Вимірювання частоти і часових інтервалів (8 годин)

Методи вимірювання частоти і часових інтервалів. Вимірювання інтервалів часу методом дискретного рахунку. Цифровий спосіб вимірювання частоти. Використання мікропроцесорів в електронно-лічильних частотомірах. Адаптивні електронно-лічильні частотоміри. Метрологічне забезпечення засобів вимірювальної техніки для вимірювання частоти. Особливості вимірювання частотно-часових параметрів сигналів цифровими частотомірами на високих частотах.

 

Таблиця№1- Список лабораторних робіт модулів 1

№	Тема	години
	Лабораторна робота№1 Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою осцилографа
	Лабораторна робота№2 Калібрування універсальних осцилографів
	Лабораторна робота№7. Дослідження частоти і часових інтервалів інформаційного сигналу цифровим способом.
	Лабораторна робота№7.а. Метрологічне забезпечення ЗВТ для вимірювання частоти інфосигналів. Вимірювання частот і часових інтервалів інформаційного сигналу.
Усього:

 

Вхідні вимоги до вивчення лабораторної роботи:

Необхідно знати:

- Вищу математику: векторну алгебру і аналітичну геометрію, матаналіз, диференціальне і інтегральне числення, теорію узагальнених функцій і дискретну математику; теорію вірогідності і математичну статистику; цифрову обробку сигналів (ЦОС).

- Фізику: теорію електромагнетизму; коливання і хвилі; теорію інтерференції; фізику твердого тіла, теорію напівпровідників, напівпровідникові пристрої і їх особливості.

- Методи вимірювання частотно-часових параметрів сигналу: аналогові методи вимірювання частоти; цифрові способи вимірювання частоти і часових інтервалів електричних сигналів.

- Цифрові частотоміри. Структурна схема і принципи роботи. Цифровий спосіб вимірювання частоти. Цифровий спосіб вимірювання часових інтервалів і відношення частот. Похибки вимірювання частоти і часових інтервалів. Вибір параметрів цифрових частотомірів для різних режимів роботи.

Уміти:

- Використовувати диференціювання, інтегрування при оцінці параметрів сигналів і оцінювати похибки результатів вимірювання за допомогою рядів. Використовувати теорію вірогідності при статистичній обробці результатів вимірювання.

- Складати стандартні схеми і рівняння вимірювань, користуючись метрологічними правилами, що діють, нормами, термінами і визначеннями, одиницями системи SI, використовувати наукові принципи, атестовані методики і засоби вимірювальної техніки (ЗВТ)

- Використовувати цифрові частотоміри-періодоміри: вибирати оптимальні режими роботи, розраховувати межі допустимих похибок цифрових вимірювань і цифрових ЗВТ.

Вихідні знання і уміння з лабораторної та практичної роботи:

В результаті виконання лабораторної роботи студент повинен:

- Знати: цифровий спосіб вимірювання частоти; цифровий спосіб вимірювання часових інтервалів і відношення частот; похибки вимірювання частоти і часових інтервалів; як проводиться вибір параметрів цифрових частотомірів для різних режимів роботи; методи аналізу форми і спектру електричних сигналів; основи візуалізації процесів. Простий осцилограф, структурну схему, процеси, органи управління; оцінку похибки результатів осцилографічних вимірювань; як використовувати осцилограф для дослідження форми сигналів. Види розгорток осцилографа і їх синхронізацію. Вимірювання енергетичних і часових параметрів процесів.

- Уміти: користуватися експлуатаційною документацією на ЗВТ, аналізувати структурні і функціональні схеми ЗВТ, представляти форми електричних процесів, визначати застосовані принципи і методи вимірювання, вибирати оптимальні режими роботи. Використовувати електронний осцилограф для дослідження форми і вимірювання енергетичних і часових параметрів електричних процесів.

 

 

Вступ

 

Метою даного методичного керівництва є залучення студентів до знань про основні положення державних стандартів, що забезпечують єдність вимірювань, методи і прийоми перевірки засобів вимірювальної техніки (звТ), використовуваних для вимірювання частоти і часових інтервалів інфосигналів.

Методичне керівництво містить короткі відомості про цифрові способи вимірювання частоти і часових інтервалів. Тут також приведені основні відомості по метрологічному забезпеченню вказаних ЗВТ.

Керівництво містить методичні вказівки до двох лабораторних робіт, а також індивідуальні завдання для студентів. Підготовка до видання методичного керівництва на англійській мові для студентів «Технічної еліти» здійснювали доцент Селіванов П.П. та викладач Жмурко Ю.В.

У додатках приведені відомості про метрологічні характеристики ЗВТ, використовуваних в лабораторних роботах і при вирішенні практичних завдань.

 

Загальні відомості

 

Вимірювання частоти і часових інтервалів, що є параметрами змінної напруги електричного сигналу, у тому числі і інформаційного, - один з видів вимірювань, які найчастіше зустрічаються.

Це пояснюється, в першу чергу, дуже високою точністю частотовимірювальних приладів, недосяжною для інших ЗВТ. Крім того, в пристроях зв'язку їх частотна характеристика - це характеристика, від якої багато в чому залежить неспотворена передача інформації.

Не менш важливим є контроль за стабільністю частоти, наприклад, в приймально-передавальних пристроях. Оскільки частота зв'язана із швидкістю зміни фази напруги сигналу, то, очевидно, контроль частоти необхідний і для обліку фазових спотворень, особливо на дуже високих частотах.

