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

Основным параметром любого периодического сигнала U(t) является его период Т, равный наименьшему интервалу времени, через который повторяют­ся мгновенные значения U(t), т. е. U(t)=U(t+T). Таким образом, понятие пе­риода имеет физический смысл для детерминированных сигналов, мгновенные значения которых известны в любой момент времени. В общем случае интервал времени Δt — это время, истекшее между моментами двух событий.

Величина f=1/T называется частотой периодического сигнала и характери­зует в общем случае число идентичных событий в единицу времени. Если сигнал является гармоническим, то пользуются дополнительным понятием угловой ча­стоты со, определяемой изменением фазы гармонического сигнала в единицу вре­мени и равной ω = 2πf.

Время и частота неразрывно связаны между собой, и измерение одной ве­личины может быть заменено измерением другой. Наиболее распространенным является измерение частоты, что нашло свое отражение в приводимой ниже клас­сификации приборов для измерения частоты и времени. В диапазоне СВЧ в ряде случаев измеряют длину волны X и определяют по результатам этих измерений f = c/λ, где с—скорость распространения электромагнитных колебаний в свобод­ном пространстве. Однако более точным является прямое измерение частоты.

Частотно-временные измерения могут быть не только абсолютными, но и от­носительными. Задачей относительных измерений является оценка изменения частоты во времени — нестабильности 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 условна и определяется при конкретных измерениях путем указания интервала времени измерения. Количественно нестабильность частоты оценива­ют среднеквадратической относительной случайной вариацией частоты (неста­бильность σ) и среднеквадратическим относительным отклонением (нестабиль­ность δ).

Под нестабильностью σ понимают величину

(5.1)

где = (f_i+1-f_i) - относительная вариация частоты; = (1/n) - средняя относительная вариация частоты; f_i и f_i+1 значения частоты, соседние в ряду наблюдений; f_н—номинальное значение частоты, а п—число вариаций. Нестабильность δ определяется по формуле

, (5.2)

где — относительное отклонение частоты; - среднее арифметическое значение ряда наблюдений.

Приборы для измерения частоты и времени образуют широко распространен­ную подгруппу Ч (см. § 2.1), внутри которой выделяют стандарты частоты и времени (Ч1), частотомеры резонансные (Ч2), электронно-счетные (Ч3) и гете­родинные (Ч4), а также синхронизаторы и преобразователи частоты (Ч5), син­тезаторы частоты, делители и умножители (Ч6), приемники сигналов эталонных частот, компараторы и синхрометры (Ч7) и, наконец, преобразователи частоты в другую электрическую величину (Ч9). Кроме того, измерители интервалов вре­мени исторически были включены в подгруппу И, где они образуют вид И2.

Основой всех частотно-временных измерений в СССР является группа стан­дартов — высокоточных мер частоты и времени, в которую входят водородный, рубидиевый, цезиевый и кварцевый стандарты. Для привязки конкретных изме­рений к этим стандартам необходима дополнительная аппаратура, образующая виды 45, 46 и 47. Весь этот комплекс измерительной аппаратуры входит в си­стему «Государственный эталон времени и частоты СССР — потребитель» и экс­плуатируется силами Государственной службы времени и частоты СССР (см. § 1.7.4). В курсе он не рассматривается, за исключением синтезаторов частоты, которые применяются как измерительные генераторы.

Измерение частоты может осуществляться как прямым счетом числа иден­тичных событий за интервал времени измерения и делением полученного числа на этот интервал (по определению частоты), так и путем сравнения с частотой источника образцовых колебаний. Конкретная реализация этих методов опреде­ляется физическими свойствами сигналов различных частот и способами их получения и передачи на расстояние. По мере развития радиоизмерительной тех­ники одни методы и приборы сменяли другие, расширялись функциональные воз­можности частотомеров, унифицировалась номенклатура их. В настоящее вре­мя серийно выпускаются только электронно-счетные (цифровые) частотомеры. В качестве функциональных узлов измерительных генераторов диапазона СВ4 применяются также резонансные частотомеры, где они могут конкурировать по своим параметрам с цифровыми частотомерами. Функции гетеродинных часто­томеров сузились до гетеродинных преобразователей частоты цифровых часто­томеров. Учитывая эти обстоятельства, ограничимся рассмотрением принципа работы и структурных схем резонансных и цифровых частотомеров, а также из­мерителей интервалов времени.