Общие сведения. Измерение частоты и временных интервалов, являющихся параметрами переменного напряжения электрического сигнала

 

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 беспоисковой и бесподстраиваемой 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.