І, нарешті, перевірка, атестація і калібрування інших ЗВТ відбувається в певних точках частотного діапазону, що викликає необхідність в ході проведення вказаних операцій точно вимірювати частоту.

Діапазон частот, використовуваних в техніці зв'язку, простягається від доль герц до десятків гігагерц. Якщо виключити промислову частоту струму, то весь спектр умовно можна розділити на п'ять діапазонів: інфразвукові частоти
- нижче 20 Гц, звукові частоти – від 20 Гц до 20 кГц, високі частоти – від 20 кГц до 30 МГц, ультрависокі частоти – от 30 до 300 МГц і надвисокі частоти
- вище 300 МГц. Верхня межа використовуваних частот в процесі розвитку науки і техніки безперервно підвищується і в даний час перевищує
300 ГГц.

Частоту електромагнітних коливань зручно виражати через довжину плоскої хвилі у вільному просторі λ та період Т.

Ці величини зв'язані між собою простими залежностями:

 

, ,

(1)

 

де f – частота, Гц;

с – швидкість розповсюдження електромагнітних коливань, м/с;

λ – довжина хвилі, м;

Т – період коливання, параметр періодичного сигналу, що характеризує інтервал часу, через який повторюються його миттєві значення, с.

Швидкість розповсюдження електромагнітних коливань залежить від параметрів середовища, в якому вони розповсюджуються:

 

,

 

де μ_а – абсолютна магнітна проникність;

μ_а = μ₀μ;

ε_а– абсолютна діелектрична проникність; ε_а = ε₀ ·ε;

Для вакууму μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м; ε₀ = 8,852·10^-12Ф/м, тоді с ₀= (299792,5 ± 0,3) км/с.

Тут μ і ε відносна магнітна і діелектрична проникність середовища, відповідно.

Наприклад, швидкість розповсюдження електромагнітних коливань в кабелях зв'язку залежить від μ_а і ε_а вживаного в ньому діелектрика.

Для характеристики електричних коливань можна вимірювати частоту f, період Т або довжину плоскої хвилі у вільному просторі λ. У техніці зв'язку майже завжди вимірюється частота, рідше - період коливання, і лише на надвисоких частотах вимірюються і частота і довжина хвилі. Найчастіше вимірюють середню частоту за час лічби:

 

ƒ = N / Т ліч,

(2)

 

де N – число періодів коливання,

Т _ліч – час лічби (час вимірювання).

Вимірюванням частоти користуються при градуюванні шкал вимірювальних генераторів радіоприймальних і радіопередавальних пристроїв з плавним перестроюванням частоти діапазону; визначенні резонансних частот коливальних контурів і різних резонаторів; визначенні смуги пропускання фільтрів і чотириполюсників; вимірюванні або контролі величини відхилення частоти від її номінального значення, властивого даному пристрою, - радіостанції, генераторному устаткуванню системи ущільнення і таке інше. Широке застосування безпошукового і ненастроюваного радіозв'язку, багатоканального високочастотного ущільнення, супутникового, а також мобільного зв'язку виявилося можливим в результаті розвитку методів точного вимірювання частоти.

В цілому, похибка вимірювання частоти задається в абсолютних Δ ƒ, або, частіше, у відносних величинах ∆f/f. Допустима величина похибки визначається нестабільністю вимірюваної частоти і повинна бути менше її, принаймні, в 5 разів. Наприклад, якщо відносна нестабільність частоти радіостанції рівна 10^-5, то відносна похибка вимірювання не повинна перевищувати 2·10^-6. Прилад, що забезпечує потрібну точність вимірювань, повинен повірятися за допомогою ще точнішого пристрою, похибка якого в даному випадку не повинна перевищувати 4∙10^-7. Похибка вимірювань низьких частот, звичайно, припускається значно більше – (1... 2)%, за винятком частот, вживаних в тональній телеграфії і передачі даних.

Для вимірювання частоти використовують ЗВТ, які класифікуються таким чином:

Ч1 – стандарти частоти і часу;

Ч2 – частотоміри резонансні;

Ч3 – частотоміри електронно-лічильні;

Ч4 – частотоміри гетеродинні, ємнісні і мостові;

Ч5 – синхронізатори частоти і перетворювачі частоти сигналу;

Ч6 – синтезатори частоти, подільники і помножувачі частоти;

Ч7 – приймачі сигналів еталонних частот і сигналів часу, компаратори частотні (фазові, часові) і сінхронометри;

У вимірювальних приладах частоти, як правило, використовують високостабільні кварцові генератори як еталонну міру, для яких розрізняють короткочасну і довготривалу нестабільності. Короткочасна нестабільність таких генераторів обумовлена тепловими шумами кварцового резонатора і елементів генератора і дробовим шумом транзисторів. Крім того, на короткочасну нестабільність впливають нестабільність живлячої напруги і вібрації.

Довготривала нестабільність визначається, головним чином, старінням кварцового резонатора і зміною його механічних властивостей під дією дестабілізуючих чинників: вологості, тиску, вібрації і радіаційного опромінювання. Для зменшення дестабілізуючої дії вологості і тиску кварцовий резонатор розміщують у вакуумному балоні. Характерні граничні значення відносної похибки відтворення частоти, обумовлені довгостроковою нестабільністю, складають від 10^-8 за добу до 5·10^-7 за рік експлуатації, а в деяких приладах ще менше.