стах, где выполняют наблюдения с очень высокой степенью точности. Следует отметд, ь, что эталоны частоты на основе рубидия, так же как и кварцевые генераторы, должны быть откалиброваны, так как изменение условий внутри резонансного контура изменяет частоту в отношении 1 : 10*.

Цезиевый эталон. Цезиевый эталон частоты практически представляет собой атомную лабораторию в миниатюре, в которой атомы цезия запускаются из нагревательной в вакуумную камеру. В последней они пропускаются через магнитный селектор постоянного спина и переменные электрические поля, а потом детектируются с помои;ью ионизационного детектора с нагретой проволокой. Как и в рубидиевом генераторе, в данном случае микроволновый сигнал, определяемый стабильным кварцевым генератором, резонансно захватывается за счет сигнала обратной связи, снимаемого с фазового детектора, а выходная частота снимается с кварцевого генератора.

Цезиевые генераторы эталонной частоты не отличаются миниатюрностью и дешевизной. Но они представляют собой первичные стандартные эталоны, для них не требуется выполнять калибровку. В соответствии с международным соглашением цезиевый генератор частоты определяет продолжительность времени в одну секунду: это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу атома цезия-133 между двумя сверхтонкими уровнями 0СН0В1ЮГ0 состояния атома цезия-133 Цезиевые часы служат стандартом официального времени в стране, с их помощью выполняют калибровку временных сдвигов. Цезиевые часы представляют собой очень сложные устройства, даже коммерческие цезиевые генераторы обладают исключительными характеристиками, для генератора модели 5061 фирмы Hewlett - Packard (стоимостью 24 ООО долл.) старение и воспроизводимость определяются отношением 3 : 10.

Водородный эталон. Для нейтральных атомов водорода резонансная частота составляет примерно 1420 МГц, и в отличие от других генераторов эталонной частоты на основе других атомов на атомах водорода можно непосредственЕю построить генератор. Как и в случае с атомами цезия, создается поток атомов, который пропускают сначала через магнитные селекторы. Затем он попадает в кварцевую колбу с тефлоновым покрытием, которая находится в микроволновой камере. Внутри этой колбы-хранилища атомы находятся в активном движении в течение приблизительно 1 с. За это время они отдают достаточное количество энергии ВЧ для поддержания колебаний в камере. Благодаря этому облегчается возможность фиксации кварцевого генератора с помощью схем ФАПЧ и смесителей. Такой прибор называют водородным мазером (он обеспечивает микроволновое усиление за Счет индуцированного излучения).

Водородные мазеры обладают очень высокой стабильностью на Коротких промежутках времени (не более нескольких часов), их стабильность оценивается отношением 1 ; 10. Тем не менее они не заменяют цезиевые генераторы в качестве устройств первичного отсчета

Времени, так как с ними связана не решенная пока проблема влияния объема камеры на частоту, кроме того, в этих приборах наблюдается долговременный дрейф, связанный с изменением свойств поверхности колбы-хранилиш;а.

Метановый лазер. Этот четвертый по счету эталон частоты используется для инфракрасного диапазона длин волн и называют его стабилизированным метаном гелий-неоновым лазером. Его стабильность сравнима со стабильностью других атомных эталонов частоты, но он работает на частоте 8,85-10* Гц (длина волны 3,39 мкм), и его нельзя использовать в качестве эталона радиочастот.

Калибровка часов. Если вы не являетесь счастливым обладателем цезиевого генератора эталонной частоты, то вам нужно знать, каким образом можно воспользоваться стабильным калибровочным сигналом. Кроме того, иногда может потребоваться абсолютное значение как времени, так и частоты, т. е. может возникнуть необходимость установить часы, после того как они уже проработали какое-то время с нужной скоростью. Для этого предусмотрены следующие службы. На восточном побережье Соединенных Штатов и в некоторых других областях можно принять навигационный сигнал на частоте 100 кГц, лорановский сигнал (Loran-C), с помощью которого можно определить частоту и время. Лорановский сигнал генерируют цезиевые часы, этот сигнал сравнивается с сигналом, который генерируют главные цезиевые часы в Морской обсерватории; Морская обсерватория ежемесячно публикует поправки. Еще одна служба времени именуется WWVB, ею заведует Национальное бюро стандартов в штате Колорадо. Она формирует сигналы на частоте 60 кГц, которые можно принимать на всей территории Соединенных Штатов. Оба низкочастотных сигнала можно синхронизировать с точностью до 1 мкс и выше, если вы находитесь в пределах действия сигнала, распространяющегося по поверхности земли (в пределах нескольких сотен миль), но влияние ионосферы (смена дня и ночи, солнечные ветры и т. п.) приводит к тому, что синхронизация с помощью воздушного сигнала обеспечивает меньшую точность (10- 50 мкс). Из недавно появившихся служб времени можно назвать сигнал Омега, который передается на низкой частоте (около 10 кГц) и может быть принят в любой точке.

