Новые средства измерений для передачи размера единицы частоты

к.т.н. А.В. Пивак, АО «ПриСТ»

Измерения частоты – наиболее точный и быстро развивающийся вид измерений. Во-первых, единица времени (частоты) является основной единицей системы СИ; во-вторых, определение секунды связано с пересчетом событий, а пересчет является самым точным методом измерений; в-третьих, повышение точности измерений частоты необходимо для прикладного использования в телекоммуникациях, навигации, космической отрасли. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ± 1×10-10 до ± 1,5×10-15, то есть точность возрастала на порядок за каждые 10 лет. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста, ведь возрастание точности в 2–3 раза за 10 лет уже считается отличным показателем. Но исследования в области измерения частоты продолжаются. Национальные метрологические институты США, Германии, Франции, имеющие в настоящее время эталоны на основе цезиевых фонтанов, ведут работы над оптическими эталонами частоты и эталонами частоты на основе “задержанных” ионов. Проведенные исследования и сличения уже показывают возможность достижения погрешностей ± 1×10-17… ± 1×10-19, что не исключает введения нового определения секунды взамен действующего с 1968 г. решения Международного Бюро Мер и Весов. Более того, ресурс передачи сигналов эталонных частот становится общедоступным. Например, с помощью системы GPS / ГЛОНАСС можно осуществлять прослеживаемость к государственным эталонам частоты с погрешностью ± 1×10-11… ± 1×10-13 (без учета поправок) для широкого круга пользователей. Соответственно, повышаются точности вторичных эталонов и рабочих средств из мерений частоты.

В настоящее время иерархическую систему передачи размера единицы частоты по значениям погрешности в соответствии с ГОСТ 8.129-99 “ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты” можно разделить на 3 сегмента:

• рабочие средства измерения частоты с погрешностью не более ± 1×10-7;
• рабочие эталоны частоты с погрешностью не более ± 1×10-12;
• национальные и вторичные эталоны частоты с погрешностью менее ± 1×10-13.

Далее в статье рассмотрена возможность использования для передачи размера единицы частоты на уровень рабочих эталонов нового поколения средств измерений общего назначения: частотомеров и цифровых осциллографов, и приведены оценки достижимых при этом погрешностей. Измерения, необходимые на данном уровне, не требуют значительного количества специальной аппаратуры и более распространены по сравнению с уровнем национальных и вторичных эталонов, в то же время обеспечивая поверку рабочих средств измерения частоты и некоторых рабочих эталонов (в частности рубидиевых стандартов частоты). Процедура поверки стандартов частоты в России определяется МИ 2188-92 “ГСИ. Меры частоты и времени. Методика поверки”, где заложены основополагающие принципы. Однако за время, прошедшее с момента принятия документа, появились новые средства измерения частоты, для которых требуется конкретизация процедуры поверки. К таким средствам относятся импортные средства измерения частоты, которые имеют следующие отличия:

• номинальные эталонные частоты 10 МГц (а для связи 2,048 МГц и другие);
• отсутствие выходов 1 Гц на некоторых стандартах частоты;
• синхронизацию по GPS , которая не узаконена в России;
• отсутствие частотных компараторов как самостоятельного вида средств измерений.

Для проверки возможности проведения сличений частот при помощи частотомеров и осциллографов нового поколения, а также получения оценок вносимых данными приборами погрешностей при сличении частот за интервал времени 100 секунд были проведены экспериментальные исследования. Передача размера единицы частоты проводилась с использованием трех вариантов метода непосредственного сличения:

• методом непосредственного измерения частоты с помощью частотомера;
• фазо-временным методом (методом временных интервалов);
• методом умножения разностной частоты (с использованием компаратора частоты).

Типы и нормируемые характеристики используемых средств измерений приведены в табл.1, где в качестве оценки погрешности по частоте использовано среднее арифметическое по ряду и в качестве оценки нестабильности частоты – полуразмах, рассчитанный как утроенное значение среднеквадратического отклонения. Необходимо отметить, что современные частотомеры имеют 12–13 разрядов индикации, а частоты дискретизации в реальном времени у цифровых осциллографов составляют 20–40 ГГц.

