9. Меры частоты

В соответствии с общей классификацией средств измерения по их метро­логическим функциям (§ 1.2) меры частоты делят на эталоны, образцовые и рабочие меры, а согласно принципу действия различают квантовые меры и кварцевые генераторы.

В квантовых мерах в качестве опорной частоты используют одну из спектральных линий атомов или молекул вещества и соответственно квантовую меру частоты называют атомной или молекулярной. Если в квантовой мере частоты используют частоту излучения электромагнитных волн одного из переходов ато­мов или молекул, то такую меру называют активной. Если же опорной часто­той служит частота поглощения электромагнитных волн одного из переходов атомов или молекул, квантовую меру называют пассивной.

В зависимости от применяемого вещества различают рубидиевые, цезиевые и водородные квантовые меры.

Частота электрических колебаний меры не остается постоянной с течением времени. Изменения частоты могут быть систематическими (монотонными) и случайными. Систематические изменения характеризуются относительной (по отношению к номинальному значению частоты) вариацией частоты, а случай­ные изменения относительной нестабильностью частоты. Последняя характе­ристика определяется как среднеквадратическое относительное отклонение дей­ствительного значения частоты, причем усреднение проводится за интервал времени, много больший интервала выборки (интервал усреднения обязательно указывается). Принято различать долговременную нестабильность (за 30 дней; сутки; 1 ч; 10 мин) и кратковременную (за 10; 1; 0,1 ; 0,01 и 0,001 с).

Кварцевые генераторы применяют в современной измерительной технике преимущественно в качестве образцовых мер частоты. Они обладают достаточ­но высокими характеристиками. Например, у кварцевого генератора, служаще­го источником образцовых частот 0,1; 1 и 5 МГц, относительная суточная ва­риация частоты 5-10^-10, а относительная нестабильность частоты за 10 и 1 с не превышает 1-10^-11. Основным недостатком кварцевых мер частоты является продолжительное время вхождения в режим (от 24 ч до 6 мес для различных типов приборов).

Квантовые меры частоты лишены указанного недостатка и обладают мно­гими достоинствами: практической независимостью частоты от внешних условий и параметров установки (ока определяется атомной постоянной), минимальной шириной спектральной линии, малой погрешностью воспроизведения, просто­той, надежностью и устойчивостью при весьма продолжительной работе. Осно­ву «вантовой меры частоты составляет кварцевый генератор, синхронизируе­мый по частоте квантового генератора (водородная мера) или квантового дис­криминатора (рубидиевая, цезиевая меры). Долговременная нестабильность час­тоты квантовой меры определяется главным образом нестабильностью частоты квантового генератора или частоты настройки дискриминатора, а кратковремен­ная нестабильность характеристиками кварцевого генератора и цепей систем автоподстройки.

Приведем основные характеристики рубидиевой, цезиевой и водородной мер частоты. Каждая из них вырабатывает напряжения 1 В на нагрузке сопротивлением 50 Ом, частоты которых 0,1; 1 и 5 МГц. Соответственно погрешность воспроизведения действительного значения частот 1•10^-10, 3•10^-12 и 3• 10^—12 систематические изменения частоты 3•10^-11 (за 30 сут), 3*10^-12 (за год) и 3•10^-12. (за год); относительная нестабильность частоты 2• 10^-11, 2• 10^-11 и 5• 10^—12 за сутки, 2-10^-11, 2•10^—12 и 5• 10^—12 за 1 с.

Для поверки местных мер частоты по радио передают сигналы образцовых частот в диапазонах сверхдлинных волн 10... 29,9 кГц с дискретностью 100 кГц, длинных волн 66,6, 200 и 100 кГц, коротких волк 2496...30004 кГц с дис­кретностью 4 кГц. Сличение с этими сигналами осуществляется посредством приборов, называемых приемниками сигналов эталонных частот и сигналов вре­мени.

Для измерения нестабильности частоты и фазы источников сигналов, ха­рактеризующихся высокой стабильностью параметров, применяется частотный компаратор. Совместно с цифровым частотомером, анализатором спектра и са­мопишущим микроамперметром компаратор измеряет разность значений частот двух периодических сигналов, кратковременную и долговременную нестабильно­сти частоты, девиацию частоты в определенной полосе частот. С помощью ком­паратора можно быстро и точно подстраивать частоту источника сигналов по Местной мере частоты. Для представления о важнейшей характеристике ком­паратора вносимой им нестабильности частоты — приведем данные одного из современных приборов: при интервалах наблюдения 100, 1, 0,1, 0,01, 0,001 с относительная нестабильность не превышает соответственно значений 2-10^-13, 1•10^-12, 1•10^-11, 1•10^-10, 1•10^-9.

В нашей стране и за рубежом постоянно ведутся работы, направленные на повышение точности национальных эталонов и снижение погрешностей их срав­нения [103].