Если вы используете эти сигналы, то сможете сравнить частоту, которую вы получаете с помощью своего генератора, с эталоном. В продаже имеются хорошие приборы, воспользовавшись которыми вы можете не ломать себе голову над тем, как выполнить сравнение - все будет сделано без вашего вмешательства, а вы даже получите красивые графики с результатами. Немного сложнее обстоит дело с установкой часов. Самый надежный способ заключается в том, чтобы отнести свое устройство в службу времени, где могут выполнить такую установку. Вернувшись на место, следует обнаружить в эфире лорановский сиг-пал или Какой-нибудь другой и определить временную задержку рас-гространения от передатчика до вас. Полученное число нужно запомнить! (Мы до сих пор помним магическое число 53,211 мкс, которое

Из не рения и обработка сигналов

определяет задержку распространения лорановского сигнала пз Нантукета до 60-дюймового телескопа в Гарварде.) И если только между передатчиком и вами не образуется неожиданно новая гора, вы можете выдавать отсчеты точного времени.

К другим методам синхронизации времени и частоты, о которых вы можете услышать, относят синхронизацию с помощью микроволновых повторителей, телевизионных сигналов, спутников связи и наблюдений за пульсарами.

14.10. Измерения частоты, периода и временных интерзалов

Оказывается, что измерять частоту и период колебаний с высокой степенью точности на редкость просто - для этого достаточно иметь генератор эталонной частоты и несложную цифровую схему.

Измерение частоты. На рис. 14.23 показана основная схема счетчика частоты. Триггер Шмитта преобразует аналоговый входной сигнал в логические уровни, после этого производится стробирование

JUUlfL

пгж

л-разрядный двоич-> но-десйТичны11 с счетчик

защелка

1С

Рис. 14,23. Схемл измерения частоты с помощью счегчика.

вторым импульсом, получаемым от кварцевого генератора с делителем, длительность которого точно равна 1 с. Частота в герцах определяется числом импульсов, зафиксированным многоразрядным двоично-десятичным счетчиком. Между интервалами счета полезно зафиксировать по-лученное число и произвести сброс счетчика.

На практике времязадающую схему можно построить так, чтобы можно было выбирать короткие и длинные интервалы: 0,1, 1, 10 с. Можно также устранить интервал длительностью 1 с между измерениями. Схема может быть усовершенствована: можно включить регулируемый предусилитель с перестраиваемыми уровнем срабатывания и

гистерезисом и панель, на которую поступает выход дискриминатора и с помощью которой можно контролировать уровень срабатывания на осциллографе; выход двоично-десятичного счетчика можно подключить к ЭВМ или регистрирующему устройству, может быть предусмотрена возможность для подключения внешнего генератора в тех случаях, когда имеется прецизионный эталон; полезно предусмотреть возможность ручного старт-стопного режима при простом счете (суммировании).

Микроволновые счетчики. Используя современные цифровые интегральные схемы, можно работать с частотами порядка I ГГц. В частности, фирма Plessey Semiconductor выпускает серию счетчиков с чрезвычайно высоким быстродействием - до 1,3 ГГц. На более высоких частотах можно использовать гетеродинный метод для смешения микроволнового входного сигнала с частотой счета, или так называемый метод переходного генератора, при которо.м входной сигнал захватывается по фазе П'\\ гармоникой ГУН, затем частота ГУН измеряется и умножается на п.

