Глава 4. Средства измерения временных параметров сигнала,

измерительные генераторы.

4.1 Общие замечания

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиотехнике. Частота может быть измерена с очень высокой точностью, поэтому получили широкое распространение методы измерения различных параметров с предварительным преобразованием их в частоту и измерением последней.

Частотой сигнала называется число колебаний в единицу времени:

f = n/,

где -- интервал времени подсчета n колебаний.

Единица частоты "герц" (Гц) определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение величины одной из них можно заменять измерением другой (частота с периодом сигнала Т).

В Международной системе единиц СИ время принято за одну из основных физических величин, которая является самой стабильной и точной.

Измерение временных интервалов с большой точностью применялось автором для определения координат источника сигнала акустической эмиссии при контроле сосудов высокого давления с помощью сети пьезодатчиков расположенных на их поверхности.

Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания и длиной однородной плоской волны в свободном пространстве следующими соотношениями:

f T = 1 ; f  = с,

где c --скорость света в свободном пространстве 3∙10⁵ км/с,

 -- длина волны.

В воздухе по данным измерений на многих частотах скорость распространения электромагнитных колебаний меньше.

• Рекомендуется принимать значение С_возд = 299 792,5  0,3 км/с.

Спектр частот электрических колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр разделяют на два диапазона -- низких и высоких частот. К низким частотам относят инфразвуковые (ниже 20 Гц) и звуковые (от 20 до 20000 Гц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (от 20 кГц ), ультравысокие (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц) (СВЧ).

Такое разделение объясняется различными физическими свойствами электрических колебаний в указанных участках спектра, разными способами их получения и особенностями передачи на расстояние.

Рис. 4.1. К определению нестабильности частоты:

а- долговременной; б –кратковременной.

Существуют следующие основные методы измерения частоты:

Электронно-счетный метод заключается в счете числа периодов неизвестной частоты, в течение образцового интервала времени электронным счетчиком, быстродействие которого ограничивает диапазон измеряемых частот 10--500МГц. Большие частоты приходится преобразовывать, понижая их до указанных пределов. Цифровые измерители частоты позволяют получить относительную погрешность измерения частоты порядка 10^-11и менее в диапазоне до сотен гигагерц.

Гетеродинный (разностный) метод широко применяется в различных приборах для понижения измеряемой частоты: в анализаторах спектра (см. раздел 3.7), в измерительных генераторах (см. раздел 4.4), в фазометрах (см. раздел 4.7), в панорамных измерителях КСВ (см. раздел 5.6) и многих других приборах. При этом необходимо учитывать дополнительную погрешность за счёт нестабильности гетеродина.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой может производиться в широком диапазоне частот. При измерении сигнала меняющегося во времени по частоте усреднение во времени не даёт результата в этом случае сигнал сравнивается с частотой перестраиваемого генератора гармонического сигнала. В момент равенства частот на экране осциллографа появляется эллипс, то есть частоты равны. Погрешность измере­ния зависит главным образом от погрешности определения образцовой частоты и может составлять до 10^-13. /см. осциллограф/.

Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей, представленных в виде резонансных контуров и резонаторов --сводится к настройке цепи в резонанс, значение измеряемой частоты считывается со шкалы элемента настройки. Погрешность измерения составляет до 10^-4.

Таким образом, наиболее точные результаты дают методы электронно-счетный и сравнения, что обусловлено наличием квантовых эталонов частоты, лучшие образцы которых характеризуются нестабильностью частоты до 10^-13. Например, водородные стандарты частоты, выпускаемые промышленностью, позволяют получить образцовые частоты с нестабильностью 5·10^-13 за сутки.

Проведение точных измерений требует знания не только номинального значения ( f ) образцовой частоты, но и некоторых других параметров, характеризующих ее нестабильность.

Измерение выполняется в течение некоторого интервала времени , на протяжении которого измеряемая частота усредняется. Следовательно, значение частоты, полученное в результате измерения, всегда является усредненной величиной.

Для характеристики нестабильности применяют два параметра долговременную и кратковременную нестабильность частоты.

Долговременная нестабильность является функцией трех аргументов: времени t,интервалаTи времени усреднениячастоты. Для ее экспериментального определения выбирают стандартные интервалы времени Т и соответствующие им стандартные времена усреднения.

Т:	6 мес	1 мес	1 сут	1 ч	100 с	100 с	100 с	100 с
:	1 сут	1 сут	1 ч	100 с	1 с	0,1 с	0,01 с	0,001 с

Поскольку долговременная нестабильность зависит от времени, то для ее оценки берется Nзначений_д(Т), полученных на интервале времениNT.

При этом предлагается автоматизированная обработка результатов измерений с помощью ЭВМ с получением вероятнейшего значения и гистограммы плотности распределения частоты (рис. 1.3) как наиболее полная характеристика случайного процесса.

При определении кратковременной нестабильности частоты задают такой интервал Т_н,на котором систематические изменения частоты пренебрежимо малы, а переходные процессы завершились после включения и прогревания генератора.

Кратковременную нестабильность характеризуют оценкой значения для нескольких измерений среднего квадратического значения по формуле (3).