Засоби вимірювальної техніки частоти і часу. Метрологічне обслуговування електроннолічильних частотомірів презентация

ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ ЧАСТОТИ І ЧАСУ ЗАНЯТТЯ 3 МЕТРОЛОГІЧНЕ ОБСЛУГОВУВАННЯ ЕЛЕКТРОННО-ЛІЧИЛЬНИХ ЧАСТОТОМІРІВ.

НАВЧАЛЬНА МЕТА: 1. НАДАТИ ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ МЕТРОЛОГІЧНОГО ОБСЛУГОВУВАННЯ ЧАСТОТОМІРІВ. 2. ОЗНАЙОМИТИСЬ З РОБОТОЮ СИНХРОНІЗАТОРА І СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТИ.

ВИХОВУВАТИ ВПЕВНЕНІСТЬ І ВИНАХІДЛИВІСТЬ ПРИ ВИВЧЕННІ МАТЕРІАЛУ 3. ВИХОВУВАТИ І РОЗВИВАТИ ТВОРЧИЙ ПІДХІД ПРИ ВИВЧЕННІ МАТЕРІАЛУ НА ЗАНЯТТІ І САМОСТІЙНІЙ ПІДГОТОВЦІ.

і синтезатори частоти……………… …20 хв.
3. Похибки вимірювань частоти і методи повірки частотомірів…..25 хв..

до необхідності створення високостабільних мір частоти. Точність, яка досягається при проведенні частотних та часових вимірювань в найбільшій мірі визначається метрологічними характеристиками мір частоти і в першу чергу стабільності частоти.

кварцовий; побудований на процесі обміну енергії в атомах і молекулах.

його полягає в усунені ( або зведення до мінімуму) причин дестабілізації частоти джерел електромагнітних коливань шляхом покращення їх характеристик різними способами. Відомо, що причинами дестабілізації частоти є:
зміна геометричних розмірів елементів коливального контуру;
зміна параметрів ламп і транзисторів;
непостійність електричних величин елементів і деталей;
коливання напруг джерел живлення;
вплив навантаження генератора;
зміна температури оточуючого простору, вологості і інш.

(SiO2), які розміщені в високочастотному електричному полі. Якщо спеціально виготовлений п’єзокварцовий елемент розмістити в таке поле, то при деяких умовах в монокристалі кварцової пластинки будуть збуджуватись механічні коливання. При цьому на відповідних поверхнях пластини в свою чергу виникають змінні електричні заряди. Збуджуючі електроди, між якими розміщується кварцова пластинка, служать для утворення поля, яке збуджує пластину, і забезпечують можливість вмикання такої електромеханічної системи в електричну схему автогенератора.

завдяки тому, що частота коливань, які вони генерують визначається головним чином геометричними розмірами кварцової пластини. Схеми кварцових генераторів мають ряд загальних елементів.
Основним з них є задаючий генератор, який складається з збуджувача і кварцового резонатора. Для підтримки оптимального режиму коливань кварцового резонатора застосовують систему автоматичного регулювання підсилення (АРП).

на виході підсилювача потужності застосовують вузько-смуговий фільтр. Так як кварцовий генератор генерує тільки одну частоту, то для одержання кратних їй частот застосовують, як правило, змінні конденсатори або індуктивності, які включають в контур задаючого генератора. Вони дозволяють проводити підстроювання частоти кварцового генератора під час випуску його з виробництва або під час експлуатації. Для виключення можливості впливу температури на стабільність частоти застосовують термостат.

елементів генератора в часі - їх старінням. Час старіння розділяється на два періоди: -початковий, на протязі якого змінювання частоти може досягати величини 10-7…10-8 за добу, неділю - і період, на протязі якого змінювання частоти значно менше 10-9.
Зміна параметрів елементів задаючого генератора приводить до зміни частоти коливань (1…5)∙10-9 за першу неділю роботи і (3…5)∙10-12 за неділю після 1,5…2 місяці неперервної роботи.

обумовлена тепловим шумом кварцового генератора, елементів збудження, дробовим шумом транзистора і шумом елементів генератора.
Зміну частоти генерації, яка викликана дестабілізуючими чинниками досить легко вдається звезти до значень, які менші допустимих шляхом застосування параметричної стабілізації.
Розглянемо деякі з них.

