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_iи 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.

РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

 

Принцип работы резонансных частотомеров (РЧ) базируется на явлении резонанса в колебательных системах. Основой Р4 является измерительный ре­зонансный контур, связанный с источником сигнала f_x и индикатором резонанса. Хотя в принципе РЧ могут применяться для измерения частоты в диапазонах В4 и СВ4, практическое использование их, как уже указывалось, ограничивает­ся диапазоном СВ4. Это легко объясняется возможностью создания в диапазоне СВЧ высокодобротных колебательных систем с резким проявлением резонанса и точной фиксацией его. Именно в диапазоне СВЧ удается реализовать классы точ­ности РЧ 0,005; 0,01; 0,02 и 0,05, позволяющие им конкурировать с цифровыми частотомерами.

Колебательными системами в диапазоне СВЧ являются контуры с распреде­ленными постоянными в виде коаксиальных и волноводных резонаторов. Как из­вестно из теории длинных линий, размеры резонаторов в момент настройки их в

Рис. 5.1. Схематическое устройство резонансного частотомера СВЧ.

резонанс однозначно связаны с длиной волны возбуждаемых колебаний. Это по­зволяет определять по результатам измерения λ искомое значение f_x. Рассмотрим в качестве примеров РЧ с коаксиальным полуволновым резонатором (рис. 5.1, а) и с цилиндрическим волноводным резонатором (рис. 5.1, б).

Как видно из рис. 5.1, а, коаксиальный резонатор представляет собой отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии, длина которого изменяется перемеще­нием поршня П с помощью микрометрического механизма, снабженного соответ­ствующей шкалой. Связь резонатора с источником сигнала f_x и индикатором ре­зонанса — индуктивная, осуществляемая с помощью петель связи 1 и 2. Индика­тор резонанса состоит из детекторной камеры 3 с полупроводниковым диодом и индикатора И, в качестве которого при измерении частоты непрерывных сигна­лов применяются магнитоэлектрические приборы, а при измерении частоты импульсно-модулированных сигналов — селективные измерительные усилители.

Резонанс в такой системе наступает каждый раз, когда l = nλ/2, где я=1,2,3,..., и фиксируется по максимальным показаниям И. Если отсчитать по шкале микрометрического механизма положения П, соответствующие двум соседним резонансам (li и /г), то

Δl=(l₁ - l₂)= λ /2, (5.3)

т. е. по результатам измерения Δl определяется λи далее f_x. Соотношение (5.3) и конструкция механизма перемещения П определяют оптимальный диапазон из­меряемых f_x ≈ 2,5... 10 ГГц. На более низких частотах применяют РЧ с коакси­альными четвертьволновыми резонаторами, а на более высоких—РЧ с волноводными резонаторами.

Из рис. 5.1 видно, что РЧ с волноводным и коаксиальным резонаторами ана­логичны по конструкции и методике измерения f_x. Разница заключается в том, что для РЧ с волноводным резонатором вместо (5.3) справедливо соотношение Δl = λ _в/2, где

определяется не только значением λ, но и критической длиной волны λ_к, завися­щей от типа возбуждаемой в резонаторе волны. Чаще всего в качестве волно­водных резонаторов применяют короткозамкнутые отрезки цилиндрических волноводов, возбуждаемые через отверстие 4 в центре торцевой стенки (рис. 5.1, б). В этом случае в волноводе возбуждается волна типа Н₁₁ с критической длиной = 3,41, а.

Методика (5.3) не совсем удобна, так как требует отсчетов двух положений П. Поэтому шкалу механизма перемещения П часто предварительно градуируют в значениях f_x, и тогда мы получаем прямоотсчетный РЧ с фиксацией только одного резонанса. Класс точности таких РЧ определяется как добротностью ре­зонатора, чувствительностью И и погрешностью микрометрического механизма П, так и влиянием на РЧ внешних условий — температуры и влажности. Для ми­нимизации этого влияния применяются материалы с малым температурным ко­эффициентом расширения (например, инвар), температурная компенсация и гер­метизация резонаторов.

 

ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

 

Цифровые частотомеры (ЦЧ) являются следующими за ЦВ ха­рактерными представителями ЦИП. Они, как уже отмечалось, прак­тически вытеснили все остальные виды частотомеров и занимают доминирующее положение в комплексе аппаратуры для частотно-временных измерений. Современные типы ЦЧ позволяют измерять f_x, T_x, Δt_x, отношение частот и нестабильность частоты. При комплектовании соответствующими преобразователями они превраща­ются в ЦВ и мультиметры (см.§3.6).

Общая идея построения ЦИП уже рассмотрена в гл. 3 и конкре­тизирована на примере ЦВ. Опираясь на классификацию ЦВ и дан­ные ГОСТ 22335—77, можно утверждать, что подавляющее боль­шинство типов ЦЧ являются приборами прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных событий за определенный интервал времени измерения. В зависимости от значения этого ин­тервала (называемого иногда «временными воротами») можно вы­делить ЦЧ мгновенных значений, измеряющие f_x за один период колебаний Т_х (аналогичны неинтегрирующим ЦВ), и ЦЧ средних значений, измеряющие f_x путем подсчета числа периодов Т_х за ин­тервал времени измерения Т_И>Т_Х и деления полученного числа на Т_и (аналогичны интегрирующим ЦВ).

Несмотря на многофункциональность, современные ЦЧ могут быть охарактеризованы некоторой типовой структурной схемой и определенной номенклатурой параметров, позволяющей оценить их возможности как радиоизмерительных приборов.