Ошибка при счете на ±1. Недостаток представленной счетной схемы состоит в том, что на низких частотах нельзя обеспечить высокую точность из-за того, что при счете имеет место ошибка, равная ±1. Например, если частота сигнала равна приблизительно 10 Гц, а время стробирования составляет I с, то результат будет правильным только

на 10%, так как вы получите lllf или 9, или 10, или П. Можно

сигнал

производить измерение на более длинном интервале времени, но вам понадобится целый день, чтобы получить приличную точность (определяемую отношением 1 : Ю* ), а если бы частота сигнала быларавна, например, 1 МГц, то для проведения измерений потребовалась бы всего одна секунда. Существует несколько способов решения этой задачи; измерение периода (вместо частоты), использование методов интерполяции, использование ФАПЧ с умножением частоты. Два первых способа мы рассмотрим в следующих разделах, так как на самом деле их нельзя отнести к непосредственным измерениям частоты.

На рис. 14.24 показано применение схемы ФАПЧ для измерения частоты методом увеличения разрешающей способности с помощью умножения частоты . Стандартная схема ФАПЧ синтезирует частоту, которая превосходит частоту входного сигнала, скажем, точно в

частоты

Рис. 14.24. Увеличение разрешающей способности при измерениях низких частот с помощью схемы ФАПЧ.

1000 раз, затем такой сигнал поступает на счетчик, работу которого мы описали выше. На точность этого метода накладывает ограничение дребезг фазы в фазовом детекторе н компенсационные параметры петли^. Например, если сигнал, имеюи;ий частоту 100 Гц, умножается на 1000, время счета составляет 1 с, а дребезг в фазовом детекторе оценивается величиной 1% за цикл (3,6) или 100 мкс, то точность измерения будет определяться отношением 1 : 100 ООО, хотя разрешающая способность оценивается отношением 1 : 1 ООО ООО.

А теперь мы скажем несколько слов о двух других способах повышения точности при измерении частоты: речь идет об измерениях периода и о методе интерполяции при измерениях временных интервалов.

Измерение периода ( обратный счет ). Один из способов повышения разрешающей способности при измерении низких частот

Входной сигнад

триггер Шмипа

Генератор 10 МГц

п разрядный > двоично-десятичный 4/? счетмин

Регистр-защелка

Дисплей

Рис. 14 25 Схема измерения периода.

состоит в том, что входной сигнал (или некоторая его часть) используется для стробирования часов. На рис. 14,25 показана стандартная схема такого счетчика периода. Число периодов измерения обычно можно задавать с помощью переключателя в виде одной из степеней основания 10 (1, 10, 100 и т, д,). Обычно число периодов выбирают так, чтобы измерения занимали удобный отрезок времени, обычно 1 с, а полученный за это время результат должен содержать около семи значащих цифр. Само собой разумеется, результат будет измеряться в единицах времени, а не частоты, поэтому необходимо выполнить обратный пересчет для получения искомого значения. Для того чтобы выполнить преобразование, не нужно даже уметь делить, так как в современных счетчиках используют микропроцессоры, предназначен-цые для выполнения преобразования периода в частоту.

Отметим, что точность измерений периода существенно зависит от стабильности срабатывания триггера Шмитта и от отношения сигнале /шум. Сказанное иллюстрирует рис. 14.26.

То есть погрешности статизмзг возникающие при дрейфе частоты,- Прим.

All (sT

I ВХОДНОГО

возде1ствия (шум, вребезг

интервала измерения

Рис. 14.26.

Основное достоинство метода обратного счета состоит в том, что он обеспечивает постоянное разрешение Af/f для заданной продолжительности измерения независимо от входной частоты. С помощью графика, изображенного на рис. 14.27, можно сравнить разрешающую

способность частотного и периодического (обратного счета) методов измерения частоты при продолжительности измерения, - равной 1 с, и при использовании таймера с частотой 10 МГц. График, соответствующий методу периода, на самом деле должен представлять собой слегка волнистую линию, так как обычно приходится иметь дело с приближениями к степени числа 10 для осредняемого числа периодов. Но даже этот недостаток отходит в область предания с появлением умных счетчиков на микропроцессорах (например, счетчик фирмы Hewlett - Packard типа 5315), которые обеспечивают плавную регулировку времени стробирования; они сами знают, по какому числу периодов производилось осреднение, и самостоятельно выполняют деление результата на нужное число. Кроме того, они сами определяют, когда необходимо перейти от режима измерений периода к режиму прямого измерения частоты. Такое переключение выполняется в том случае, когда входная частота превышает частоту таймера и позволяет получать оптимальное разрешение при любой частоте входных сигналов.

