VIII. Измерение частоты и интервалов времени

Развитие многих направлений науки и техники определяется достигнутой точностью измерения частоты и времени. Из семи основных физических величин эталоны времени и частоты являются самыми точными. В настоящее время Государственный первичный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение секунды и герца со среднеквадратической погрешностью не более 10^-13.

Особенность частоты состоит в том, что ее эталонное значение может быть передано на рабочее место, минуя промежуточные этапы передачи размера частоты. Для этого используются каналы радиовещания и телевидения. Приборы для сличения частот в настоящее время выполняются в виде приборов общего применения. С помощью этих приборов осуществляется начальная установка и синхронизация всех часовых систем по сигналам эталонных частот и сигналам точного времени, передаваемым радиостанциями Государственной метрологической службы РФ.

Используемые в радиотехнике частоты, простираются от 10^-3 до 10¹²Гц и более. Их условно можно разделить на

· низкочастотные (инфразвуковые)- менее 20Гц

· звуковые частоты 20Гц – 20кГц

· ультразвуковые 20кГц – 200кГц

· высокочастотные – более 200кГц

В настоящее время Международный консультативный комитет по радио (МККР) упорядочил разделение спектра частот, применяемых для радиосвязи, радиовещания, телевидения. Этот спектр разбит на 9 полос, внутри которых частоты меняются в 10 раз. Полосы обозначаются от 4 до 12. Например,

Номер полосы	Диапазон частот	Сокращенное обозначение
по частотам	по длинам волн
	3 – 30кГц	ОНЧ (VLF) - очень низкие	СДВ
	30 – 300кГц	НЧ (LF) - низкие	ДВ
	300 – 3000кГц	СЧ (MF) - средние	СВ
	3-30МГц	ВЧ(HF) - высокие	КВ

В радиотехнике чаще всего измеряется частота, реже период и длина волны. Учитывая, что измерения частоты проводятся с наибольшей точностью, многие физические величины (напряжение, температура, давление и пр.) с помощью измерительных преобразователей превращаются в частотно-временные параметры.

Согласно ГОСТ15094 приборы для измерения частоты и времени относятся к группе Ч- и подразделяются на

Ч1 – установки для поверки измерителей частоты, воспроизведения образцовых частот, сличения частот сигналов

Ч2 – частотомеры резонансные

Ч3 – частотомеры электронно-счётные

Ч4 – частотомеры емкостные, гетеродинные, мостовые

Ч5 – преобразователи частоты сигнала

Ч6 – синтезаторы частоты, делители и умножители частоты

Ч7 – приёмники сигналов эталонных частот; компараторы частотные, фазовые, временные

Ч9 – преобразователи частоты

Приборы для измерения частоты СВЧ диапазона называют волномерами (т.к. они измеряют длину волны).

В зависимости от диапазона частот и требуемой точности используются следующие основные методы измерения:

· метод сравнения - осциллографический, гетеродинный (метод нулевых биений)

· конденсаторный

· резонансный

· метод дискретного счёта

Метод сравнения

Этот метод получил широкое распространение благодаря своей простоте и универсальности. Измеряемая частота f_x определяется по равенству или кратности образцовой частоте f_o. Следовательно, для реализации метода сравнения необходим источник образцовой частоты и индикатор равенства или кратности частот f_x и f_o. Индикатором может служить осциллограф или нелинейный преобразователь частоты. В соответствии с этим метод сравнения делится на две вида: осциллографический и гетеродинный.

Осциллографический метод

Область применения метода ограничена только полосой пропускания ЭЛТ. Измерения могут проводиться при следующих видах развёртки: линейной, синусоидальной и круговой.

Линейная развёртка

Напряжение измеряемой частоты f_x подают на вход канала Y, а сигнал с генератора меток f_o – на вход канала Z. На экране ЭЛТ устанавливают несколько периодов измеряемой частоты и регулируют частоту меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода (рис.37). В этом случае измеряемая частота f_x=f_o/n, где n- число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого сигнала ( в данном случае n=10 и f_x=0,1f_o).

Рис. 37.

Точность измерений определяется точностью и стабильностью образцовой частоты (частоты меток).

Более простым вариантом является использование собственного калибратора длительности осциллографа. После калибровки канала Х осциллографа на вход Y подают исследуемый сигнал и получают неподвижное изображение 1-2 периодов. Частота сигнала определяется по формуле

где - масштаб времени осциллографа, - число делений осциллограммы, занимаемых одним периодом сигнала.

