- •Лекция 1 Введение
- •Классификация приборов
- •Общий принцип измерения физичеcких величин
- •Основные параметры приборов
- •Приборы для измерения механических величин
- •Приборы для измерения линейных размеров
- •Угломерные приборы
- •Приборы для измерения объема тел
- •Часы и частотомеры
- •Измерение линейных и угловых скоростей
- •Акустические приборы
- •Приемники звука
- •Приборы звукозаписи и звуковоспроизведения
- •Приборы для измерения сил. Весы
- •Основы электрических цепей и электронных приборов Единица количества электричества
- •Электрическое поле
- •Источники электрического тока
- •Скорость электрического тока
- •Направление электрического тока
- •Величина тока
- •Электрическое напряжение
- •Электрическое сопротивление
- •Механизм электрической проводимости полупроводников
- •Закон Фарадея как два различных явления
- •Полупроводниковые диоды Полупроводники. P-n переход
- •Вольт-амперные характеристики диодов
- •Биполярные транзисторы
- •Как усиливает биполярный транзистор
- •Особенности биполярных транзисторов
- •Температурная нестабильность
- •Коэффициент усиления
- •Коэффициент усиления
- •Полярность напряжений питания
- •Графические характеристики биполярного транзистора Входные статические характеристики в схеме с оэ
- •Для чего используются входные статические характеристики
- •Анализ электронных схем Почему используются синусоиды?
- •Постоянная и переменная составляющие
- •Полярность напряжений и токов в электронных схемах
- •Биполярный транзистор в роли линейного усилителя Общие сведения
- •Транзистор в роли усилителя
- •Рабочая точка транзистора
- •Почему важен выбор рабочей точки транзистора
Часы и частотомеры
Часы – прибор для счета количества одинаковых промежутков времени, принятых за единицу, от какого-то условного начала отсчета. Часы – один из древнейших приборов. Наиболее древними являются солнечные часы – шест, тень от которого перемещается по некоторой поверхности, вообще говоря, любой и любым образом расположенной в пространстве (рис. 12).
Рис. 12. Солнечные часы а – с горизонтальным циферблатом,
б – с вертикальным, в – с равномерными делениями.
Но для того чтобы шкала была равномерной (деления, соответствующие часу, были бы одинаковыми и равными 360°/24 = 15°), надо, чтобы шест был расположен параллельно оси вращения Земли, а плоскость круга-циферблата была перпендикулярна к ней, т. е. и то и другое надо наклонить к северу (в Северном полушарии) на угол 90° – , где– широта местности. Однако такие часы будут работать только в летнем полугодии, так как в зимнем солнце окажется ниже плоскости циферблата. Для измерения малых промежутков времени применялось пересыпание песка из одного сосуда в другой или переливание воды (песочные, водяные часы).
Однако значительно большую точность обеспечивают часы, опирающиеся на какие-либо периодические процессы. Чем строже периодичность этих опорных процессов, тем точнее часы, а чем больше их частота, тем, как известно, легче это обеспечить и, кроме того, точнее отсчет.
В механических часах в качестве таких процессов используют колебания маятника (в стенных часах) или балансира – маховичка, который возвращается спиральной пружиной к нулевому положению, но по инерции проскакивает его (рис. 13). Существенной частью и тех и других часов является анкерный механизм, состоящий из колесика с зубцами определенной формы (храповик) и коромысла с двумя зубцами, скрепленного с колеблющимся телом и приходящего от него в колебания (анкер). Расстояние между зубцами анкера равно полуцелому числу зубцов храповика, например 3,5. Задача анкерного механизма двойная. С одной стороны, отпуская при каждом колебании зубчатое колесо на один зубец, он обеспечивает более равномерное вращение всех сцепленных друг с другом зубчатых колес, которым сообщает вращательное движение гиря или пружина. С другой стороны, зубцы анкерного механизма устроены так, что зубчатое колесо слегка подталкивает каждый раз коромысло, а с ним и маятник или балансир, делая их колебания незатухающими.
