ЛЕКЦИЯ №5: «МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ»

Учебные вопросы лекции:

Общие сведения о методах измерения частоты.

Цифровой метод измерения частоты.

Цифровой метод измерения интервалов времени.

Учебные и воспитательные цели:

Сформировать у студентов представление по основным параметрам частоты и интервалов времени, методам их измерений, особенностям средств измерений частоты и интервалов времени.

Время – 90 минут.

Вступительная часть

С измерением частоты и интервалов времени связано решение многих научных и технических проблем. Частотой f называется число идентичных событий, происходящих в единицу времени. Единица циклической частоты f — герц (Гц) — соот­ветствует одному событию за 1 с. Стоит отметить, что исторически в ра­диоэлектронике высокие частоты принято обозначать буквой f, а низкие — F. Гармонические сигналы характеризуют также угловой (круговой) частотой ω = 2πf, выражаемой в рад/с и равной изменению фазы сигна­ла φ (t) в единицу времени. Угловая частота записывается для высоких и низких частот соответственно как ω = 2πf и Ω = 2πF. Для гармонических сигналов (в том числе и искаженных) частота определяется числом пере­ходов через ось времени (т.е. через нуль) за единицу времени.

При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной угловой частоты ω(t) = dφ(t)/dt = 2πf(t). где f(t) — мгновенная циклическая частота. В настоящей лекции при описании методов измерения частоты имеется в виду ее среднее значение за время измерения. Различают также долговременную и кратковременную нестабильности частоты, свя­занные соответственно с постоянным изменением частоты за длительный и короткий интервалы времени и с ее флуктуационными изменениями. Граница между этими нестабильностями условна и задается путем указания времени измерения.

Методы сравнения

Для измерения частоты используются и методы сравнения с частотой источника образцовых колебаний (резонансный, гетеродинный и с помо­щью осциллографа). Однако гетеродинные частотомеры используются редко, а гетеродинное преобразование частоты обычно применяется для переноса частоты СВЧ-колебания в область, удобную для измерения циф­ровыми приборами.

Методы сравнения используются в основном для градуировки генераторов различных измеритель­ных приборов. Для их реализации необходим об­разцовый генератор более высокой точности и уст­ройство сравнения (сличения) частот. Перечислим методы, основанные на использовании осциллографа в качестве устрой­ства сравнения:

- определение частоты методом интерференционных фигур (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.

Рисунок 2 – Иллюстрация измерения частоты методом интерференционных фигур (фигур Лиссажу)

Рисунок 3– Иллюстрация измерения частоты с использованием калиброванной развертки осциллографа

Рисунок 4 – Иллюстрация измерения частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке

Отметим, что погрешность измерения интервала времени с помощью осциллографа вызвана нелинейностью его развертки и погрешностями отсчета начала и конца интервала.

Рассмотрим подробнее последний метод. Этот метод реализуется при условии, что неизвестная частота f_x больше образцовой f₀. Круговая развертка создается при подведении ко входам Υ и X осциллографа гармонических сигналов образцовой частоты, сдвинутых взаимно по фазе на 90°. Подавая гармонический сигнал с измеряемой частотой f_x на вход Ζ модуляции яркости луча осциллографа и регулируя частоту f₀, можно получить практически неподвижную модулированную по яркости круговую развертку (рис. 4). Если N — число ярких дуг (или темных промежутков) на круговой развертке, то частота f_x = Nf₀ (на рис.1 f_х = 8f₀).

Рисунок 4 - Модулируемая по яркости круговая развертка

Все три перечисленных метода имеют невысокую точность (относительная погрешность измерений порядка l∙10^-2...5∙10-²). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большин­ства из них не превышает 250 МГц.

Заключение

В заключительной части лекции подводится итог занятия и делается вывод о достижении цели занятия.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение частоты, периода и интервала времени электрического сигнала. Основные измерительные приборы частоты и интервалов времени.

2. Поясните сущность и дайте характеристику методов измерения частоты путем сравнения с частотой источника образцовых колебаний (резонансный и с помощью осциллографа).

3. Поясните сущность и дайте характеристику гетеродинного метода измерения частоты.

4. Поясните сущность и дайте характеристику метода измерения частоты способом заряда и разряда конденсатора.

5. Поясните сущность и дайте характеристику цифрового метода измерения частоты.

6. Поясните сущность и дайте характеристику цифрового метода измерения интервалов времени.

ЗАДАНИЕ СТУДЕНТАМ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Рассмотреть и законспектировать основные руководящие документы по метрологии в вопросах стандартизации частоты.

            2. Самостоятельно рассмотреть эталоны и эталонные средства измерений частоты.

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература:

1. Метрология и радиоизмерения. Учебник для вузов/ В.И. Нефедов, В.И. Хахин, В.К. Битюков и др./Под ред. профессора В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2011. – 526 с.

2. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах/ В.И. Нефедов, В.И. Хахин, В.К. Битюков и др /Под ред. профессора В.И. Нефедова. – М.: Высшая школа, 2010. – 340 с.

Дополнительная литература:

3. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, стандартизация и сертификация. – М.: Высшая школа, 2006. – 240 с.

4. Снытников А.А. Лицензирование и сертификация в области защиты информации. – М.: Гелиос АРВ, 2005. – 192 с.

5. Лаптиев Э. И., Брюхонов В. А. Межрегиональная научно-практическая конференция "Метрологическое обеспечение испытаний и сертификации продукции и услуг" // Стандарты и качество, 2008г., №8, стр. 26-28.

6. Стандартизация и управление качеством продукции: Учебник для ВУЗов / В. А. Швандар, В. Пейджер: Панов, Е. М. Купряков и др.; под ред. В. А. Швандара. - М.: Юнити-Дана, 2009. - 487 с.

7. Шишкин И. Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством. - М.: Издательство стандартов, 2007. - 342 с.

ЛЕКЦИЯ №5: «МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ»

Учебные вопросы лекции: