Время и частота

Введение:

Проблемы времени и частоты представляют интерес для тех кому необходимо точно измерять время и генерировать измерительную частоту с высокой степенью точности. К ним можно отнести радиолюбителей, любителей радиоастрономии. Эти две большие группы взаимосвязаны, как связаны время и частота. Одних интересует точное время (измеренное в секундах), а других точная частота выраженная в Герцах (или число периодов колебания за 1 секунду).

Всемирной единицей времени является секунда, которая определяется интервалом времени за который атом Цезия-133 на уровне поверхности земли совершает 9.192.631.770 периодов колебаний. Всемирной единицей частоты является Герц, который определяется как частота периодов колебания за единицу времени (секунда).  

По нижеследующим ссылкам можно узнать много интересного про время и частоту.

A Walk through Time (NIST, USA)

Brooke Clarke N6GCE

Brooks Shera's GPS-Controlled Frequency Standard

METAS (Swizerland)

National Measurements Laboratory (Australia)

National Physical Laboratory Time Metrology (UK)

NIST Time and Frequency Division (USA)

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Germany)

Reference Clock Serial Timecode Formats

Time and Frequency Standard Station Information

Time and Frequency Standards Services (New Zealand)

U.S. Naval Observatory Time Service Department

Измерение частоты

В прошлые годы радиолюбители не нуждались в точном измерении частоты своих радиопередатчиков и приемников, так как своего корреспондента радиолюбитель почти всегда мог найти в пределах выделенного узкого диапазона. Стабильности частоты хватало для проведения коротких радиообменов.

Использовалось оборудование с кварцевым гетеродином, а если имелся гетеродин с плавной перестройкой частоты (ГПД), то всегда совместно с калибратором частоты (что бы избежать работы на передачу вне отведенной полосы частот). Иногда использовались гетеродинные измерители частоты  совместно с простыми кварцевыми генераторами (маркеры частот), в то время как частотомеры существовали лишь в лабораториях.

В наши дни важна высокая точность и стабильность частоты радиопередатчиков. Это связано с широким освоением сверхвысокочастотных (СВЧ) диапазонов, развитием узкополосных цифровых видов радиосвязей. Если раньше узкополосными можно было считать например WARC диапазоны, то в настоящее время развиваются интересные диапазоны длинных волн и техника приема сверхслабых радиосигналов (ТПСР техника). Это также затрагивает УКВ и ДМВ диапазоны. Например для проведения радиосвязи с использованием ТПСР техники на диапазоне 70 см необходима точность установки частоты 10 Гц или лучше.

Ниже на графике показано изменение требований к точности частоты с развитием техники. На диаграмме видно, что точность установки частоты передовой любительской станции каждые 10 лет увеличивается в 10 раз начиная с 1950 года.

Определим некоторые термины связанные с точностью измерения частоты

Точность

Точность определяется как результат калибровки (насколько точно настроен тот или иной прибор). Точность имеет меньшее значение чем стабильность (постоянство параметров), так как понятие точности настройки бессмысленно при постоянных и хаотических изменениях параметров прибора - отсутствие стабильности. Откалиброванный (настроенный) однажды прибор, при включении в другой момент времени  будет выдавать совершенно другие результаты. Если прибор стабилен, но не точен, то вы по крайней мере сможете учесть ошибку калибровки для получения точных результатов измерения. Рисунок ниже иллюстрирует понятия точности и стабильности.

Старение

Все генераторы частоты со временем медленно изменяют частоту. Механическая вибрация кварцевого кристалла молекулярной природы ежеминутно приводит к изменению частоты даже если выключено электропитание генератора и неизменна емкость кристалла и окружающая температура. Частота обычно медленно повышается. Старые генераторы даже лучше в этом отношении по сравнению с новыми (старение кристаллов замедляется с течением времени).

Цезиевые и Рубидиевые стандарты частоты широко используются по причине очень низких норм их старения.

Калибровка

Процесс приведения параметров устройства к эталону или стандарту с целью минимизации отклонения параметров прибора (генератора).Стандарт калибруется по эталону, а локальный прибор (генератор) калибруется по стандарту. Стандарт может регулироваться для получения наивысшей точности, но в высокоточных системах калибровка может быть очень трудна из-за ограниченной стабильности прибора(системы) приводящей к различиям результатов измерения в различные промежутки времени. Эти изменения принимаются во внимание во время измерений в другие моменты времени.

"Стандарт" может передаваться на расстояние для калибровки других локальных устройств. Например стандарт частоты передается посредством радио и может легко быть использован радиолюбителями для дистанционной калибровки своего оборудования.

