Лекция №6: «Методы измерения частоты и интервалов времени»

Учебные и воспитательные цели:

На базе понимания общих целей учебно-воспитательного процесса в ВУЗе сформировать у студентов представление о методах измерения частоты и интервалов времени электрических сигналов.

ВРЕМЯ – 80 минут.

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

1. Выставка литературы.

2. Образцы документов.

3. Плакаты.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЛЕКЦИИ:

1. Вступительная часть – 5 минут;

2. Учебные вопросы лекции:

1) Общие сведения о методах измерения частоты - 35 минут.

2) Цифровой метод измерения частоты. - 20 минут.

3) Цифровой метод измерения интервалов времени – 15 минут.

3. Заключение-5минут.

Задание студентам для самостоятельной работы

Содержание лекции: 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.

Вопрос 1. Общие сведения о методах измерения частоты

Интервалом времени Δt в общем случае называется время, прошедшее между моментами двух последовательных событий. К числу таких ин­тервалов относятся, например, период колебаний, длительность импульса или длительность интервала, определяемая разносом по времени двух импульсов.

Периодом Т любого периодического детерминированного сигнала u(t) называется наименьший интервал времени, через который регулярно и последовательно повторяется произвольно выбранное мгновенное значение этого сигнала. Отсюда следует, что u(t) = u(t + nТ), где n = 1, 2, 3 и т.д. Для гармонического сигнала, например для u(t)=U_msin(2πt/T)=U_msin[φ(t)], период колебания Т можно также определить, как интер­вал времени, в течение которого фаза сигнала φ(t), выраженная в радиа­нах, изменяется на 2π.

Из курса физики известно, что частота/и период колебания T дуальны (т.е. двойственны, равноправны) и связаны формулой f = 1/Т. По­скольку эти две физические величины неразрывно связаны, измерение одной величины можно заменить другой. Но на практике чаще из­меряется частота.

Измерение частоты, периода и других временных параметров элек­трических сигналов является одной из важнейших задач в радиотехнике и телекоммуникационных системах. 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 данных измере­ний являются:

- осциллографы;

- приемники сигналов эталонных частот и компараторы;

- преобразователи частоты сигналов;

- частотомеры резонансные;

- частотомеры на основе метода заряда-разряда конденсатора;

- частотомеры цифровые;

- измерители интервалов времени цифровые.

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.

Измерение частоты чаще всего выполняется цифровым методом (дискретного счета), на основе которого создаются цифровые (электронно-счетные) частотомеры. К достоинствам этого метода относится высокая точность изме­рений, широкий диапазон измеряемых частот, возможность обработки резуль­татов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.). Цифровые частотомеры позволяют изме­рять не только частоту колебаний, но и интервалы времени, они будут рассмотрены в следующем вопросе. Известны также методы измерения частоты, основанные на сравнении частоты источника образцовых колебаний с измеряемой частотой.