Измерение частоты, временных интервалов и фазы. Основные сведения об измерении частоты

Измерение частоты, временных интервалов и фазы

1.  Основные сведения об измерении частоты

Измерение частоты электромагнитных колебаний является одним из самых распространенных видов измерений во многих областях науки и техники. Наиболее широкое применение частотные измерения нашли в радиотехнике, где они охватывают диапазон от инфранизких частот-менее 1 Гц, до сверхвысоких-более тысячи ГГц.

Понятие частоты устанавливается для периодической функции, т.е. функции, удовлетворяющей условию F(t)=F(t+nT), где n - целое число, T - период, под которым понимают наименьший интервал времени, через который регулярно повторяется произвольно выбранное мгновенное значение функции F(t).

Частота в общем случае характеризует число идентичных событий, происходящих за единицу времени. Под частотой f периодического сигнала понимают физическую величину, значение которой обратно значению периода этого сигнала, т.е. f=1/T.

Частоту электромагнитных колебаний удобно выражать через длину плоской волны lв свободном пространстве: fl=c, где c - скорость света, равная 299792,5+0,3 км/с.

Единица частоты - Герц определяется как одно колебание за одну секунду.

В радиотехнической практике часто используется также понятие угловой частоты, под которой понимается скорость изменения фазы сигнала, т.е. w(t)=dj/dt - мгновенная угловая частота. Поскольку у гармонического сигнала фаза растет пропорционально времени, то производная фазы по времени есть постоянная величина w(t)=2pf.

Спектр частот электромагнитных колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч ГГц. Этот спектр разделяют на диапазоны, причем это разделение объясняется разными способами получения колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями их распространения на расстояния. Однако четкой границы между отдельными участками спектра провести невозможно, поэтому деление в большей степени условно.

Международный консультативный комитет по радио (МККР) предложил упорядочить наименования в спектре частот, применяемых для радиосвязи, радиовещания и телевидения. Этот спектр разбит на девять полос, внутри которых частоты меняются в десять раз. Диапазоны частот, метрические наименования длин волн и соответствующие аббревиатуры приведены в табл.7.1.

Для характеристики электрических колебаний чаще всего измеряется частота, реже - период, и только на сверхвысоких частотах измеряется длина волны.

Кроме периода, достаточно часто измеряются и другие интервалы времени, например, длительности импульсов, фронта, среза, время нарастания переходной характеристики и т.п.

Таблица 7.1

* - исключая нижний, включая верхний предел.

Следует отметить также, что поскольку измерение частоты и временных интервалов выполняются с большей точностью по сравнению со многими другими прямыми измерениями иных физических величин, то очень часто многие физические величины измеряют косвенно, преобразуя их в соответствующие частотные или временные величины.

Многочисленные средства для частотно-временных измерений образуют единый комплекс средств, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени страны. Это определяет принципиально высокую точность измерений. Основными видами средств измерений частоты и времени являются: стандарты частоты и времени, приемники сигналов эталонных частот и компараторы, преобразователи частоты, частотомеры и измерители интервалов времени.

В соответствии с ГОСТ 15094-86 вид Ч1 составляют меры (стандарты) частоты и времени, Ч2 - частотомеры резонансные, Ч3 - частотомеры электронно-счетные, Ч5 - переносчики частоты, Ч7 - приемники эталонных сигналов частоты и времени, частотные и фазовые компараторы, Ч9 - преобразователи частоты. До 1986 г. существовал также вид Ч4 - частотомеры гетеродинные, конденсаторные и мостовые. В настоящее время гетеродинные частотомеры как самостоятельные приборы не выпускаются, а конденсаторные и мостовые частотомеры имеют принципиально невысокую точность измерений, и поэтому вытеснены из эксплуатации более совершенными и точными приборами.