Измерение частоты и временных интервалов информационных сигналов.

 

Метрологическое обеспечение средств измерения

 

 

Авторы: Козаченко М.Т., Жмурко Ю.В., Козаченко Л.О., Зиангирова Л.Т., Богун В.Д., Серебрин В.Л.

 

В лабораторных роботах №7 и №7а и в индивидуальном задании по курсу «Измерения в системах связи» рассматриваются цифровые частотомеры, которые выполнены на схемах с жесткой логикой. Анализируются основные характеристики и режимы работы, которые позволяют минимизировать погрешности измерений. Приведены индивидуальные задания для самостоятельной работы студентов, а также примеры решения задач по оценке характеристик результатов измерений при разнообразных режимах работы.

Предназначено для студентов высших учебных заведений и издаются на украинском, русском и английском языке.

 

 

Содержание

 

Общая характеристика дисциплины…………………………………………...
Вступление…………………………………………………………………..…..
Общие сведения…………………………………………………………………..
Измерение частоты инфосигнала цифровым способом………………………..
Измерение интервала времени (периода) инфосигнала………………………
Измерение отношения частот инфосигналов…………………………………...
Метрологическое обеспечение средств измерительной техники для измерения частоты……………………………………………………………….
Лабораторная работа № 7. Исследование частоты и временных интервалов информационного сигнала цифровым способом……..………………………
Лабораторная работа № 7а. Метрологическое обеспечение СИТ для измерения частоты инфосигналов. Измерение частот и временных интервалов информационного сигнала……………………………………….
Индивидуальное задание. Расчет метрологических характеристик ЭСЧ…….
Приложение A…………………………………………………………………….
Приложение Б……………………………………………………………………..
Приложение В…………………………………………………………………….
Приложение Г……………………………………………………………………..
Литература………………………………………………………………………..

 

Общая характеристика дисциплины

Дисциплина «Измерения в системах связи» включена в стандарты обучения и обеспечивает базовую подготовку бакалавров по направлению 6.050903 «Телекоммуникации» по специальностям: «Телекоммуникационные системы», «Информационные сети связи».

Дисциплина имеет 2,5 кредита EСTS, модулей-2, содержательных модулей-4, общее количество часов-90, в том числе: лекции- 34 часа, лабораторные занятия-18 часов; самостоятельная работа и индивидуальная работа – 38 часов, семестр 2.3, 2.4; вид контроля - зачет.

 

Структура содержательных модулей 1

Содержательный модуль	Лекции (часы)	Занятия	Самостоятельная работа (в том числе ИНДЗ)	Индивидуальная работа
практические	Лабораторные
«Измерение параметров информационных сигналов в системах связи.»(1,25 кредит; 47 часов.)
1. Основы теории измерений. Объекты измерений в системах связи.		-	-		-
2. Временной и спектральный анализ информационных сигналов.		-			-
3. Измерение частоты и временних интервалов.		-			-
Всего 1 модуль, часов.		-			-

 

Содержание содержательных модулей (лекционных часов)

2.1. Основы теории измерений. Объекты измерений в системах связи. (2 часа)

Общие положения. Алгоритмизация измеряемых преобразований. Формализация способов измерения. Анализ воздействия метрологических характеристик средств измерительной техники на измерения. Аналоговые измерительные преобразования. Аналого-цифровое преобразование, реализация аналого-цифрового преобразования.

Временной и спектральный анализ информационных сигналов. (8 часов.)

Исследование электрических сигналов. Общие сведения. Временной анализ сигналов. Виды осциллографических разверток. Синхронизация развертки. Измерение параметров исследуемых сигналов. Особенности осцилографування наносекундных импульсов и сигналов сверхвысоких частот. Применение микропроцессоров в осциллографах. Цифровые запоминающие осциллографы. Перспективы развития средств измерительной техники для временного анализа сигналов.

2.3. Измерение частоты и временных интервалов (8 часов)

Методы измерения частоты и временных интервалов. Измерение интервалов времени методом дискретного счета. Цифровой способ измерения частоты. Использование микропроцессоров в электронно-счетных частотомерах. Адаптивные электронно-счетные частотомеры. Метрологическое обеспечение средств измерительной техники для измерения частоты. Особенности измерения частотно-временных параметров сигналов цифровыми частотомерами на высоких частотах.

