Апаратурне рішення і характеристики еталона

 

В основу еталона одиниці девіації частоти покладено такі принципи [28]:

а) як і у випадку АМ, еталон доцільно будувати як міру девіації частоти, тобто як джерело сигналу з гармонічною ЧМ і каліброваною девіацією частоти;

б) діапазони девіації частоти і модулюючої частоти повинні відповідати параметрам апаратури, що повіряється, несуча частота може бути будь якою;

в) до складу еталона повинні входити засоби атестації еталонного ЧМ сигналу по паразитних параметрах (, супровідна АМ, ), оскільки вони є основними джерелами похибки еталона.

Структурну схему державного еталона одиниці девіації частоти, створеного в Україні, наведено на рис. 8.11.

 


Рис. 8.11. Структурна схема еталона одиниці девіації частоти

ЧМ сигналу

Джерело ЧМ сигналу генерує сигнал

і забезпечує одержання девіації частоти від 1 Гц до 1 МГц у смузі модулюючих частот від 0,02 до 200 кГц (діапазони і , в яких працюють вімірювачі ЧМ загального застосування). Для одержання такого сигналу і забезпечення малих значень паразитних параметрів потрібно було створення трьох генераторів на частотах 8, 50 і 200 Мгц.

Девіація частоти ЧМ сигналів вимірюється за допомогою еталонних вимірювачів, в яких реалізовано три найбільш точні методи:

цифровий (лічильний), який полягає в підрахунку числа періодів досліджуваного сигналу (обробленого спеціальним чином) протягом зразкового інтервалу часу;

спектральний, що грунтується на властивостях спектра ЧМ сигналу (“метод нулів функції Бесселя”);

метод миттєвої частоти, що полягає у вимірюванні максимальної і мінімальної миттєвих частот ЧМ сигналу.

Застосування трьох методів в еталоні необхідно тому, що кожний з методів забезпечує високу точність лише в обмеженому діапазоні девіацій частоти [45].

До складу засобів атестації входять вимірювачі КГ закону ЧМ, супровідної АМ і паразитної девіації частоти, побудова яких являє собою самостійну задачу.

Передача розміру одиниці девіації частоти від еталона до робочого еталона здійснюється за допомогою компаратора. Повірка девіометра (вимірювального приймача) здійснюється безпосередньою подачею на нього еталонного сигналу, тобто методом прямого вимірювання.

Керування усіма вимірювальними операціями й обробка результатів вимірювань здійснюються за допомогою керувально-обчислювального пристрою на базі ПЕОМ.

Метрологічні характеристики еталона визначаються як параметрами ЧМ сигналу, так і еталонними вимірювачами девіації частоти. Основними методами вимірювання є цифровий (лічильний) і спектральний “метод нулів Бесселя”, тому розглянемо їх докладніше.

Спрощену структурну схему, за якою реалізується лічильний метод, наведено на рис. 8.12 [45].

       
 
 
   
Рис. 8.12. Структурна схема реалізації лічильного метода

 

 


ЧМ сигнал з гармонічною модуляцією змішується із сигналом гетеродина, на виході перетворювача частоти виділяється сигнал різницевої частоти

,

а також виконується умова, що .

Цей сигнал подається на стандартний електронно-лічильний частотомір (ЕЛЧ). Накопичення фази ЧМ сигналу за період буде

,

а кількість проходжень фази через (які рахує ЕЛЧ)

,

де − символ цілого чисельного значення.

Рішення цього інтеграла приводить до виразу [45]

.

Якщо – велике число (тобто при великих індексах модуляції), .

Показ ЕЛЧ за 1 с (час рахування стандартного ЕЛЧ) можна одержати, помноживши на :

, (8.17)

тобто ЕЛЧ рахує величину, пропорційну девіації частоти.

Як показано в [45], при і ця рівність справедлива і при малих індексах модуляції, тобто коли – будь-яке число.

Другий метод ґрунтується на властивостях спектрального розкладу ЧМ сигналу з гармонічною модуляцією, що, як відомо, має вигляд (рис. 8.13)

,

де – функція Бесселя першого роду -го порядку.

Амплітуда -ї спектральної складової

. (8.18)

Бесселєва функція є квазіперіодичною загасаючою функцією (див. рис. 8.14), корені якої (перетинання з віссю ) табульовані з високою точністю. Таким чином, реєструючи рівність

,

можна встановлювати , де – -й “нуль” -ї спектральної складової.

Оскільки і нам відомі, знаходиться за таблицями функцій Бесселя [45], а шукана девіація визначається за формулою (модулююча частота може бути виміряна досить точно).

Практично метод реалізується шляхом реєстрації за допомогою спектрального індикатора (наприклад, стандартного аналізатора спектра) обертання в нуль тієї чи інший складової спектра ЧМ сигналу (рис. 8.13).

Звичайно для вимірювань використовується складова з несучою частотою (), тобто реєструється рівність

, (8.19)

яка має місце при = 2,4048; 5,5201; 8,6537; 11,7915; 14,9309; 18,0711 і т.д. [45].

 

 

 
 

 

 


 
 

 

 


Лічильний метод забезпечує найвищу точність в області середніх і великих індексів модуляції , метод “нулів функції Бесселя” − в області малих . Метод миттєвої частоти відіграє роль контрольного. Наявність кількох незалежних методів дозволяє проводити їхнє взаємне звірення, тобто контролювати відсутність неврахованих джерел систематичної похибки.

 

 

 
 
Рис. 8.15. Державний еталон одиниці девіації частоти ЧМ коливань

 


Основними складовими похибки еталона є:

- похибки внаслідок неідеальності еталонного ЧМ сигналу (наявність КГ закону ЧМ, супровідної АМ, паразитної ЧМ);

- похибки еталонних вимірювачів ДЧ;

- похибки компарування.

Наведемо основні метрологічні характеристики державного еталона України (рис. 8.15):

діапазон несучих частот, МГц 0,1 – 10000;

діапазон модулюючих частот, кГц 0,02 - 200;

діапазон девіації частоти, Гц 1– 106;

НСП () (0,5–2)·10-3;

СКВ () (3–5)·10-4 .

Як робочі еталони одиниці девіації частоти в СНД застосовуються зразкові установки К2-38, К2-44, К2-54, які є джерелами ЧМ сигналів з каліброваними девіаціями частоти і малими значеннями паразитних параметрів.