Рис.13. Основные детали механических часов: а – маятниковые часы,
б – балансовые (1 – маятник, 2 – анкер, 3 – храповик)
Главным параметром часов является стабильность хода – вариация суточного хода. Этот параметр не следует путать с тем, что часы могут быть плохо отрегулированы (спешат или отстают). Скорость хода часов можно отрегулировать высотой груза на маятнике или длиной работающей части пружины балансира, кроме того, это легко учесть, вводя поправку. Вариация суточного хода – непредсказуемые колебания скорости хода часов, возникающие в результате изменения температуры, давления, влажности, состояния смазки, износа, изменения положения часов в пространстве, вибрации и т. д. В бытовых механических часах ее трудно сделать менее 10 с. В морских механических хронометрах, по которым до недавнего времени определяли долготу места, суточная вариация не более 0,1 с.
Значительно большую равномерность хода имеют часы, опирающиеся на акустические колебания, – так называемые кварцевые часы. Кристалл кварца, являясь пьезоэлектриком, будучи приведен в колебания, превращает механические колебания высокой частоты в электрические, которые далее усиливаются электронным усилителем. В то же время усилитель, получая энергию от блока питания, отдает часть ее кристаллу, поддерживая незатухающие колебания. Как и в механических часах, слишком высокая частота уменьшается в нужное число раз делителем частоты, только в кварцевых часах это делает не механический редуктор, а электронное устройство. Индикатор используется также электронный цифровой. Вариация суточного хода кварцевых часов доводится до 10-6 с, а в стационарных условиях может быть еще меньше. Кварцевые часы в настоящее время интенсивно вытесняют механические даже из домашнего обихода.
Наиболее точными современными часами являются атомные (или квантовые) часы, в которых в качестве опорных используются оптические колебания атомов. Таковы, например, цезиевые часы. Поскольку частота опорных колебаний в этом случае очень велика (порядка 10-15 с-1), она не поддается делению. Взаимодействие блоков атомных часов таково: источник возбужденных атомов цезия поставляет их в оптический резонатор, в котором и возникают электромагнитные колебания. В атомные часы в качестве их составной части входят кварцевые часы.
Взаимодействие блоков атомных часов таково: источник возбужденных атомов цезия поставляет их в оптический резонатор, в котором и возникают электромагнитные колебания. В атомные часы в качестве их составной части входят кварцевые часы. Частота колебаний, вырабатываемых кварцевыми часами, умножается во столько раз, чтобы результирующую частоту можно было сравнить с в специальной схеме сравнения, куда поступают обе частоты. Схема сравнения вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный разности . Этот сигнал подается на кварцевые часы, подправляя так, чтобы. Так атомные колебания используют для контроля хода кварцевых часов, по которым и определяется время. Суточная вариация атомных часов менее 10-11 с.
В связи с наличием вариации суточного хода часы необходимо проверять (производить поверку), т. е. сверять с другими, более точными, или с периодическим процессом, период которого принят за эталон. Поскольку за основу шкалы времени был принят период обращения Земли вокруг своей оси (сутки), часы устанавливались по астрономическим наблюдениям за суточным вращением звездного неба. Однако с появлением кварцевых и атомных часов в результате точнейших измерений выяснилось, что Земля вращается неравномерно, и за основу шкалы времени был выбран период вращения Земли вокруг Солнца (год). Часы стали устанавливать по астрономическим наблюдениям за годичным кажущимся перемещением Солнца по небесной сфере.
Этот процесс принят в настоящее время за эталон, а рабочими мерами для поверки всех часов служат атомные часы. Однако точность атомных часов сейчас выше, чем результаты астрономических наблюдений, и для некоторых целей эталонным считают «атомное время», отсчитываемое атомными часами.
Для отмеривания определенного отрезка времени служат секундомеры, механические таймеры, в быту – будильники. В электрических реле времени отрезки времени (от 10-3 с до нескольких минут) отмеряются по времени зарядки (или разрядки) конденсатора через резистор по закону . При изменении напряжения, например,в е раз (за t = RC) срабатывает реле, включающее или выключающее любое устройство.
Частотомер (герцметр) – прибор, отличающийся от часов тем, что измеряет не общее количество одинаковых промежутков времени, а число этих промежутков за единицу времени. Частотомер включают только во время измерений, часы же не останавливают вообще.