Еще одно достоинство метода измерений частоты по периоду состоит в возможности внешнего управления временем стробирования. Это достоинство проявляется, например, когда возникает необходимость

са 3-

10-7 10-6

10-5

IQ- 10- 102

10 1

1 ч

кГц

J МГц 10 МГц

Частота штгш-

Рис. 14.27. Разрешающая способность для счетчиков частоты и периода.

измерить чаетоту короткого тонового импульса. В этом случае простой счетчик частоты даст неправильный результат, так как его интервал стробирования не совпадает с импульсом. Метод счета периода позволяет стробировать измерения извне и даже за счет высокой разрешающей способности выполнять измерения в различных точках импульса.

Возникает вопрос: можно ли получить более высокую разрешающую способность, чем А /л^1 таймера^ (Для периодических измерений) ИЛИ 1 входа'? (для частотного счетчика) при относительной ошибке по частоте, равной Д / для интервала счета Т? Оказывается, можно. На

Генератор 1 МГц

Балансный смеситель ->

Эталонный генератор 1 МГц*-

Практике применяют несколько хитроумных схем. Некоторые из них мы рассмотрим в следующем подразделе (посвященном измерению временных интервалов), а сейчас, просто для того, чтобы показать, как можно этого добиться, мы приводим рис. 14.28, который иллюстрирует метод измерения частоты 1 МГц-генератора с разрешающей способностью 1 : 10§ при продолжительности измерений, равной 1 с. Неизвестная частота смешивается со стабильной эталонной частотой, имеющей небольшой сдвиг относительно 1,0 МГц, например 1,000001 МГц (для этого можно использовать схему ФАПЧ). На выходе смесителя получаем частоту, равную сумме, и частоту, равную разности. Пропустив сигнал через фильтр НЧ, получим частоту 1 Гц, которая определяет разность частот двух генераторов. Ее нетрудно измерить с помощью счетчика периода, разрешающая способность при этом будет определяться отношением 1 : 10® при продолжительности измерений, равной 1 с. Иными словами, мы измерили частоту 1 МГц с точностью до 1 мкГц за 1 с.

Этот метод измерения предполагает, что в схеме обеспечено хорошее отношение сигнал/шум; на практике приходится беспокоиться об уровне низкочастотного шума, времени установления фильтра и т. п., и фактическая разрешающая способность определяется отношением 1: Ю^за I с. Но и такая разрешающая способность значительно лучше, чем при использовании счетчика частоты (или при счете периода). Кроме того, точность будет ниже, чем разрешающая способность, если точность эталонного генератора хуже чем \ \ 104 (такую точность при современном уровне технологии получить можно, но это не просто). При желании эту схему можно рассматривать как схему для сравнения отношения частот двух генераторов.

1Щ>т МГц и

Рис. 14.28. Сравнение частот с высоки\г разрешением.

Измерение временньх интервалов. Простейшее изменение Б схеме счетчика периода позволяет измерять интервалы времени между событиями. Рис. 14.29 Иллюстрирует сказанное. На практике желательно, чтобы в схему был включен синхронизатор, как показано на второй схеме, для предотвращения действия небольших импульсов помехи. Очевидно, что самое хорошее разрешение получается при работе генератора на максимально возможной частоте. Имеющиеся в продаже счетчики используют эталонную частоту порядка 500 МГц, а во внутренней схеме ФАПЧ используется стабильный кварцевый генератор с частотой 5 или 10 МГц. Эталон 500 МГц обеспечивает разрешение 2 не.

Как уже упоминалось выше, суш,ествуют приемы, с помощью которых можно преодолеть ограничение по разрешающей способности, присущее методу обратного счета, при измерении временных интервалов. Для этого используют дополнительную информацию о точках, в которых входной сигнал пересекает нулевой уровень по отношению к сиг-палу-эталону. В схеме сравнения частот двух генераторов, которую мы

HL;-\ . -1 L

U 7 ~Л \-Счетчин, ретпр-защелка,

- дисплей

Генератор

А

ГЕНоратор

Гонератор

п гш п ги

1Г

г-П-Г

Рис. 14,29. Измерение временных интервалов.

привели выше, используется та же самая информация, но в неявном виде. На эти схемы должен подаваться чистый сигнал с очень низким уровнем шума. В коммерческих приборах используют два интерполяционных метода: линейную интерполяцию и верньерную интерполяцию.

