2. Измерение частот в радиодиапазоне. Стандарты частоты.

В широком диапазоне низких и высоких частот работают частотомеры, основанные на методах заряда - разряда конденсатора и дискретного счёта.

Для измерения высоких и сверхвысоких частот (от 50 кГц и выше) применяются частотомеры, базирующиеся на резонансном и гетеродинном методах.

На СВЧ (от 100 МГц и выше) широко применяется метод непосредственной оценки длины волны электромагнитных колебаний при помощи измерительных линий.

В качестве источников высокостабильных образцовых частот используют кварцевые, молекулярные и атомные генераторы, а в области низких частот камертонные генераторы.

Через радиостанции Государственной службы времени и частоты СССР регулярно передаются колебания ряда образцовых частот (100 и 200 кГц, 2,5; 5; 10 и 15 МГц), которые представляют собой немодулированную несущую, периодически прерываемую подачей позывных и сигналов точного времени. В частности по основным радиостанциям передаются сигналы проверки времени, которые содержат некоторый набор частот.

Измерение частоты при помощи вольтметра

Подстраиваем потенциометр таким образом, чтобы амплитуды напряжений на потенциометре и конденсаторе были равны, затем вычисляем частоту как Можно оценить частоту по отношению амплитуд и для фиксированного резистора.

Диапазон измерений 100 Гц – 1 МГц. Ограничения связаны в основном с точностью и стабильностью R и С.

Ёмкостные измерители

Ёмкостные измерители измеряют средний ток зарядка конденсатора на полупериоде. Схема построена так, что разрядка конденсатора производится в обход измерителя.

Для повышения точности, зарядка производится прямоугольными импульсами, формируемыми мультивибратором и триггером Шмидта.

Диапазон частот: 10 Гц – 1 МГц.

Точность: 1%.

Электронно-счётные (цифровые) частотомеры

Аналоговый сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов. Далее в течение фиксированного промежутка времени осуществляется подсчёт таких импульсов и вычисление частоты по формуле: f = N / t.

Диапазон частот: 10 Гц - 100 МГц

Точность: 0,0005%

Ограничения вызваны: точностью опорной частоты для фиксации временных интервалов. Максимальная частота ограничена быстродействием полупроводниковых элементов. При низких частотах цифровые частотомеры переключаются в режим измерения длительности периода.

Осциллографические методы измерения частоты

Фигуры Лисажу позволяют сравнить частоту неизвестного сигнала с частотой пробного сигнала (подобрать частоту пробного сигнала и по ней определить неизвестную частоту). Соотношения частот определяются по изображению как соотношение количеств точек пересечения вертикальных и горизонтальных прямых.

Если нужно измерять некратные частоты, что можно измерить период полного цикла изменений и получить, а дальше использовать соотношение |fx - fy| = 1/Δt.

Верхняя частота – 10 МГц (далее сложно поймать картинку, т.к. малая нестабильность приводит к слишком большим изменениям).

Другой вариант – организовать круговую развёртку путём подачи опорной частоты на X и на Y со сдвигом по фазе на 90°, а пробную частоту подавать на модулятор яркости пучка. В случае целочисленного соотношения на экране будет штрихованная окружность. В противном случае – сплошная.

Метод биений

Скалываем два сигнала и определяем частоту биений F = |f₀-f_x| (возможно, в ручную). Сложение может осуществляться за счёт индуктивной связи в трансформаторах.

Кварцевый калибратор

Кварцевый калибратор – генератор опорных частот. Генератор работает в нелинейном режиме (сигнал сильно негармонический). В результате генерируется целый набор частот: f₀, 2f₀, 4f₀,… (до сотни гармоник) Этот сигнал при необходимости фильтруется и делится, а затем подаётся на антенну, по которой калибруются приёмники. Также можно использовать и для калибровки генераторов путём минимизации биений.

Стабильность частот - 0,01 - 0,001%.

Гетеродинные частотомеры

Гетеродин - маломощный генератор с плавно регулируемой частотой настройки. Дальше схема аналогична предыдущей. Индикация нулевых биений осуществляется телефонами, осциллографическими и электронно-световыми индикаторами, а также стрелочными измерителями.

Определение частоты при неизвестном номере совпадающей гармоники:

f_x = n*f_г1 = (n+1)*f_г2  n = f_г2/(f_г1-f_г2)  f_x = n*f_г1 = f_г1*f_г2 / (f_г1-f_г2).

На больших частотах для измерения разностной частоты используются дополнительные частотомеры (поскольку добиться нулевых колебаний на больших частотах очень сложно): ёмкостные или электронно-счётные.

Диапазон использования гетеродинных частотомеров - 100 кГц до 100 ГГц

Точность: 10^-4 – 10^-6

Гетеродини́рование — преобразование частоты сигнала в пару различных сигналов с разными частотами, эти сигналы принято называть сигналами промежуточных частот, причём исходная фаза сигнала сохраняется в порождённых сигналах.

Резонансные частотомеры

Резонансный частотомер - колебательная система, настраиваемая в резонанс с измеряемой частотой.

Резонансная частота определяется по показаниям калиброванного органа настройки.

Для частот 50 кГц – 100 МГц используются LC-контуры. Подстраивается ёмкость. Сигнал заводится через индуктивную связь или через антенну.

f₀ = 1/(2π*(L₀C₀)^0,5)

В диапазоне 100 до 1000 МГц используются частотомеры с сосредоточенной ёмкостью и распределённой индуктивностью (вместо индуктивности используется проводник специальной формы).

Для более высоких частот используются измерители на основе объёмных резонаторов.

Точность ~0,1%.

Стандарты частоты

Стандарты частоты радиодиапазона по принципу действия бывают кварцевые и квантовые.

Кварцевые стандарты представляют собой высокостабильные кварцевые генераторы, в настоящее время используются редко.

Квантовые стандарты частоты используют квантовые переходы частиц (атомов, молекул, ионов) между уровнями.

• Активные квантовые стандарты частоты - переходы атомов и молекул приводят к излучению электромагнитных волн, частота которых служит стандартом или опорной частотой. Такие приборы называются также квантовыми генераторами.

• Пассивные квантовые стандарты частоты - измеряемая частота внешнего генератора сравнивается с частотой, соответствующих определённому квантовому переходу, то есть с частотой спектральной линии.

Цезий 133 - 9 192 631 770 Гц. Точность 10^-13.

Рубидий - 6 834 682 610 Гц. Точность 10^-12.

Водород - 1 420 405 752 Гц. Точность 10^-15.

В атомных часах газ находится в микроволновом резонаторе. Водородные мазеры излучают сигнал, а цезиевые и рубидиевые – поглощают. Сигнал генерируется электрическим генератором (вероятно на базе кварца) с подстраиваемой частотой. Частота подстраивается с помощью обратной связи, которая должна минимизировать разность частот генератора и частоты перехода атомов газа в резонаторе.

Для повышения точности газ охлаждают до температур близких к абсолютному нулю. Точность бывает разной: как долговременной, так и коротковременной.

Источники

http://www.radioscanner.ru/bands/document23

https://ru.wikipedia.org/wiki/Сигнал_проверки_времени