Синусоидальная развёртка

При синусоидальной развёртке измеряемая частота подается на канал Y, образцовая – на канал Х (генератор развертки отключен). Изменяя образцовую частоту получают неподвижную или медленно вращающуюся фигуру Лиссажу. При равенстве частот получается линия, эллипс или круг в зависимости от фазовых соотношений.

В общем случае

где - число пересечений с горизонтальной осью (проходящих не через узел), - число пересечений с вертикальной осью. Практически выбирается кратность не более 10.

В качестве примера на рис.38,а изображены фигура Лиссажу с n_y=2 и n_x=2, т.е. , на рис.38,б n_y=4 и n_x=2, т.е. . Следует заметить, что форма фигуры Лиссажу зависит от фазового сдвига между частотами , при этом число пересечений осей Х и Y не изменяется.

Круговая развёртка

Круговая развертка реализуется при подаче на вход Х осциллографа напряжения образцовой частоты , а на вход Y- этого же напряжения, но сдвинутого на 90⁰, т.е. . Обычно сдвиг частот осуществляется с помощью фазосдвигающей цепи на входе осциллографа.

Напряжение измеряемой частоты подается на канал модуляции яркости луча Z. При этом если частоты f_x > f₀ и относятся как целые числа, то на экране ЭЛТ появятся светящиеся дуги (рис.39). Если f_x < f₀, то источники частот нужно поменять местами.

Число светящихся меток (дуг) равно кратности частот k= f_x /f_0,откуда .

Осциллограмма неподвижна только при точном равенстве или кратности частот. В противном случае она вращается со скоростью, пропорциональной разности частот f_x и f₀.

Данный факт используется при настройке частоты f_кг кварцевых генераторов цифровых частотомеров. Сигнал эталонной частоты, принимаемый по радиоканалу обеспечивает круговую развертку на ЭЛТ. Подавая частоту f_кгна вход канала Z, подстройкой генератора добиваются остановки или медленного вращения осциллограммы. В этом случае частота f_кгбудет с высокой точностью равна или кратна эталонной частоте.

Гетеродинный метод

Суть этого метода, позволяющего измерять частоту с высокой степенью точности (10^-5-10^-6), заключается в сравнении исследуемой частоты с частотой перестраиваемого гетеродина, который заранее отградуирован. Такие приборы относятся к группе Ч4 и называются гетеродинными частотомерами. Их область применения - диапазон высоких и сверхвысоких частот.

Функциональная схема гетеродинного частотомера приведена на рис.40.

В положении переключателя "Калибровка" осуществляется градуировка гетеродина Гет по кварцевому генератору КГ. Гетеродин представляет собой перестраиваемый LC- генератор высокой стабильности, а кварцевый генератор настроен на фиксированную частоту f_кв.

Частоты обоих генераторов подаются на смеситель См - нелинейный элемент, на выходе которого появляются комбинационные частоты ± nf_г± mf_кв. Установив на шкале гетеродина опорные значения частот, соответствующие кварцевым опорным точкам, плавно подстраивают частоту гетеродина до появления "нулевых биений" (частот порядка ±20Гц). Для повышения чувствительности используется усилитель УНЧ.

Опорные частоты ( при nf_г= mf_кв, где n и m – любые целые числа) фиксируются индикатором Инд, качестве которого может быть использован телефон, стрелочный прибор, осциллограф, светодиод и т.п.

В режиме "Измерение" на смеситель подаются измеряемая частота f_х и частота гетеродина f_г. Равенство частот так же определяется по нулевым биениям Df→0. Отсчет показаний производится по градуированной шкале гетеродина.

Погрешности гетеродинных частотомеров определяются погрешностью кварцевого генератора и градуировки гетеродина, точностью фиксации равенства частот.

Гетеродинные переносчики частоты используются для расширения частотного диапазона цифровых частотомеров в сторону высоких частот. Функциональная схема переносчика аналогична приведенной, только к выходу смесителя подключается электронно-счетный частотомер. Целью настройки гетеродина в этом случае является снижение измеряемой частоты до области рабочих частот частотомера. Например, частота 10ГГц не может быть измерена большинством цифровых частотомеров. Настроив гетеродин на частоту f_г=9,9..9,0ГГц на выходе смесителя получим разностную частоту Df=0,1-1ГГц. Зная частоту настройки гетеродина и измерив Df частотомером можно определить частоту f_х.