Линейная интерполяция. Допустим, требуется измерить интервал времени между стартовым и стоповым импульсами, показанными на рис. 14.30. Вы измеряете число импульсов синхронизации п за время т, как показано на временной диаграмме (при наличии синхронизатора вы начнете и закончите счет по первому синхронизирующему импульсу, поступающему после соответствующего изменения входного сигнала). Для того чтобы улучшить разрешение, вам нужно знать только длительность интервалов Го и Ti, определяющих задержку синхронизирующих импульсов относительно каждого входного импульса. Если используемый в системе таймер работает с максимальной приемлемой

для счета скоростью, то для того, чтобы измерить нужные нам интервалы времени, их нужно расширить. Для этого прибегают к помощи треугольного импульса, имеющего разные углы наклона: на искомых интервалах конденсатор накапливает заряд, а затем разряжается со

Старт Стоп

Таймер(4асы>

интерполятора L*.

Останов интерполятора

Запуск интерполяц] t i

счетчика Останов интер- о поляц,счетч]4ка

Рис. 14.30. Линейная интерполяция (при измерении временных интервалов).

t=T.

[rt+{rt /1000) - (rti/1000)

скоростью, равной небольшой доле скорости заряда, например 1/1000, при этом искомый интервал увеличивается в 1000 раз. На расширенных интервалах нодсчитывается число синхронизирующих импульсов По и 1. Окончательно искомый интервал времени определяется из следующего выражения:

т Г такт (п+rto/1000-njmo),

которое явно свидетельствует об улучшении разрешения. Точность этого метода ограничена точностью интерполяторов и часов, используемых в системе.

Верньерная интерполяция. Верньерная интерполяция представ* ляет собой цифровой метод, который позволяет определить, в какой момент периода синхронизации появился входной импульс. На рис, 14.31 показаны временные диагра.ммы, соответствующие этому методу. Используются три времязадающие схемы: главные эталонные часы, работающие непрерывно с периодом То, равным, например, 5 не; входной импульс СТАРТ запускает второй генератор, период которого больше чем период эталонного генератора в (l + l/n) раз (для нашего примера мы взяли п-16); входной импульс СТОП запускает третий генератор с таким HiejiepHOAOMj как и второй запускаемый генератору Бь1стродей-,

ствующая схема следит за тем, когда произойдет совпадение импульсов запущенных генераторов и главных часов, и подсчитывает число импульсов (Пх, Па), которые проходят до момента совпадения. Арифметический подсчет представлен вместе с диаграммами; интервал между импульсами СТАРТ и СТОП определяется с точностью до (1/п)-й длительности импульса главных часов.

Совпадение

/?о отснетов

Этзлоннь1е цась j[ Та=5 НС

Старт -

ОстаНйв ганЕра-TDpa (Sx-]hc

I 11 I-

I .1 I ! I

Совпадание с имгульсом СТОП

??, отсчетов

I I 1 I 1

ЛгОТСЧПОЗ

Рис. 14 31. Верньерная интерполяция (при измерений временных интервалов), r=ri-i-r3-r2= ir [i+(i/i6)j+ (,ro-na7oi:i+(i/i6)]=r {fj +(fJi- ;)i:i-t-( /i6)]}.

В счетчике типа 5370А фирмы Hewlett - Packard используется этот метод, То=5 нс, п==256. Разрешение при измерении временных интервалов определяется величиной 20 не. Этот же метод можно использовать для измерения периодов, так как период представляет собой не что иное, как продолжительность одного цикла входного колебания. В этом случае только что описанный счетчик дает разрешение по частоте до И цифр за 1 с!

I Осреднение по временному интервалу. Существует третий способ улучшения разрешения при измерении временных интервалов, он состоит в многократном повторении измерений и определении среднего значения. Ошибка счета, равная ±1, при этом усредняется, и результат стремится к реальной величине интервала при условии, что скорость повторения импульсов СТАРТ непропорциональна скорости главных часов (таймера). В некоторых счетчиках для того, чтобы наверняка избежать такого соотношения, используют подпрыгивающие часы .

Спектральный анализ. В связи с измерениями частоты следует упомянуть и такой мощный метод, как спектральный анализ, с помощью которого анализируются сигналы в частотной области. Анализаторы спектра измеряют частоту (особенно они незаменимы, когда требуется определить частоту слабого сигнала на фоне более сильных сигналов), а кроме этого выполняют и многие другие функции. Мы рассмотрим их в разд. 14.18.