Кварцевый термостатированный генератор (OCXO)

Кварцы предназначенные для работы в таких генераторах имеют   плоскую тепловую характеристику и соответственно стабильные характеристики в определенном температурном диапазоне - обычно 70-80°. Лучших результатов добиваются двойным термостатированием, когда во внутреннем контуре температура регулируется при ее отклонении от заданной, а внешний контур предохраняет от резких изменений температуры внешней среды. Можно значительно улучшить стабильность дешевого термостатированного генератора поместив его в теплоизоляционный материал в коробке из полистирола. Термостатированные генераторы медленно прогреваются и потребляют больше энергии, чем обычные. В них добиваются стабильности порядка 1*10^-8 степени с нормой старения 1*10^-9 степени в сутки. Такие генераторы  - хороший выбор для любительской радиостанции.

Смещение

Это разность между стандартом (существующими параметрами прибора) и эталонной величиной. Обычно выражается в "ppm"(parts per million) - одна миллионная часть, которая представляет собой текущую рабочую ошибку коррекции как сумму всех ошибок источника (обычная средняя величина всех измерений).

PPM

Этой величиной ошибки выражается степень точности частоты, стабильность и величины старения. Пишется как "ppm" - одна часть на миллион. Принимает целые значения для удобства выражения степени ошибки. Например величина ошибки в 1 ppm это то же самое, что и 0.0001% или 1*10^-6 степени. Эталонные источники имеют ошибку равную 0.000001 ppm или 1*10^-12 степени.

Эталон

Это прибор с наивысшей точностью и стабильностью. Он может быть национальным или международным и должен обладать параметрами по крайней мере в 10 раз более высокими, чем калибруемый по нему стандарт.

Спектрограмма

Широко распространенная техника  позволяющая с временной задержкой визуализировать и сравнивать различные сигналы. Построение спектрограммы основано на "быстром преобразовании Фурье" - FFT, это математический метод анализа звукового сигнала поступающего обычно от звуковой платы персонального компьютера. Результатом является график где по вертикальной оси откладывается частота, а по горизонтальной оси - время. Величина мощности сигналов отображается различием в их контрастности на экране монитора ПК.

Стабильность

Понятие стабильности определяет насколько изменчивы те или иные параметры прибора в течении определенного времени. Для кварцевых генераторов стабильность определяется влиянием изменении температуры окружающей среды на частоту генерации. В состав современных синтезаторов входят один или несколько опорных кварцевых генераторов и поэтому они довольно стабильны по сравнению  с обычными LC генераторами. Лучших результатов в получении высокой стабильности параметров всей радиоэлектронной аппаратуры можно добиться за счет использования единственного высокостабильного опорного генератора. Его частота не должна меняться при изменении внешней температуры среды. Порой вызывают большие неудобства "частотные дрейфы" в дешевом приемнике при малейшем  "сквозняке".

Стандарт

Стандарт - это калиброванный генератор который используется для настройки других генераторов. Обычно стандарты частоты имеют значения равные 1, 5 или 10 МГц. Стандарты частоты могут встраиваться в приборы, такие как частотомеры, генераторы сигналов или выполняться в виде отдельных блоков - источников сигнала. Стандарт конечно сам должен  иметь высокую стабильность, малую скорость старения и периодически калиброваться по эталону.

TCXO

Здесь речь идет о температурно-компенсированном кварцевом генераторе. В нем вместо использования термостата используется обратная связь влияющая на параметры генератора при изменении внешней средовой температуры. Датчиком является терморезистор или варикап. Генераторы этого типа обладают малым энергопотреблением и их удобно использовать в аппаратуре. Достигается стабильность частоты от 1*10^-6 до 2*10^-7 степени.

Вариации частоты (девиация)

это расхождение между должной частотой генератора и реальным ее значением в произвольный момент времени. Любой генератор имеет в выходной составляющей сигнала шумовой компонент. Этот шум производит фазовую и амплитудную модуляцию сигнала генератора и его спектр (полоса) расширяется. Это явление называется девиацией частоты. Девиация минимальна в хорошем генераторе с малым значением старения и низким уровнем шума.

VCXO – Кварцевый генератор управляемый напряжение

Такие генераторы используются в петле фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), когда обычно кварцевый генератор необходимо синхронизировать с эталонным генератором. В цепь кварцевого резонатора включается варикап (диод с изменяемой емкостью p-n перехода) и при подаче на него управляющего напряжения частота генератора немного изменяется. Некоторые генераторы TCXO и OCXO имеют возможность управления частотой путем подачи внешнего напряжения.

Иллюстрация точности, стабильности и девиации частоты

Рисунок выше показывает разницу между точностью и стабильностью. На этом рисунке показана тепловая характеристика частоты хорошего приемника TKM-707 в течение промежутка времени в 100 минут начиная от включения из «холодного» состояния. Особенность конструкции приемника – наличие одного высокостабильного термостатированного (OCXO) опорного генератора на частоту 30.3 МГц.