всієї схеми кварцового генератора.
Вплив світлового і ультрафіолетового опромінювання зменшують також за рахунок застосування екранів. В цьому випадку використовують тільки відбиваючі екрани, так як застосування поглинаючих екранів приводить до появи температурного впливу.

покриття і речовини з малою хімічною активністю ( наприклад, електроди і виводи позолочують, а балони виконують з хімічно стійкого скла.) Герметизація дозволяє боротись з впливом на частоту зміни вологості і тиску.
Вплив механічних дій може бути зменшена за рахунок досконалості конструкції кварцового генератора, його геометрії і застосуванням поглиначів ударів, вібрацій і ультразвуку. Без застосування спеціальних мір захисту підсумкова дія механічних дестабілізуючих чинників приводить до відносної зміни частоти приблизно (1…5)∙10-5, що значно перевищує довготривалу нестабільність за рахунок старіння.

частоти кварцових мір при тривалому впливі радіації до 1∙10-9…1∙10-11.
Одним із способів параметричної стабілізації частоти кварцового генератора є використання збудження кварцових резонаторів на вищих механічних гармоніках. Відомо, що добротність резонатора збільшується при використанні гармонік до 5-9 -ої.

міри частоти в порівнянні з іншими мірами є самими простими, мають найменшу масу, габарити, вартість, високу економічність, надійність і великий строк напрацювання.

МОЛЕКУЛАХ
Явище переходів між енергетичними рівнями атомів (молекул) має властивість: переходи виконуються на чітко визначених (монохроматичних) частотах, значення яких в часі зберігається незмінним з досить високою точністю.
Так як частоти квантових переходів мало залежать від зовнішніх факторів і є стабільними, їх використовують для стабілізації частоти електромагнітних коливань. Частота випромінювання ( поглинання) визначається виразом
ω = ( E2 - E1 ) / h [1]
де h - постійна Планка.

які використовують процеси обміну енергії в атомах і молекулах.
До першого класу відносять активні прилади, в яких коливання виникають і підтримуються за рахунок вимушеного індуційованого випромінювання атомів і молекул під час переходу їх з вищого енергетичного стану на нижчий. Фактично це генератори з самозбудженням (автогенератори). Їх ще називають квантовими генераторами.

Фактично це резонансні системи з високою добротністю, які реагують на зовнішнє діяння шляхом поглинання енергії, при чому процес поглинання носить резонансний характер, що дозволяє використовувати ці пристрої в якості резонансних (коливальних) систем частотних дискримінаторів різних систем. Такі системи характеризуються високою добротністю 106…109.

або інших молекул (на формальдегіді, синильній кислоті, ціанистому водню), квантовий водневий генератор, генератор з оптичною підкачкою парів рубідію. Ці генератори мають високу стабільність частоти до 10-11…10-14, генерують порівняно невеликі потужності 10-14…10-9 Вт.

міри частоти.
До усіх стандартів частоти з точки зору частотних вимірювань висуваються вимоги забезпечення стандартних значень частот вихідних сигналів 0,1; 1 і 1,5 МГц і досить значної їх потужності. У квантових приладів частоти атомних переходів знаходяться в діапазоні НВЧ, а вихідні сигнали характеризуються малою потужністю і амплітудою.
Повірка стандартів частоти виконується по сигналами еталонних частот, які передаються по радіо міждержавною службою часу і частоти. Для прийому сигналів використовують приймачі сигналів точного часу і еталонних частот (Ч7-8,Ч7-13). Порівняння частот виконується за допомогою частотних ( Ч7-12) і фазових компараторів частоти.

еталонним частотам, які передаються по радіо.
В якості зразкових мір застосовують кварцові стандарти частоти. Кварцові стандарти частот будуються на базі кварцового опорного генератора, який має частоти вихідних сигналів 0,1; 1 і 1,5 МГц. До складу стандартів частоти входять спеціальні пристрої, які забезпечують високі спектральні характеристики сигналу і надійність функціонування.
Сучасні стандарти частоти, завдяки розвитку напівпровідникової і п'єзоелементної техніки мають нестабільність частоти до 2∙10-11 за 1с і 5∙10-11 за добу. Сучасні кварцові стандарти частоти допускають електронне перестроювання в межах 2∙10-8 з роздільною здатністю 10-11, яка призначена для періодичної корекції дійсного значення частоти по сигналам еталонних частот.

