Измерение частоты и интервалов времени методом дискретного счета

Агентсво связи и информатизации Республики Узбекистан

 

 

 

 

Ташкентский Университет информационных технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа

 

 

 

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ МЕТОДОМ ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

 

 

 

 

Выполнила: студентка гр. 520-10

Абдуллаева Н.Б.

 

Принял: _________________

 

 

 

 

 

 

 

 

Ташкент 2013 год

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.ВВЕДЕНИЕ

2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И  ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

4.МЕТОД ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

5.ПОНЯТИЕ О СТАНДАРТАХ ЧАСТОТЫ  И ВРЕМЕНИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Измерение частоты и интервалов времени, а также хранение и воспроизведение  их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в  современной радиотехнике. Техническая аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов и средств, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Последнее определяет принципиально высокую точность измерений.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

f = n/t,                                     (8-1)

где t — время существования  п колебаний.

Для гармонических колебаний частота f = 1/Т, где Т — период колебаний.

Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины диктуется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В Международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свободном пространстве λ следующими соотношениями: fT = 1 и fλ = с, где с — скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.

Спектр частот электромагнитных колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр вначале разделяют на два диапазона — низких и высоких частот. К низким частотам относят инфразвуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20— 20 000 Гц) и ультразвуковые (20—200 кГц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (20 кГц — 30 МГц), ультравысокие (30 — 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Верхняя граница сверхвысоких частот непрерывно повышается и в настоящее время достигла 230 ГГц (без учета оптического диапазона). Такое разделение объясняется разными способами получения электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на расстояние. Однако четкой границы между отдельными участками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.

В радиотехнической практике чаще всего  измеряется частота, иногда период и  реже длина волны. Измерение частоты выполняется с наибольшей точностью по сравнению с другими видами радиоизмерений, поэтому многие физические величины, подлежащие измерению, преобразуют во временные или частотные для последующего точного измерения.

Аппаратура для частотно-временных  измерений образует единый комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Это фактически гарантирует возможность принципиально высокой точности измерений.

Основными измерительными приборами  и средствами частотно-временных измерений являются:

осциллографы;

приемники сигналов эталонных частот и компараторы;

преобразователи частоты сигналов;

частотомеры резонансные;

частотомеры на основе метода заряда-разряда  конденсатора;

частотомеры цифровые;

цифровые измерители частоты и интервалов времени.

Базой для частотно-временных измерений  служит группа Государственных стандартов частоты — высокоточных мер частоты и времени, объединяющая рубидиевый, цезиевый, водородный и кварцевый стандарты. Привязка к ним практических измерений осуществляется приемниками сигналов эталонных частот, передаваемых радиостанциями Государственной службы частот и времени, а также компараторами и преобразователями частоты сигнала. Последние применяются для переноса частоты или спектра измеряемого сигнала в тот диапазон частот, где наиболее целесообразно производить необходимое измерение.

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности  для измерения частоты применяют  различные способы и приемы измерения, основанные как на использовании методов сравнения, так и методов непосредственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и с помощью осциллографа) используют сравнение измеряемой частоты с частотой источника образцовых колебаний. Эти методы применяются в основном для градуировки генераторов различных измерительных приборов. На основе метода сравнения действуют осциллографические способы измерения частоты и гетеродинные частотомеры. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот. Напомним методы, основанные на использовании осциллографа в качестве устройства сравнения:

• определение частоты методом  фигур Лиссажу;

• определение интервалов времени (периода, длительности импульса и т.д.) с использованием калиброванной развертки осциллографа;

• определение частоты с помощью  яркостных меток на круговой развертке.

В зависимости от участка спектра  и требуемой точности применяют  различные методы измерения. Наиболее распространенными являются: метод перезаряда конденсатора, резонансный метод, метод сравнения и метод дискретного счета. На основе методов перезаряда конденсатора и дискретного счета созданы прямопоказывающие приборы — конденсаторные частотомеры и электронно-счетные (цифровые) частотомеры. Метод сравнения является трудоемким, так как требует обработки полученных данных. Частотомеры, построенные на методе резонанса, постепенно вытесняются цифровыми частотомерами.

Погрешность измерения частоты  задается в абсолютном значении —  ∆f = f_x - f_обр или, чаще, в относительном: δ = ∆f/f_x ≈ ∆f/f_обр, где f_x и f_обр — значения измеряемой и образцовой частот соответственно. Допустимая погрешность определяется возможностями применяемого метода и составляет при измерении методом перезаряда конденсатора 1—2 %, резонансным методом — 10^-3—5•10^-4, методом сравнения — 10^-4—10^-6 и методом дискретного счета — 10^-6—10^-9, а иногда и меньше.

 

 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

 

1. Метод перезаряда конденсатора
2. Резонансный метод
3. Метод сравнения
4. Метод дискретного счета
5. Прецизионное измерение частоты и времени

 

МЕТОД ДИСКРЕТНОГО  СЧЕТА

Переменное напряжение, частоту  которого f_x нужно измерить, преобразуют в последовательность односторонних импульсов с частотой следования, равной f_x. Если сосчитать число импульсов N за известный интервал времени AT, то легко определить частоту f_x:

f_x = N/∆T.                                ( -6)

В частности, если ∆T = 1 с, то N численно равно частоте f_x. Эта идея является основой метода измерения частоты дискретным счетом. Приборы, созданные на основе этого метода, называют электронно-счетными частотомерами. Результат измерения появляется на табло передней панели прибора в виде светящихся цифр, и поэтому такие приборы часто называют цифровыми частотомерами.