Приемник настроен на частоту 14.999000 МГц, в режиме с верхней боковой полосой приема (USB) и принимает 3-ю гармонику 5 МГц прецизионного генератора (частота 15.000 МГц). Выходной низкочастотный сигнал приемника имеет частоту около 1000 Гц.

После прогрева приемника линия на рисунке имеет смещение от частоты 15.000 МГц около –1 Гц, что характеризует точность (около 6*10^-8).

Изменение высоты линии после прогрева в виде небольшого покачивания в полосе частот шириной около 0.5 Гц (или 3*10^-8) характеризует стабильность. Если убрать температурный фактор и факторы связанные с нестабильностью источника питания, то мы получим изменения связанные из-за наличия шумового фактора. Эти изменения невозможно прогнозировать. Девиация приводит к изменениям частоты в –1 –10⁸ за 1000 сек. Существуют еще более высококачественные приемники, чем иллюстрированный выше. Надо отметить, что прогрев аппаратуры занимал около 20 минут.

Измерения на радиостанции

Сегодня цифровой частотомер имеется у многих радиолюбителей. Но даже хороший прибор необходимо регулярно поверять по эталонному генератору (калибровать). Но что, если у Вас нет частотомера, то конечно его можно изготовить самостоятельно. Но имеются и другие возможности проведения измерений. Например по обычному приемнику с кварцевым калибратором или приемнику с цифровой шкалой. Но метод измерения с использованием приемника не гарантирует получение высоких результатов из-за технических ограничений самих используемых приемников. В большинстве приемниках с аналоговой настройкой нелегко производить измерения (по причине грубой настройки), исключение может составить линейка приемников фирмы “Collins 51j” , которые имеют точную настройку и хорошо линеаризованы.

Использование калибратора частоты

При использовании калибратора настройку можно производить как на основной его частоте, так и на его гармониках. В приемнике необходимо включить режим однополосного приема (SSB) и настройку осуществлять по «нулевым биениям» разностного тона измерительного генератора и ГПД приемника в необходимом диапазоне частот. Данный метод измерения дает ошибку в несколько герц на диапазоне 80 метров (1*10^-6).

Использование приемника с цифровой шкалой

Во многом методика похожа на описанный выше. Настройка также осуществляется по «нулевым биениям» разностного тона на каждом диапазоне. При точной настройке приемника на частоту калибратора выходной низкочастотный сигнал на выходе приемника отсутствует. Эта методика измерения также дает ошибку в несколько герц на диапазоне 80 метров (1*10^-6).

Измерения по низкочастотному выходу приемника

Оба вышеописанных метода измерения основаны на пропадании разностного низкочастотного сигнала на выходе приемника в точке настройки по «нулевым биениям».

В этом же методе настройка производится по разностному сигналу частотой 1000 Гц. Для этого необходим калиброванный генератор с частотой 1 кГц. Источником которого может быть электронный музыкальный инструмент, а лучше НЧ сигнал с осциллографа или персонального компьютера. Приемник предварительно настраивается до появления на выходе разностного сигнала с тоном средней высоты (1-2 кГц).

В качестве индикатора точной настройки используется осциллограф X-Y режиме работы. На один вход осциллографа подается сигнал частотой 1 кГц от измерительного генератора, на другой – НЧ сигнал с выхода радиоприемника. После уравнивания уровней НЧ сигналов с осциллографа снимаются показания. При точном равенстве частот на экране осциллографа наблюдается стабильная фигура эллиптической (овальной) формы.

Этот метод дает точность установки частот около 1 Гц на диапазоне 80 метров (лучше чем 1*10^-6). Современные трансиверы и приемники имеют синтезаторы частот с шагом перестройки 10 или 100 Гц, что значительно облегчает проведение калибровки по осциллографу.

Для измерений можно использовать дешевый частотомер (или софт-частотомер персонального компьютера со звуковой картой) для  установки частоты низкочастотного сигнала.

Калибровка частотомера

Калибровка частотомера в целом простая процедура. Для этого необходимо иметь  источник калиброванной частоты с круглыми ее значениями – 1000, 10000 кГц. При проведении измерений в случае использования калиброванного измерителя частоты на индикаторе во всех разрядах высвечиваются цифры «0» или «9», например 000000 или 999999. Показания счетчика могут периодически мерцать между двумя этими значениями. Если частотомер имеет какую либо ошибку измерения, то значения на индикаторе будут отличными от указанных выше. При невозможности проведения коррекции в самом приборе, ошибка в показаниях индикатора записываются для последующего учета измерений.

Калибровка должна производиться как минимум 1 раз в год, а при использовании нового частотомера в первый год эксплуатации чаще.

Источник: http://www.qsl.net/zl1bpu/PRECISION/freq101.htm
перевод А. Анкудинов (ua3vvm) 

03.03.2007 год