±1,25∙10Е-7. Цей прилад має відносну добову зміну середнього значення частоти сигналу після 24 годин неперервної роботи ±5∙10-9, а середню квадратичну відносну варіацію за 10 с - ±2∙10-11.
Варіація показів (вимірювального приладу) — це розходження в показах в одній і тій же точці діапазону вимірювань при плавному підході до цієї точки з боку менших і більших значень вимірюваної величини.
Варіації показів обчислюється як абсолютна різниця показів в одній і тій же точці шкали при прямому (з боку менших величин) і зворотному (з боку більших величин) значень вимірюваної величини:

мір частоти є тривалий час входження в режим, коли величина старіння не буде перевищувати допустимого значення
(від 24 г до 6 міс.).
Квантові міри частоти не мають цього недоліку. Вони мають ряд метрологічних позитивних якостей:
їх частоти визначаються атомною постійною і не залежить від зовнішніх умов і параметрів встановлення;
мала ширина спектральної лінії;
мала похибка відтворення;
простота, надійність і стійкість на протязі тривалої роботи.

який синхронізується по частоті квантового генератора або квантового частотного дискримінатора.
За своїм призначенням квантово-механічні стандарти частоти (КМСЧ) аналогічні кварцовим генераторам, але значно перевищують їх по точності відтворення частоти. Друге покоління КМСЧ: водневий, цезієвий і рубідієвий стандарти частоти ( відповідно Ч1-44,Ч1-42,Ч1-43) стали звичайними радіовимірювальними приладами, звичайних габаритів, простими і надійними. Вони забезпечують похибку відтворення дійсного значення частоти 10∙-10)…10-12, змінювання відтвореної частоти за весь строк служби від 1∙10-12...1∙10-13, нестабільність частоти за добу 10-11...10-13.

Тип Частота, МГц Рівень, ВЧ1-40±1∙10-9за 24 год.Кварцовий0,1; 1; 5Ч1-43±5∙10-11за 24год.Рубідієвий0,1; 1; 5Ч1-44±5∙10-13за 24год.водневий0,1; 1; 5Ч1-46±7∙10-14за 24год.водневий0,1; 1; 5Ч1-47±2∙10-11за 24год.цезієвий0,1; 1; 5Ч1-50±3∙10-11за 24год.рубідієвий0,1; 1; 5Ч1-53±5∙10-10за 24 год.кварцовий0,1; 1; 5

діапазонної кварцовою стабілізацією частоти. Один з найбільш розповсюджених способів побудови такого генератора пояснюється наступним чином.
В каналі змінної частоти формується високочастотний сигнал з діапазоном перестроювання, по абсолютному значенню рівному заданому діапазону частот вихідного сигналу генератора. Канал фіксованої частоти служить для формування сигналу з частотою, рівною нижній або верхній частоті каналу змінної частоти. Різницева частота обох каналів, яка виділяється змішувачем, через вихідний пристрій. Дискретність перестроювання частоти вихідного сигналу встановлюється тільки каналом змінної частоти, або обома каналами. Розглянутий спосіб діапазонно-кварцового перестроювання частоти покладений в основу побудови вимірювальних генераторів типу Г4-73,Г3-101,Г3-105.

одержав спосіб синтезу частот.
Синтезатори частоти призначенні для перетворення сигналу з фіксованим значенням частоти від високостабільного джерела в сигнал, значення частоти якого може бути встановлене з потрібною дискретністю в заданому діапазоні частот.
Існують два способи побудови синтезаторів частот:
прямого;
непрямого синтезу.
Перший з них побудований на виконанні чотирьох арифметичних дій над частотою опорного сигналу з наступною фільтрацією за допомогою змінних фільтрів мал.5

0,1; 1 або 5 МГц. Блок опорних частот формує із сигналу ОКГ ряд сигналів з фіксованими частотами, які потрібні для роботи системи синтезу частот (ССЧ), за допомогою якої проводять операції додавання, віднімання, помноження і ділення частот. На виході ССЧ стоять фільтри з фіксованими або змінною частотою настроювання. За допомогою фільтрів подавляються небажані складові, які виникають в спектрі сигналу під час перетворення сигналу. Як правило ССЧ складається з декількох частотних декад (ЧД), з'єднаних послідовно або паралельно. Кожна ЧД є самостійною вузькодіапазонною ССЧ.

