43. Общие сведения и классификация приборов для измерения частоты и интервалов времени

Измерение частоты и времени, а также воспроизведение и хранение их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в радиоэлектронике и технике связи, где применяются сигналы от инфранизких частот (доли герца) до оптического диапазона (тысячи гигагерц). В настоящее время практически освоен верхний предел до 300 ГГц, но он всё время повышается.

Аппаратура для частотно-временных измерений представляет собой единый комплекс приборов, который обеспечивает проведение измерений с привязкой к Государственному эталону времени и частоты. Это определяет принципиальную возможность обеспечения высокой точности измерений, т.к. эталон времени и частоты, по сравнению с эталонами других основных единиц физических величин (длина, масса, сила тока и т.д.) является самым точным.

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. Последние используются для переноса частоты или спектра измеряемого сигнала в ту область частот, где необходимо производить измерение.

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.