандарты частоты, что объясняется принципиально более высокой устойчивостью микросистем (атомов и молекул) по сравнению с макросистемами (колебательными контурами, объёмными и кварцевыми резонаторами и др.). Кроме того, микросистема, в отличие от макросистемы, не подвержена старению и механическим воздействиям.
Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.
Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах — пьезоэлектриках. Прямой эффект открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г.[1] Обратный эффект был предугадан в 1881 г. Липпманом на основе термодинамических соображений и в том же году экспериментально подтверждён братьями Кюри.
Пьезоэффект нельзя путать с электрострикцией. В отличие от электрострикции, прямой пьезоэффект наблюдается только вкристаллах без центра симметрии. Хотя в классе 432 кубической сингонии нет центра симметрии, пьезоэлектричество в нём также невозможно. Следовательно, пьезоэффект может наблюдаться у диэлектрических кристаллов, принадлежащим только к одному из 20 классов точечных групп.
Строение для дальномеров
Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению электрического заряда на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями заряда на её поверхности и наоборот.
Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.
Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.
ТЕРМОСТАТ- Физический аппарат, служащий для поддержания, на более или менее продолжительное время, одинаковой температуры.
Обозначения: A) при заданной температуре цепь разомкнута B) когда температура поднимается, полоса изгибается и замыкает цепь. C) общий вид термостата с регулирующим винтом; передвигая фиксированный контакт, можно настроить термостат на требуемую температуру 1) биметаллическая полоса 2) фиксированный контакт 3)изолятор 4) винт регулировки температуры
12. Основные элементы оптических систем для приема и передачи света в дальномерах, их назначение и конструкция. Оптическая система дальномера СТ-5. 
Устройство Светодальномера:
Лазерный диод 8 (рис.) расположен в фокальной плоскости объектива
10. На пути лучей расположены цилиндричеcкая шторка 9 устройства
переключения каналов ОКЗ—дистанция и отражающая грань призмы 7,
которая изменяет направление хода лучей. Возвращенный отражателем пучок
лучей фокусируется объективом 10 на плоскость полевой диафрагмы 2,
приклеенной к торцу стекловолоконного жгута 3. Изображение полевой
диафрагмы, заполненной принятым с дистанции излучением, линзами 4
проецируется на экране фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 6. Перед ФЭУ
установлен интерференционный фильтр 5. Как и в передающей системе,
отражающая грань призмы 7 изменяет направление хода лучей. Полевая
диафрагма 2 ограничивает влияние фоновых засветок. Размеры диафрагмы
рассчитаны из условия оптимальности соотношения величины изображения
отражателя, установленного на предельном расстоянии, и допустимого влияния
засветки.
Устройство зрит. Трубы
Описанная оптическая система направляет излучение на отражатель (на
дистанцию) и принимает его вновь. При оптическом коротком замыкании
(ОКЗ) шторка 9 поворачивается и перекрывает лучи, идущие к призме 7,
открывая при этом им путь мимо призмы 7 непосредственно на полевую
диафрагму 2. Далее лучи по волоконному жгуту направляются на проекци-
онную систему линз 4 и попадают на ФЭУ.
Зрительная труба светодальномера (рис. 5) состоит из объектива 1,
оборачивающей системы 2, сетки 3 и симметричного окуляра 4. Зрительная
труба установлена на бесконечность. Оборачивающая линзовая система создает
прямое изображение.
13. Низкочастотный метод измерения разности фаз. Схема, принцип работы и назначение элементов схемы.
Измерение разности фаз является важной технической задачей при проектировании систем
неразрушающего контроля, поскольку фазовые методы контроля свойств материалов являются одними
из наиболее чувствительных [1].
