4. Принцип формирования и хранения шкал времени.

Со времен начала использования маятника, как средства из­мерения времени, и создания маятниковых часов, ставших одним из первых научных измерительных приборов, постепенно станови­лось ясно, что для построения хранителей времени необходимо использовать периодическое движение. Кроме того, было установ­лено, что периодические, но не гармонические (релаксационные) колебания могут использоваться в не очень точных инструментах, а для работы прецизионных часов требуются источники высокоста­бильных гармонических колебаний. Таковыми являются стандарты частоты.

Между параметрами стандарта частоты и шкалой времени электронных часов существует связь. Когда из синусоидального сигнала генератора с частотой f(t) путем деления получают шкалу времени, говорят, что ор­ганизуется "хранение шкалы времени". Говоря об измерениях времени с помощью часов путем исполь­зования сигналов шкалы времени, предполагают наличие образцо­вых (эталонных) часов, ошибка которых как по времени, так и по частоте равна нулю. Под показаниями часов будем понимать функцию , кото­рую математически определим следующим образом: где f₀- образцовая частота, полагаемая постоянной.

При хранении атомного времени в качестве основной выступает задача анализа погрешности i-той шкалы времени относительно эталонной.

Определив шкалу времени как непрерывную последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемую от условного начала отсчета - начального момента, заметим, что вообще говоря, шкала времени нужна для того, чтобы фиксировать и численно выражать моменты событий. Инструментом, предназна­ченным для хранения шкалы времени, являются часы. Однако сле­дует иметь в виду, что даже самые прецизионные современные ча­сы, будучи включенными, станут формировать шкалы времени, от­личающиеся начальными моментами и единичными интервалами.

Для лучшего понимания этих явлений необходимо рассмотреть несколько аспектов практической генерации шкалы времени с по­мощью часов. При этом будем иметь в виду, что во многих языках, в том числе и в русском, слово ВРЕМЯ имеет двойное значение, а именно:

1. интервал времени, ограниченный последовательными событиями ;

2. время, определяющее моменты на шкале времени ("время часов").

В практике частотно-временных измерений используются оба эти понятия. Но иногда в качестве информации требуется только продолжительность события или интервала между событиями, а иногда бывает необходимо зарегистрировать моменты большого числа событий с привязкой к некоторой шкале времени. Наиболее же часто встречаются случаи, когда моменты различных событий нужно знать в единой шкале времени. Причем потребность в такой информации, поступающей к пользователю в реальном масштабе времени, обуславливает разработку необходимых технических средств дозволяющих в процессе хранения шкалы времени производить ее привязку и синхронизацию.

Для однозначного понимания процессов привязки и синхрони­зации шкал времени необходимо дать ряд определений.

Привязанные шкалы времени - шка­лы времени, у которых разности между эпохами любого события известны с заданной точностью.

Синхронные шкалы времени - шкалы времени, у которых эпохи любого события совпадают с требуе­мой точностью.

Сдвинутые шкалы времени - шкалы времени, единичные интервалы времени которых совпадай с требу­емой точностью, а интервал времени между их начальными момента­ми известен.

При привязке сравниваются показания конкретных (ведомых) часов с образцовыми (ведущими) часами. Результаты сравнения обрабатывают и получают поправку к показаниям часов и частоте их стандарта.

Ввиду вышеуказанного практическая реализация конкретной шкалы времени с помощью некоторых часов предполагает, наличие образцовых (ведущих) часов, устранение погрешности по частоте и синхронизацию этой шкалы в процессе работы.

Хранение времени обеспечивается совокупностью технических средств и действий, позволяющих численно определить момент лю­бого события с заданной точностью. Для формирования и хранения шкалы времени необходимо:

• осуществить деление частоты выходного сигнала стандарта частоты для того, чтобы получить сигналы, определяющие длительность воспроизводимых единичных интервалов времени;

• осуществить регистрацию и счет воспроизводимых единичных интервалов времени;

• произвести сравнение формируемых сигналов времени с сигналами других часов;

• обеспечить возможность коррекции шкалы времени и частоты при их сравнении с другими шкалами и частотами;

• выбрать и установить начальный момент;

• обеспечить бесперебойное электропитание.

Хранение времени как совокупность действий позволяет в лю­бой момент определить время в избранной шкале с заданной точ­ностью.

Обобщенное название, часов, используемых в службах време­ни - это квантовые и кварцевые часы с радиокоррекцией. В них высокочастотный сигнал кварцевого или квантового стандарта частоты (обычно 5 МГц) поступает на вход делителя частоты, который формирует электрические сигналы, соответствующие оп­ределенным интервалам времени (к стандартным относят интерва­лы 1 сутки, 1 час, 300 с, 100 с, 60 с, 1 с и любой другой ин­тервал, равный 10^-m с, где т-целое положительное число). Так, для получения секундных интервалов осуществляется деле­ние частоты стандарта до 1 Гц, минутных - до 1/60 Гц и т.д.

Управлять процессом хранения времени можно:

• за счет изменения частоты выходного сигнала стандарта частоты;

• путем сдвига (корректировки) фазы сигнала с целью измерения начального момента;

• изменением (установкой) временного положения сигналов времени, формируемых в делителях частоты.

Хранение шкалы времени кварцевыми или квантовыми часами и синхронизация этой шкалы со шкалами ведущих часов предполага­ет проведение взаимных сличений шкал. Используемые при обра­ботке временные измерения производятся при этом посредством подачи определенного (например, секундного) временного элект­рического импульса от одних часов на запуск измерителя интер­валов времени и соответствующего временного импульса от других часов - на его остановку.

Разница между шкалами времени (показаниями) часов с индек­сами и к, измеряемая в момент времени t , обозначается . Положительная величина соответствует слу­чаю, когда t-e часы опережают во времени часы с индексом к.

Точность и однозначность взаимных сличений определяется выбранными методами и средствами синхронизации. Поэтому даль­нейшее рассмотрение результатов временных измерений, а также способов сличения частот предполагает рассмотрение каждого ме­тода и основных средств в отдельности.