 

Таблица№1- Список лабораторных работ модулей 1

№	Тема	часы
	Лабораторная работа№1Измерение параметров электрических сигналов с помощью осциллографа
	Лабораторная работа№2 Калибровка универсальных осциллографов
	Лабораторная работа№7. Исследование частоты и временных интервалов информационного сигнала цифровым способом.
	Лабораторная работа№7.а. Метрологическое обеспечение СИТ для измерения частоты инфосигналов. Измерение частот и временных интервалов информационного сигнала.
Всего:

Входные требования к изучению лабораторной работы:

Необходимо знать:

- Высшую математику: Векторную алгебру и аналитическую геометрию. Матанализ, дифференциальное и интегральное исчисление. Теорию обобщенных функций и дискретную математику. Теорию вероятностей и математическую статистику. Цифровую обработку сигналов (ЦОС).

-Физику: теорию электромагнетизма. Колебания и волны, теорию интерференции. Физику твердого тела, теорию полупроводников, полупроводниковые устройства и их особенности.

-Методы измерения частотно-временных параметров сигнала: аналоговые методы измерения частоты; цифровые способы измерения частоты и временных интервалов электрических сигналов.

-Цифровые частотомеры. Структурная схема и принципы работы. Цифровой способ измерения частоты. Цифровой способ измерения временных интервалов и отношения частот. Погрешности измерения частоты и временных интервалов. Выбор параметров цифровых частотомеров для разных режимов работы.

 

Уметь:

- Использовать дифференцирование, интегрирование при оценке параметров сигналов и оценивать погрешности результатов измерения с помощью рядов. Использовать теорию вероятностей при статистической обработке результатов измерения.

- Составлять стандартные схемы и уравнения измерений, пользуясь действующими метрологическими правилами, нормами, сроками и определениями, единицами системы SI, использовать научные принципы, аттестованные методики и средства измерительной техники (СИТ)

- Использовать цифровые частотомеры-периодомеры: выбирать оптимальные режимы работы, рассчитывать границы допустимых погрешностей цифровых измерений и цифровых СИТ.

Выходные знания и умения из лабораторной и практической работы:

В результате выполнения лабораторной работы студент должен:

- Знать: цифровой способ измерения частоты; цифровой способ измерения часовых интервалов и отношения частот; погрешности измерения частоты и временных интервалов; как производится выбор параметров цифровых частотомеров для разных режимов работы; методы анализа формы и спектра электрических сигналов; основы визуализации процессов. Простейший осциллограф, структурную схему, процессы, органы управления; оценку погрешности результатов осциллографических измерений; как использовать осциллограф для исследования формы сигналов. Виды разверток осциллографа и их синхронизацию. Измерения энергетических и временных параметров процессов.

- Уметь: пользоваться эксплуатационной документацией на СИТ, анализировать структурные и функциональные схемы СИТ, представлять формы электрических процессов, определять примененные принципы и методы измерения, выбирать оптимальные режимы работы. Использовать электронный осциллограф для исследования формы и измерения энергетических и временных параметров электрических процессов.

 

 

Вступление

Задачей настоящего методического пособия является приобщение студентов к знаниям об основных положениях государственных стандартов, обеспечивающих единство измерений, методах и приемах поверки средств измерительной техники (СИТ), используемых для измерения частоты и временных интервалов инфосигналов.

Методическое пособие содержит краткие сведения о цифровых способах измерения частоты и временных интервалов. Здесь также приведены основные сведения по метрологическому обеспечению указанных СИТ.

Пособие содержит методические указания к двум лабораторным работам, а также индивидуальные задания для студентов. Подготовку к изданию методического пособия на английском языке для студентов «Технической элиты» осуществляли доцент Селиванов П.П. и преподаватель Жмурко Ю.В.

В приложениях к пособию приведены сведения о метрологических характеристиках СИТ, используемых в лабораторных работах и при решении практических задач.

Общие сведения

 

Измерение частоты и временных интервалов, являющихся параметрами переменного напряжения электрического сигнала, в том числе и информационного, – один из видов измерений, которые наиболее часто встречаются.

Это объясняется, в первую очередь, очень высокой точностью частотоизмерительных приборов, недостижимой для других СИТ. Кроме того, в устройствах связи их частотная характеристика – это характеристика, от которой во многом зависит неискаженная передача информации.

Не менее важным является контроль за стабильностью частоты, например, в приемно-передающих устройствах. Поскольку частота связана со скоростью изменения фазы напряжения сигнала, то, очевидно, контроль частоты необходим и для учета фазовых искажений, особенно на очень высоких частотах.

И, наконец, поверка, аттестация и калибровка других СИТ происходит в определенных точках частотного диапазона, что вызывает необходимость в ходе проведения указанных операций точно измерить частоту.

