Загальні відомості. Вимірювання частоти та часових інтервалів, що є параметрами змінної напруги електричного сигналу, у тому числі й інформаційного

 

Вимірювання частоти та часових інтервалів, що є параметрами змінної напруги електричного сигналу, у тому числі й 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 та калібрування інших ЗВТ відбувається в певних точках частотного діапазону, що викликає необхідність у ході проведення вказаних операцій точно вимірювати частоту.

Діапазон частот, використовуваних у 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 – від 30 до 300 МГц і надвисокі частоти
- вище 300 МГц. Верхня межа використовуваних частот у 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, який 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 у 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 у 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 неї, принаймні, в 5 разів. Наприклад, якщо відносна нестабільність частоти радіостанції рівна 10^-5, то відносна похибка вимірювання не повинна перевищувати 2·10^-6. Прилад, який 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 у тональній телеграфії та передачі даних.

Для вимірювання частоти використовують ЗВТ, які класифікуються таким чином:

Ч1 – стандарти частоти та часу;

Ч2 – частотоміри резонансні;

Ч3 – частотоміри електронно-лічильні;

Ч4 – частотоміри гетеродинні, ємнісні та мостові;

Ч5 – синхронізатори частоти та перетворювачі частоти сигналу;

Ч6 – синтезатори частоти, подільники та помножувачі частоти;

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

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

Довготривала нестабільність визначається, головним чином, старінням кварцового резонатора та зміною його механічних властивостей під дією дестабілізуючих чинників: вологості, тиску, вібрації та радіаційного опромінювання. Для зменшення дестабілізуючої дії вологості та 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.