43. Общие сведения и классификация приборов для измерения частоты и интервалов времени
Аппаратура для частотно-временных измерений представляет собой единый комплекс приборов, который обеспечивает проведение измерений с привязкой к Государственному эталону времени и частоты.
Основой
для частотно-временных измерений служат
стандарты частоты – высокоточные меры
частоты и времени. Для привязки к ним
практических измерений служат приемники
сигналов эталонных частот, передаваемых
радиостанциями Государственной службы
времени и частоты, а также компараторы
и преобразователи частоты сигнала.
Основным параметром любого периодического
сигнала
является его период
,
равный наименьшему интервалу времени,
через который регулярно и последовательно
повторяется мгновенное значение этого
сигнала
.
Отсюда следует, что
,
где
Для
гармонического сигнала
и период колебаний
можно также определить, как интервал
времени, в течение которого фаза сигнала
,
выраженная в радианах, изменяется на
.
Таким
образом, понятие
имеет физический смысл для детерминированных
сигналов, т.е. сигналов, мгновенные
значения которых известны в любой момент
времени. В общем случае интервал времени
– это время, прошедшее между моментами
двух последовательных событий. При
измерениях
начало и конец интервала обычно
фиксировано с помощью импульсов,
называемых соответственно опорным
(начало) и интервальным (конец)
.
Величина
называется частотой периодического
сигнала. Она характеризует в общем
случае число идентичных событий,
происходящих в единицу времени. Единица
частоты 1Гц – 1 колебание в секунду, что
в общем случае соответствует одному
событию за 1с.
Если
сигнал является гармоническим, то его
характеризуют дополнительным понятием
угловой частоты
,
которая определяется изменением фазы
гармонического сигнала в единицу
времени, равна
и выражается в
.
Кроме того, для гармонических сигналов, в том числе и искаженных, частота определяется числом переходов сигнала через ось времени (т.е. через нуль) за единицу времени.
Время
и частота неразрывно таким образом
связаны между собой и измерение одной
величины может быть заменено измерением
другой. Однако наиболее распространенным
является измерение частоты. В диапазоне
СВЧ измеряют в ряде случаев длину волны
и по результатам этих измерений определяют
значение
,
где
– скорость света или распространения
электромагнитных колебаний в свободном
пространстве.
Частотно-временные измерения могут быть не только абсолютными, но и относительными. Задачей относительных измерений является оценка изменения частоты во времени, называемого нестабильностью частоты. Различают долговременную нестабильность, связанную с систематическим смещением частоты за длительное время, и кратковременную нестабильность, определяемую флюктуационными изменениями частоты. Граница между долговременной и кратковременной нестабильностями частоты условна и определяется задачами конкретных измерений. Поэтому эти термины должны употребляться только с указанием интервалов времени измерения.
Количественно
нестабильность частоты оценивают
среднеквадратической относительной
случайной вариацией частоты
(нестабильность–
)
и среднеквадратическим относительным
отклонением частоты (нестабильность –
).
Под нестабильностью понимают величину
, (4.1)
где
- относительная вариация частоты;
- средняя относительная вариация частоты;
– число вариаций;
и
– значения частоты, соседние в ряду
наблюдений;
– номинальное значение частоты
Нестабильность – определяется по формуле
, (4.2)
где
- относительное отклонение частоты;
- среднее
арифметическое значение ряда наблюдений.
В соответствии с ГОСТ 15094-86 приборы для измерения частоты и интервалов времени образуют подгруппу «Ч» и подразделяются в зависимости от назначения на следующие основные виды:
Ч1 – стандарты частоты и времени;
Ч2 – частотомеры резонансные;
Ч3 – частотомеры электронно-счетные;
Ч4 – частотомеры гетеродинные, мостовые, емкостные;
Ч5 – синхронизаторы и преобразователи частоты;
Ч6 – синтезаторы частоты, делители и умножители частоты;
Ч7 – приемники сигналов эталонных частот, компараторы и синхрометры;
Ч9 - преобразователи частоты в другую электрическую величину.
Кроме того, измерители интервалов времени образуют вид И2 в подгруппе И (приборы для импульсных измерений).
При измерении частоты могут быть реализованы: метод прямого преобразования и методы сравнения.
Конкретная реализация этих методов может существенно различаться в соответствии с физическими свойствами сигналов различных частот, а также способами их получения и передачи на расстояние. Более того по мере развития радиоизмерительной техники одни методы и приборы сменяли другие, расширялись функциональные возможности частотомеров, унифицировалась их номенклатура.