Измерение интервалов времени, частоты и фазовых сдвигов

4.1Общие сведения

Интервалы времени. Решение многих научных и технических проблем связано с измерением интервалов времени, разделяю­щих два характерных момента какого-либо процесса.

Измерения интервалов времени необходимы при разработке и испытании всевозможных схем задержки и синхронизации, при исследовании цифровых систем, многоканальных систем с вре­менным разделением каналов, применяемых в технике связи и ра­диотелеметрии, устройств телеуправления и автоматической ком­мутации, аппаратуры, используемой в ядерной физике, вычисли­тельной технике и т. д. Подобные измерения особенно важны в приборостроении, поскольку во многих случаях используемые в ней преобразования аналоговых величин в цифровой код осуще­ствляются в результате промежуточного преобразования измеря­емой физической величины в интервал времени.

Будем полагать, что измеряемый интервал времени ∆t_x задан двумя импульсами (рис. 4.1,а). Условно назовем первый импульс опорным (О), а второй интервальным (И). При определении дли­тельности τ_х прямоугольного импульса опорный импульс соответст­вует фронту исследуемого сигнала, а интервальный — срезу (рис. 4.1,6 и в); при определении периода сигнала опорный и интерваль­ный импульсы отмечают соседние моменты перехода напряжения через нулевой уровень с производной одинакового знака.

Методы измерения интервалов времени разнообразны. К чи­слу наиболее известных относятся методы дискретного счета (пре­образования интервала времени в цифровой код), временных раз­верток, нулевой и совпадения.

Частота. В частотоизмерительной технике основополагающей характери­стикой периодического сигнала явля­ется период. (Поэтому начать следует с его определения.

Периодом Т периодического сигна­ла называют наименьший интервал времени, через который регулярно, по­следовательно повторяется произволь­но выбранное мгновенное значение u(t) периодического сигнала. С мате­матической точки зрения это интер­претируется так: период Т — наимень­ший интервал времени, удовлетворяю­щий уравнению: где

Частота / периодического сигнала — физическая величина, зна­чение которой обратно значению периода этого сигнала, т. е.

Отношение числа п периодов периодического сигнала к интер­валу времени Δt, за который сосчитано это число, дает среднее (за интервал Δt) значение частоты, называемое обычно средней частотой периодического сигнала. На практике чаще всего нахо­дят среднюю частоту, хотя экспериментаторы обычно принима­ют такой результат ее измерения за значение частоты периодиче­ского сигнала.

Приборы для измерения частоты называют частотомерами.

Угловая частота¹ — измерение фазы гармонического сигнала в единицу времени.

Измерение частоты осуществляется путем сравнения ее с ча­стотой частотно-задающего процесса, принятой за единицу (ча- стотно-задающий процесс может быть эталонным, образцовым или рабочим в зависимости от меры, его воспроизводящей). Этот вид измерений составляет одну из важных задач измерительной тех­ники. В электронике, радиотехнике, автоматике и других близких к ним областях науки и техники используются сигналы самых раз­нообразных частот — от долей герца до тысяч гигагерц.

Методы измерения частоты многообразны. В современной из­мерительной технике доминирующее положение занимает метод дискретного счета, на основе которого строят цифровые (элект­ронно-счетные) частотомеры. Этот метод обладает многими досто­инствами: очень широкий диапазон частот, которые можно изме­рить одним прибором (например, от 10 Гц до 32 ГГц); высокая точность измерений; получение отсчета в цифровой форме; воз­можность выдачи результатов измерений для печати или запо­минания их; возможность обработки результатов наблюдений с помощью ЭВМ или микропроцессорной системы; упрощение про­ектирования цифровых измерителей, допускающих присоединение к интерфейсной шине — включение в состав измерительно-вычис­лительного комплекса; возможность построения многофункци­ональных и многорежимных программируемых приборов с встро­енным микропроцессором.

Применяют также метод измерения, основанный на сравнении измеряемой частоты с частотой другого источника (как прави­ло, образцового) с помощью осциллографа, гетеродинный и резо­нансный методы.

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры, как правило, представляют собой многофункциональные приборы: помимо ча­стоты, они измеряют период периодического сигнала, длительность импульса, интервалы времени, заданные двумя короткими импуль­сами, отношение частот двух сигналов, разность частот и т. д.

Фазовый сдвиг. Эта величина характеризует взаимодействие сигналов. Фазовым сдвигом называют модуль разности началь­ных фаз двух гармонических сигналов одинаковой частоты. Если представить математические формулы указанных сигналов в виде то согласно определению фазовый сдвиг

Необходимость в измерениях этого параметра возникает при исследовании четырехполюсников (усилителей, фильтров, транс­форматоров), градуировке фазовращателей, снятии фазочастотных характеристик различных устройств и т. п. Измерения проводят различными методами. Наиболее известны следующие: преобра­зования фазового сдвига в интервал времени с последующим из­мерением последнего, преобразования фазового сдвига в напря­жение, метод эллипса, нулевые методы.

Преобразование фазового сдвига в напряжение осуществляет­ся балансным фазовым детектором. Принцип действия последне­го, а также соотношения, устанавливающие связь между напря­жением на выходе детектора и измеряемым фазовым сдвигом, излагаются в книгах по радиоприемным устройствам. Метод эл­липса, реализуемый с помощью осциллографа, основан на ис­пользовании уравнения (3.3) и сводится к геометрическим изме­рениям на экране трубки. Он исключительно прост и приводится в описаниях к осциллографам. Поэтому эти два метода в настоя­щей главе не рассматриваются.

Приборы, измеряющие фазовые сдвиги, называют фазометра­ми или измерителями фазовых сдвигов.