ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

метки: Частота, Измерение, Метод, Сигнал, Возможность, Относиться, Единица, Оценка

Измерение частоты и интервалов времени, а также хранение и воспроизведение их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в совре­менной радиотехнике. Техническая аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов и средств, обеспечивающий возможность прове­дения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону час­тоты и времени. Последнее определяет принципиально высокую точность измерений

10.1. Общие сведения

Частота f или период Т относятся к основным параметрам любого гармо­нического или периодического процесса. В общем случае под частотой по­нимают число идентичных событий, происходящих за единицу времени. Для периодических, но не гармонических колебаний строго справедливо лишь понятие периода. Однако и в этом случае часто говорят о частоте, понимая под этим величину, обратную периоду.

Единица циклической частоты f — герц (Гц) — соответствует одному колебанию за 1 с. Отметим, что исторически в радиотехнике высокие часто­ты принято обозначать буквой f , а низкие — F.

Напомним, что гармонический сигнал записывается как

u(t) = Umcos((ωt + φ0) = Ucos φ(t), (10.1)

где Um — амплитуда; ω — угловая (круговая) частота; φ0 — начальная фаза;

• φ(t) = ωt + φ0 — полная (текущая, мгновенная) фаза.

Угловая частота ω = 2πf выражается в рад/с и равна изменению текущей фазы сигнала φ(t) за единицу времени. Угловая частота записывается для вы­соких и низких частот соответственно как ω = 2πf и Ω= 2π F. Для гармониче­ских сигналов (в том числе и искаженных по форме, но не по периоду следо­вания) частота определяется числом переходов через ось времени (т. е. через нуль) за единицу времени.

При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной угловой частоты ω(t) = dφ(t)/dt = 2π f(t), где f(t) — мгновенная циклическая часто­та. При описании методов измерения частоты имеется будем иметь в виду ее среднее значение за время измерения. Различают также долговре­менную и кратковременную нестабильности частоты, связанные соответст­венно с постоянным изменением частоты за длительный и короткий интерва­лы времени и с ее флуктуационными изменениями. Граница между этими не-стабильностями условна и задается путем указания времени измерения.

Так как измерение частоты, по самому ее определению занимает определен­ный промежуток времени, то результатом измерения является усредненное на интервале времени Тсч значение частоты и, следовательно, можно ожидать, что погрешность измерения частоты будет зависеть от времени усреднения.

Метрическая система мер. Её значение для развития науки об измерениях

... создал секретариат-докладчик по теме "Единицы измерений", задачей которого является разработка типового проекта законодательства по единицам измерений на основе Международной системы единиц. Ведение секретариата-докладчика по этой теме ... мер, которая была принята и имеется в употреблении в настоящее время.Комиссия Академии наук с самого начала работ по разработке новой системы мер установила, что ...

Интервалом времени △t в общем случае называется время, прошедшее между моментами двух последовательных событий. К числу таких интер­валов относятся, например, период колебаний, длительность импульса или длительность интервала, определяемая разносом по времени двух импульсов.

Периодом Т называется интервал времени, через который регулярно по­вторяются мгновенные значения гармонического или периодического сиг­нала u(t).

Отсюда следует, что u(t) = u(t + nT), где п = 1, 2, 3, … . Для гармо­нического сигнала, например для u(t) = Umsin(2πt/T) = Umsinφ(t), период коле­бания Т можно также определить, как интервал времени, в течение которого фаза сигнала φ(t)(в радианах) изменяется на 2π .

Частота f и период колебания Т дуальны (т. е. двойственны, равноправны) и связаны формулой f = 1/T. Поскольку эти две физические величины нераз­рывно связаны, измерение одной величины можно заменить другой. Но на практике чаще измеряется частота.

Аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредст­венной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Это факти­чески гарантирует возможность принципиально высокой точности измерений.

Основными измерительными приборами и средствами частотно-временных измерений являются:

• осциллографы;
• приемники сигналов эталонных частот и компараторы;
• преобразователи частоты сигналов;
• частотомеры резонансные;
• частотомеры на основе метода заряда-разряда конденсатора;
• частотомеры цифровые;
• цифровые измерители частоты и интервалов времени.

Базой для частотно-временных измерений служит группа Государствен­ных стандартов частоты — высокоточных мер частоты и времени, объеди­няющая рубидиевый, цезиевый, водородный и кварцевый стандарты. При­вязка к ним практических измерений осуществляется приемниками сигналов эталонных частот, передаваемых радиостанциями Государственной службы частот и времени, а также компараторами и преобразователями частоты сиг­нала. Последние применяются для переноса частоты или спектра измеряемо­го сигнала в тот диапазон частот, где наиболее целесообразно производить необходимое измерение.

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты применяют различные способы и приемы измерения, основанные как на использовании методов сравнения, так и методов непо­средственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и с помощью осцилло­графа) используют сравнение измеряемой частоты с частотой источника об­разцовых колебаний. Эти методы применяются в основном для градуировки генераторов различных измерительных приборов. На основе метода сравне­ния действуют осциллографические способы измерения частоты и гетеро­динные частотомеры. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот. Перечис­лим методы, основанные на использовании осциллографа в качестве устрой­ства сравнения:

Поверка электронно счетных частотомеров Поверка универсальных ...

... и низшей частоте диапазона, установленного для частотомера в режиме измерения периода. Поверка универсальных электронно-лучевых осциллографов Нормируемые параметры и метрологические характеристики К метрологическим характеристикам осциллографов, связанным с параметрами исследуемых сигналов, относятся: ...

• определение частоты методом фигур Лиссажу;
• определение интервалов времени (периода, длительности импульса и т.д.) с использованием калиброванной развертки осциллографа;
• определение частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке.

Первые два из перечисленных методов рассмотрены в лабораторных работах. Третий метод реализуется при условии, что неизвестная частота fx больше образцовой f0. Кру­говая развертка создается при подведении к входам У и X осциллографа гармони­ческих сигналов образцовой частоты f0, сдвинутых взаимно по фазе на 90°. По­давая гармонический сигнал с измеряемой частотой fx на вход Z модуляции ярко­сти луча осциллографа и регулируя частоту f0, можно получить практически не­подвижную модулированную по яркости круговую развертку (рис. 10.1).

Если N — число ярких дуг (или темных промежутков между дугами) на круговой развертке, то частота fx=Nf0 (на рис. 10.1, fx=10f0.Все осциллографические методы имеют невысокую точность (относительная погрешность измерений порядка 10 -1…5-10 -2).

Верхняя граница диапазона измеряемых частот onределяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 500 Мгц.

К приборам , работающим по методу непосредственной оценки ,относятся резонансные частотомеры и измерители частоты, использующие метод заряда и разряда конденсатора. Современное измерение частоты методом непосредственной оценки главным образом выполняется электронно-счетным, илицифровым (дискретного счета) методом, на основе которого создаются цифровые (электронно-счетные — ЭСЧ частотомеры).

К достоинствам этого метода относится высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых частот; возможность обработки результатов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.).

Цифровые частотомеры позволяют измерять не только частоту колебаний, но и интервалы времени.