( спосіб прямого синтезу частот). В такій ЧД сигнал від кварцового генератора надходить на генератор гармонік. Гармоніки фільтруються за допомогою фільтрів (які перестроюються повільно, ступінчасто, або мати набір фільтрів, які перемикаються). Для одержання на виході ЧД сигналу потрібної частоти досить настроїти вихідний фільтр на дану частоту. Фільтри, які використовуються в таких ЧД, повинні подавляти сусідні гармоніки більш ніж на 80 дБ.
Другий варіант побудови ЧД оснований на використанні гетеродинного фільтра, який дозволяє одержати якісну фільтрацію в діапазоні гармонік, які підлягають селекції (рис.6).

перестроюється по частоті. На частотах до сотень мегагерц в якості коливальної системи застосовують резонансні контури з зосередженими параметрами, на більш високих частотах до 1 ГГц контури з розподіленими параметрами у вигляді відрізків коаксіальних або смугових ліній, на ще більших частотах застосовують об'ємні резонатори, на частотах понад 30 ГГц відкриті резонатори.

її частота перетворюється з частотою сигналу допоміжного гетеродина. На змішувачі ЗМ2 частота вихідної гармоніки відтворюється. Гетеродинний фільтр може мати частоту настроювання фільтра Ф1 вище або нижче частот гармонік опорного сигналу. Для уникнення неробочих гармонік вихідного сигналу спектру і складових з комбінаційними частотами, які виникають під час перетворення сигналів в змішувачі ЗМ2, використовується фільтр Ф3.
Для побудови ЧД синтезаторів може застосовуватись спосіб непрямого синтезу. При побудові ЧД цим способом використовуються активні фільтри, основою яких є система фазового автопідстроювання частоти (рис.7).

Керуюча напруга з фазового детектора проходить через фільтр нижніх частот, який придушує небажані гармоніки частоти опорного сигналу, так як вони можуть утворювати частотну модуляцію сигналу генератора. Для стійкої роботи ЧД і введення її в режим синхронізації з частотою потрібної гармоніки частота генератора повинна бути встановлена з похибкою менше чим ±0,5 fзраз.

застосований на частотах 10Гц...20МГц. Для вимірювань потрібне джерело зразкової частоти з можливістю перестроювання, похибка якого мала до знехтування в порівнянні з похибкою вимірюваного джерела.
Метод порівняння на основі осцилографа може бути реалізований двома способами:

даного способу для вимірювання частоти генератор розгортки у осцилографа відмикають, напругу вимірюваної частоти подають на один вхід осцилографа, а напругу зразкової частоти на другий. Частоту зразкового генератора змінюють до одержання на екрані осцилографа повільно обертаючої або, якщо можливо, нерухомої фігури. Форма фігури залежить від кратності вимірюваної і зразкової частот, а частота обертання від різниці частот. На рис.3 показані форми фігур при різних співвідношеннях зразкової і вимірюваної частот і їх фаз.

провести дві прямі лінії: горизонтальну і вертикальну (минаючи вузли). Відношення числа «м» перетинів горизонтальної прямої з фігурою до числа «n» перетинів вертикальної прямої з цією фігурою дає відношення зразкової і вимірюваної частот. Якщо не вдається одержати нерухому фігуру, то потрібно підрахувати число повторень зображень фігури «q» за визначений час t і обчислити різницеву частоту згідно формули
, [7]

10, так як при більшому числі перетинів горизонтальної і вертикальної ліній їх важко підрахувати. Схема вимірювання частоти наведена на рис.4