Упрощенная структурная схема электронно-счетного частотомера показана на рис. а. Основным элементом входного устройства ВхУ является аттенюатор или компенсированный делитель напряжения, с помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства ФУ. В этом устройстве из входного переменного напряжения U_fх формируются короткие прямоугольные импульсы U_фу , форма которых не изменяется при изменении частоты и амплитуды входного напряжения в установленных для данного прибора пределах. Для формирования импульсов применяют триггер Шмитта или специальные схемы на туннельных диодах.

Временной селектор (схема «И») ВС предназначен для пропускания импульсов U_фу на электронный счетчик ЭСч в течение известного интервала времени ∆T (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабилизацией Г_кв : ∆T = 1/f_кв. В управляющем устройстве УУ вырабатывается импульс напряжения u_уу длительностью ∆T, с помощью которого временной селектор открывается и на электронный счетчик проходит группа импульсов, число которых N = f_x∆T. Эта информация через дешифратор ДШ поступает на цифровой индикатор ЦИ, на табло которого появляются показания в единицах частоты.

Частота генератора с кварцевой  стабилизацией обычно равна 1 или 5 МГц, и потому длительность калиброванного импульса ∆T равна 1 или 0,2 мкс При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых равно частоте f_кв или меньше ее. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых образуются частоты в 10ⁿ (n = 1, 2, 3, ..., 7) раз ниже частоты генератора, т.е. 100, 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц.

Длительность калиброванного импульса, открывающего селектор, теперь ∆T = 10ⁿ/f_кв, и время счета можно устанавливать декадными ступенями от 10^-5 до 10 с. Измеряемая частота вместо формулы (-6) определяется по формуле

.                  (-7)

Управляющее устройство одновременно с воздействием на временной селектор выдает импульсы для автоматического  сброса показания с табло цифрового индикатора и освобождения электронного счетчика от накопленной информации, а также для приведения в исходное состояние дешифратора ДШ и делителей частоты. В управляющем устройстве предусмотрена блокировка временного селектора на некоторый интервал времени, в течение которого сохраняются показания на цифровом табло. Этот интервал времени называется временем индикации и устанавливается (оператором) в пределах нескольких секунд. Частотомер может работать в автоматическом режиме, при ручном и дистанционном управлении. В автоматическом режиме счет импульсов производится каждый раз, когда заканчивается установленное время индикации. При ручном управлении счет выполняется один раз при нажиме на кнопку; время индикации не ограничивается.

Интервал времени измерения  ∆T формируется из частоты генератора с кварцевой стабилизацией, следовательно, ее нестабильность и неточность установки определяют погрешность измерения. Нестабильность генератора состоит из двух составляющих — долговременной нестабильности (за сутки, месяц, год) и кратковременной (за время измерения). Долговременная нестабильность вызывается в основном старением кварца, т. е. имеет систематический характер, следовательно, вносит систематическую погрешность в измерение частоты. Для ее уменьшения кварцевый резонатор и часть деталей генератора помещены в термостат, в котором поддерживается постоянная температура с точностью до десятых долей кельвина. Благодаря этому длительная нестабильность частоты не превышает 1-10^-8—10^-9. Периодическим корректированием частоты или поверкой генератора она может быть уменьшена еще на  порядок.

Случайная погрешность измерения частоты  в основном определяется погрешностью дискретности, т. е. погрешностью счета импульсов ∆N и кратковременной нестабильностью частоты ∆f_кв. По правилам вычисления случайной погрешности косвенных измерений из формулы (-6) можно написать выражение для абсолютной погрешности измерения частоты в виде

Относительная погрешность

где ∆N/N — относительная погрешность дискретности; — кратковременная нестабильность частоты генератора с кварцевой стабилизацией.

Абсолютная погрешность дискрепюго счета ∆N возникает вследствие несинхронности входною напряжения с напряжением  кварцевого  генератора, отчего начало и конец калиброванного импульса времени счета не совпадают с началом периода повторения импульсов на сигнальном входе временного селектора. Несовпадение приводит к возможности появления двух случайных независимых погрешностей ∆t₁ и ∆t₂ за счет потери части периода измеряемых импульсов Т_х в начале и в конце времени счета ∆T. Каждая из них распределена по равновероятному закону, а их композиция в соответствии с теорией вероятностей дает треугольный закон распределения (закон Симпсона). Среднеквадратическое значение погрешности дискретности в этом случае . Если синхронизировать начало времени счета ∆T с началом импульса Т_х, то останется одна погрешность ∆t₂, которая распределена по равновероятному закону, и тогда среднеквадратическое значение погрешности дискретности будет равно .

Максимальная  погрешность дискретности возникает  при потере одного периода измеряемых импульсов, т. е. одного импульса: ∆N = 1. Следовательно, максимальная относительная   погрешность вычисляется по  следующей формуле:

Кратковременная случайная нестабильность частоты кварцевого генератора обычно очень мала, например 10^-10 за секунду, и в большинстве практических случаев ею можно пренебречь. Тогда

При измерении низких частот число импульсов N невелико и погрешность может быть значительной. Для ее уменьшения необходимо увеличивать время измерения ∆T, что не всегда целесообразно и возможно. Например, для измерения частоты 1 кГц с погрешностью 10^-5 при частоте кварцевого генератора 1 МГц необходим коэффициент деления 10ⁿ = f_кв/(δ_ff_x) = 10⁸. Время счета   при таких условиях: ∆T = 100 с.

Для обеспечения приемлемой погрешности измерения низких частот измеряют период. Принцип измерения периода аналогичен рассмотренному принципу измерения частоты, с той разницей, что временной селектор открывается импульсом, формируемым из напряжения измеряемого периода, а считаются так называемые метки времени — импульсы, полученные из напряжения генератора с кварцевой стабилизацией. Если на счетчик прошло N меток времени при частоте генератора f_кв) то измеряемый период