При создании гомодинных измерительных систем неразрушающего контроля [1], одним из
основных блоков, обеспечивающих получение первичной измерительной информации, является
низкочастотный фазометр. Он должен измерять разность фаз входных сигналов, частота которых не
превышает единиц килогерц с погрешностью, не превышающей десятых долей градуса. Высокие
требования к точности измерения разности фаз связаны с тем, что погрешность фазометра является
одним из основных компонентов общей погрешности измерителей на основе гомодинного
преобразования частоты [2]. Помимо этого, фазометр, входящий в состав измерительной системы
должен обеспечивать возможность дистанционного управления и передачи результатов измерений по
одному из стандартных для вычислительных систем интерфейсов.
Для его реализации был выбран метод измерения разности фаз путем ее преобразования во
временной интервал [3]. При использовании этого метода погрешность измерения разности фаз
определяется следующими факторами: долговременной нестабильностью опорного кварцевого
генератора, дискретностью измерений, а также влиянием шумов и дрейфом уровня формирователя.
Следует также отметить, что измерение самой разности фаз происходит косвенным образом.
Относительная систематическая погрешность измерения разности фаз определяется как
где Tx и T — абсолютные систематические погрешности измерения периода Т сигнала и интервала
Tx, пропорционального измеряемой разности фаз.
Поскольку относительные систематические погрешности измерения периода сигнала и интервала,
пропорционального разности фаз, одинаковы и численно равны относительной долговременной
нестабильности частоты опорного генератора, они компенсируются, поэтому 0. Следовательно,
изменение частоты опорного генератора не приведет к возникновению погрешности измерения разности
фаз.
Основной вклад в погрешность измерения разности фаз методом преобразования во временной
интервал вносит погрешность дискретизации. Из [3] относительное СКО погрешностей измерения Т и
Tx можно определить с помощью выражения
где T 0 — период счетных импульсов.
На рисунке 1 показана укрупненная структурная схема разработанного фазометра. Входные
сигналы подаются через фильтры нижних частот 1 и 2, на входы формирователей 3 и 4 соответственно,
выполненные на быстродействующем сдвоенном компараторе AD8564. С выходов формирователей
сигналы поступают на вход блока измерения временных интервалов 5. Он реализован на микросхеме
ПЛИС серии MAX7000S фирмы Altera.
Блок измерения временных интервалов, по командам от блока управления и сопряжения 7
осуществляет измерение частот сигналов на опорном и измерительном входах, а также длительности
временного интервала, соответствующего разности фаз входных сигналов. Источник счетных импульсов
6 — кварцевый генератор JCO14 c частотой 100 МГц и долговременной нестабильностью частоты не
хуже 5105 Гц.
14. Измерение разности фаз с помощью электронно-счетного фазометра: схема и принцип работы. Возможности автоматизации обработки результатов. 
15. Источники ошибок при измерении расстояний светодальномерами. Оценка точности результатов измерений. Измерение расстояний с помощью светодальномера основано на измерении промежутка времени t, в течение которого свет дважды проходит расстояние D, в прямом и обратном направлении (рис.4.27).
Рис.4.27
Обозначив через V скорость света в атмосфере, напишем формулу для расстояния:
D = V * t/2. (4.40)
Скорость света в вакууме V0 считается известной V0 = 299 792 458 м/сек, а для получения скорости света в атмосфере V нужно еще знать показатель преломления воздуха n:
V = V0/n. (4.41)
Светодальномеры бывают импульсные и фазовые. В импульсных светодальномерах промежуток времени t измеряется непосредственно,а в фазовых - через разность фаз.
В фазовых светодальномерах используют модулированный свет; частота модуляции бывает от 7 мгц до 75 мгц (что соответствует длине волны от 4 до 40 метров); это так называемая измерительная или масштабная частота; несущие волны располагаются в субмиллиметровом диапазоне.
Приведем рабочие формулы для вычисления расстояний, измеренных фазовым светодальномером:
или D = (N + ΔN) * λ/2. (4.42)
где: f - масштабная частота,
l - длина волны, соответствующая масштабной частоте,
N - число, показывающее сколько раз половина длины волны укладывается в измеряемом расстоянии; оно определяется при "грубом" измерении расстояния на нескольких масштабных частотах, ΔN - домер фазового цикла; именно он и подлежит точному измерению.