Диапазон частот, используемых в технике связи, простирается от долей герц до десятков гигагерц. Если исключить промышленную частоту тока, то весь спектр условно можно разделить на пять диапазонов: инфразвуковые частоты
– ниже 20 Гц, звуковые частоты – от 20 Гц до 20 кГц, высокие частоты – от 20 кГц до 30 МГц, ультравысокие частоты – от 30 до 300 МГц и сверхвысокие частоты
– выше 300 МГц. Верхний предел используемых частот в процессе развития науки и техники непрерывно повышается и в настоящее время превышает
300 ГГц.

Частоту электромагнитных колебаний удобно выражать через длину плоской волны в свободном пространстве λ и период Т.

Эти величины связаны между собой простыми зависимостями:

 

, ,

(1)

 

где f – частота, Гц;

с – скорость распространения электромагнитных колебаний, м/с;

λ – длина волны, м;

Т – период колебания, параметр периодического сигнала, характеризующий интервал времени, через который повторяются его мгновенные значения, с.

Скорость распространения электромагнитных колебаний зависит от параметров среды, в которой они распространяются:

 

,

 

где μ_а – абсолютная магнитная проницаемость;

μ_а = μ₀μ;

ε_а– абсолютная диэлектрическая проницаемость; ε_а = ε₀ ·ε;

Для вакуума μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м; ε₀ = 8,852·10^-12Ф/м, тогда с₀ = (299792,5 ± 0,3) км/с.

Здесь μ и ε относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости среды, соответственно.

Например, скорость распространения электромагнитных колебаний в кабелях связи зависит от μ_а и ε_а применяемого в нем диэлектрика.

Для характеристики электрических колебаний можно измерять частоту f, период Т или длину плоской волны в свободном пространстве λ. В технике связи почти всегда измеряется частота, реже – период колебания, и только на сверхвысоких частотах измеряются и частота и длина волны. Чаще всего измеряют среднюю частоту за время счета.

 

ƒ = N / Т сч,

(2)

 

где N – число периодов колебания,

Т _сч – время счета (время измерения).

Измерением частоты пользуются при градуировке шкал измерительных генераторов радиоприемных и радиопередающих устройств с плавной перестройкой диапазона; определении резонансных частот колебательных контуров и различных резонаторов; определении полосы пропускания фильтров и четырехполюсников; измерении или контроле величины отклонения частоты от ее номинального значения, присвоенного данному устройству – радиостанции, генераторному оборудованию системы уплотнения и т.д. Широкое применение бес поисковой и бес подстраиваемой радиосвязи, многоканального высокочастотного уплотнения, спутниковой, а также мобильной связи оказалось возможным в результате развития методов точного измерения частоты.

В целом, погрешность измерения частоты задается в абсолютных Δ ƒ, или, чаще, в относительных величинах ∆ f/f. Допустимая величина погрешности определяется нестабильностью измеряемой частоты и должна быть меньше ее, по крайней мере, в 5 раз. Например, если относительная нестабильность частоты радиостанции равна 10^-5, то относительная погрешность измерения не должна превышать 2·10^-6. Прибор, обеспечивающий нужную точность измерений, должен поверяться с помощью еще более точного устройства, погрешность которого в данном случае не должна превышать 4∙10^-7. Погрешность измерений низких частот, конечно, допускается значительно больше – (1... 2)%, за исключением частот, применяемых в тональной телеграфии и передаче данных.

Для измерения частоты используют СИТ, которые классифицируются следующим образом:

Ч1 – стандарты частоты и времени;

Ч2 – частотомеры резонансные;

Ч3 – частотомеры электронно-счетные;

Ч4 – частотомеры гетеродинные, емкостные и мостовые;

Ч5 – синхронизаторы частоты и преобразователи частоты сигнала;

Ч6 – синтезаторы частоты, делители и умножители частоты;

Ч7 – приемники сигналов эталонных частот и сигналов времени, компараторы частотные (фазовые, временные) и синхронометры;

В измерительных приборах частоты, как правило, используют высокостабильные кварцевые генераторы в качестве эталонной меры, для которых различают кратковременную и долговременную нестабильности. Кратковременная нестабильность таких генераторов обусловлена тепловыми шумами кварцевого резонатора и элементов генератора и дробным шумом транзисторов. Кроме того, на кратковременную нестабильность влияют нестабильность питающего напряжения и вибрации.

Долговременная нестабильность определяется, главным образом, старением кварцевого резонатора и изменением его механических свойств под действием дестабилизирующих факторов: влажности, давления, вибрации и радиационного облучения. Для уменьшения дестабилизирующего действия влажности и давления кварцевый резонатор помещают в вакуумный баллон. Характерные предельные значения относительной погрешности воспроизведения частоты, обусловленные долгосрочной нестабильностью, составляют от 10^-8 в сутки до 5·10^-7 за год эксплуатации, а в некоторых приборах еще меньше.