Напруга другої частоти подається на модулятор електронно-променевої трубки. При кратності вимірюваної і зразкової частот на модулятор подається напруга більш високих частоти. Якщо fx = fзраз, то на екрані осцилографа з'явиться половина світлого кола (або половина світлого еліпсу в залежності від кута фаз фазозсуваючого ланцюга). При кратності fx і fзраз на екрані з'явиться пунктирне коло. Число темних і світлих штрихів n рівне кратності невідомої і зразкової частот. Якщо частоти fx і fзраз не рівні, то фігура на екрані осцилографа буде обертатись. Швидкість обертання прямо пропорційна різниці частот fзраз- fx. Для визначення Δf = fзраз – fx

момент часу t1, потім помітити час t2, коли штрих займе попереднє положення і обчислити різницеву частоту згідно
. [8]
Якщо частота обертання фігури на екрані осцилографа досить низька, то визначають час t2, через який штрих пройде частину кола «m». Підрахунок різницевої частоти у цьому випадку проводять згідно
[9]

вимірювання частот при кратності їх з зразковою до 50.
Похибка вимірювання визначається похибками вимірювання різниці фаз і інтервалів часу. Похибка вимірювань різниці фаз, крім неточності відліку, залежить від фазової модуляції і флуктуації вимірюваного сигналу.
Недоліком осцилографічного способу є великий час вимірювань, обов'язкова присутність оператора і відносно низька роздільна здатність відліку різниці фаз.

гетеродинного перетворювання частоти вимірюваного сигналу з частотою напруги гетеродина, який перестроюється, високостабільного генератора, частота якого відома. Вимірювальні прилади, які виконують гетеродинний метод, називають гетеродинними частотомірами. Спосіб застосовують для порівняння звукових, високих і надвисоких частот. Структурна схема гетеродинного частотоміра зображена на рис.5

характеристики калібрування і нестабільності).
Гетеродинні частотоміри характеризуються діапазоном вимірюваних частот, похибкою, чутливістю. В якості приклада гетеродинних частотомірів можна привести прилади: Ч4-1 (діапазон вимірювання 125...20 000кГц, основна похибка 2·10-4, чутливість 100 мВ);
Ч4-5 (діапазон вимірювань 2, 5...18 ГГц, основна похибка 5∙10-5, чутливість 100 мкВт);
Ч4-25 (діапазон вимірювань 37,5...78,3 ГГц, основна похибка 10-5, чутливість 100 мкВт);

число імпульсів. Суть його полягала в порівнянні перетворюваного інтервалу часу Т з відомим періодом надходження відлікових імпульсів Tвід. Порівняння виконувалось рахуванням «m» імпульсів, які заповнюють інтервал Т.
При вимірюванні частоти ролі Tвід і Т змінюються: імпульси вимірюваної частоти заповнюють часовий інтервал, який сформований із коливань високостабільного по частоті кварцового генератора з відомою частотою fкв. Мірою частоти fх, очевидно, буде число імпульсів «n», які заповнили інтервал
. (10)

за інтервал часу, який формується зразковою частотою.
. (11)
Результати підрахунку числа імпульсів, які попали в часовий інтервал ΔТ, фіксують в цифровій формі за допомогою лічильника імпульсів.
Як правило ΔТ вибирають рівним 10m, де m - ціле число, яке приймає значення від 2 до 3. Тому покази ЕЛЧ чисельно співпадають з значенням вимірюємої частоти. Структурна схема електронно-лічильного частотоміра зображена на рис.6

синусоїдальну напругу вимірюваної частоти в послідовність однополярних імпульсів. Частота надходження цих імпульсів рівна вимірюваній частоті. Імпульси надходять на вхід 1 селектора. На вхід 2 надходить стробуючий імпульс визначеної тривалості Т. Тривалість стробімпульсу задається генератором G1 з кварцовою стабілізацією.

формування і керування. Імпульси вимірюваної частоти надходять на лічильник імпульсів лише тоді, коли на вхід 2 селектора надходить стробоімпульс. З виходу лічильника сигнал про число імпульсів m, у вигляді двійкового коду подається через перетворювач кодів (дешифратор) на цифровий відліковий пристрій. Вимірювання проводиться циклами, які задаються пристроєм керування. Із розглянутого принципу дії ясно, що ЕЛЧ вимірює середнє значення частоти за час вимірювання Т = n/fкв.