На практике для вычисления горизонтального проложения линии, измеренной светодальномером, используют формулу:
Sизм = Dст. + ΔD t + ΔDP + ΔDe + C - ΔDH, (4.43)
где: Dст.- длина линии, соответствующая некоторому стандартному значению скорости света Vст. при значениях температуры t0 и давления P0; обычно принимают:
t0 = + 12oC, P0 = 984 ГПА,
ΔDt, ΔDP, ΔDe - поправки за отклонение фактических значений метеоэлементов от их стандартных значений,
ΔDt = kt * Dст./100, ΔD P = kP * Dст./100, ΔDe = ke * Dст./100.
Коэффициенты kt (температурный), kP (давления) и ke (влажности воздуха) выбирают из заранее составленной таблицы,
C- постоянная поправка светодальномера, определяемая по специальной методике,
ΔDH - поправка за наклон линии:
(4.44)
Согласно ГОСТу 19223-90 светодальномеры в нашей стране выпускаются четырех типов (групп):
Г - для государственных геодезических сетей;
П - для прикладной геодезии и маркшейдерии;
Т - для сетей сгущения и топографических съемок;
СТД - для топографических съемок (диффузное отражение).
Средняя квадратическая ошибка расстояния, измеренного светодальномером, вычисляется по формуле:
mD = a + b * D * 10-6.
Для каждой группы светдальномеров значения коэффициентов a и b имеют значения:
СГ (0.1 км < D < 30 км) a = 1мм; 2 мм; b = 1; 2;
СП (0.001 км < D < 5 км) a = 0.1мм; 0.5 мм; 1мм; 2 мм;
СТ (0.002 км < D < 15 км) a = 5 мм; 10мм; b = 3; 5;
СТД (0.002 км < D < 500 м) a = 20 мм.
Устройство конкретного светодальномера, порядок его поверок и исследований, правила подготовки к работе, методика измерения расстояния, обработка измерений, - все это подробно описывается в документации, прилагаемой к каждому экземпляру светодальномера.
Приведение измеренного расстояния к центрам пунктов. При измерении расстояния светодальномером может возникнуть ситуация, когда центрирование светодальномера и отражателя выполнить не удается; в этом случае нужно ввести в измеренное расстояние поправки за центрировку и редукцию.
Рис.4.28
Пусть на рис.4.28-а точка B обозначает центр пункта, а точка B' - проекцию на горизонтальную плоскость оси вращения светодальномера; точка A обозначает центр второго пункта. Измерим элементы центрировки: l - линейный элемент и Θ - угловой элемент; по аналогии с центрировкой теодолита угол Θ строится при проекции оси вращения прибора и отсчитывается от линейного элемента по ходу часовой стрелки до направления на наблюдаемый пункт A.
В треугольнике BAB' угол при точке A очень мал, поэтому в зависимости от положения точки B' относительно точки B будет выполняться одно из равенств:
γ = Θ, γ = 180o - Θ, γ = Θ - 180o, γ = 360o - Θ. (4.45)
Опустим перпендикуляр из точки B' на линию BA, тогда поправка за центрировку будет равна:
ΔSc = BC = 
l * Cos(g) = - l * Cos(Θ). (4.46)
Аналогичные построения на пункте установки отражателя (A - центр пункта, A' - проекция оси вращения отражателя, l1 - линейный элемент и Θ1 - угловой элемент редукции) позволяют написать формулу:
ΔSо = AD = l1 * Cos(g1) = - l1 * Cos (Θ1). (4.47)
Расстояние S, приведенное к центрам пунктов будет равно:
S = Sизм + Δ Sс + ΔSо. (4.48)
16. "Постоянная" дальномера: ее сущность и способы определения.