Характеристики используемых средств измерений			Таблица 1
Средство измерения	Погрешность по частоте	Нестабильность частоты	Разрешающая способность
Стандарт частоты Pendulum 6689	±2×10-10	±3×10-11 за 10 с	-
Компаратор Ч7-39	-	±1×10-14 за 10 с, вносимая при сличениях	0,1×10-12
Генератор ГСС-93	±3×10-6 или определяемая внешним опорным источником	±3×10-8 за 15 мин при работе от внутреннего опорного источника	0,0001 Гц
Частотомер CNT-80 ( * - при использовании функции математики)	Определяется внешним опорным источником частоты		(10 + 2 *) разрядов, 100 пс однократный запуск (1 пс усреднение)
Осциллограф цифровой WP 7100	±5×10-6 при работе от внутреннего источника	-	Менее 2 пс (интерполяция) при однократном запуске

Измерения проводились по схеме, показанной на рис.1, причем все средства измерения подключались к общей внешней опорной частоте. Первоначально экспериментально оценивались собственная нестабильность при сличении частот для компаратора, частотомера и осциллографа путем подачи на них сигналов от стандарта частоты. Затем проверялась возможность измерения разности частот 1×10-10, задаваемой относительно сигнала стандарта частоты 10 МГц с помощью генератора ГСС-93 (установленная выходная частота 10,000000001 МГц). Значения разности частот, полученные различными способами, совпали в пределах 25% от собственной нестабильности генератора ГСС-93 при его работе от внешнего опорного источника. Режимы работы средств измерений и результаты измерений приведены в табл. 2 и 3.

Собственная нестабильность приборов при сличении частот			Таблица 2
Средство измерения	Режим	Дискретность	Нестабильность за 100 с
Ч7-39	Δf/ f время измерения 10 с, число усреднений 10	0,1×10-12	±0,1×10-11
CNT-80 (частота)	fa (время измерения 10 с)	1×10-12	±1×10-12
CNT-80 (временной интервал)	TА-В (однократный пуск) TА-В (время измерений 1 с)	100 пс 10 пс	±250 пс/100с ±5 пс/100 с
WP 7100	Частота дискретизации 10 ГГц в реальном времени	5 пс	±5 пс/100 с

Результаты измерения разности частот 1*10-10 различными приборами				Таблица 3
Измеряемый параметр	Компаратор (соедин. А на рис. 1)	Осциллограф (соедин. Б на рис. 1)	Частотомер в режиме измерения временного сдвига (соедин. В на рис. 1)	Частотомер в режиме измерения частоты (соедин. Г на рис. 1)
(Δf/f) среднее	-106×10-12	-9,1 нс/100 с = -91×10 -12	-10,1 нс/100 с = -101×10-12 -9,91 нс/100 с = -99,1×10-12	-80×10-12
Нестабильность показаний за 100 с	±40×10-12	-	-	±40×10-12

 

Особенностью измерений по методу временных интервалов являлось непосредственное сличение синусоидальных сигналов частотой 10 МГц с помощью частотомера, а не импульсных сигналов частотой 1 Гц. Измерения проводились в однократном режиме и при времени измерения 1 секунда для увеличения разрешающей способности частотомера. В общем виде уравнение измерений для данного метода будет иметь вид:

Δf / f = ( t1 - t2 )/ T1-2,

где t1,2 – временной сдвиг между сличаемыми частотами в моменты времени 1 или 2;
Т1-2 – интервал времени между моментами 1 и 2.

Поскольку в данном методе измеряется изменение временного сдвига между фронтами двух сличаемых сигналов за какой-либо промежуток времени, то систематические погрешности частотомера при измерениях временного интервала будут компенсироваться и их можно не учитывать. Погрешность сличения будет определяться разрешающей способностью частотомера, случайной погрешностью его схемы запуска при измерениях временного сдвига и погрешностью измерения Т1-2 (составляет не более 100 мс, является пренебрежимо малой по сравнению с другими источниками и может не учитываться). Тогда погрешность метода будет определяться формулой

δ(Δf / f ) = (√Δ2разрешение + 2×Δ2запуска)/T1-2,

при этом

Δзапуска = Uшума / ( dU / dt ),

где Uшума – уровень шумов в сигнале и собственных шумов входа частотомера;
dU / dt – скорость нарастания сигнала в точке запуска.

Численные оценки составляющих погрешности следующие:

Параметры сигнала 10 МГц стандарта частоты	τфронта = 25 нс; Uпиковое = 2,5 В; Uскз = 0,85 В; уровень негармонических составляющих менее -80 дБ относительно несущей
Собственное шумовое напряжение на входе частотомера	Uшум1 = 200 мкВ
Шумовое напряжение сигнала	Uшум2 =85 мкВ
Суммарное шумовое напряжение	Uшум <300 мкВ
Скорость нарастания сигнала в точке запуска	dU/dt = 108 В/с
Разрешающая способность частотомера	Δразрешения = ±10 пс
Случайная погрешность схемы запуска частотомера	Δзапуска = ±3 пс
Суммарная погрешность на интервале времени 100 с	δ(Δf/f)= ±11 пс/100 с = ±1,1×10-13

Для проверки результатов, полученных на частотомере, измерения по методу временных интервалов проводились и на цифровом осциллографе, имеющем максимальную разрешающую способность с использованием интерполятора менее 2 пс в реальном времени. В последовательном режиме формировалось 10 сегментов, каждый из которых содержит осциллограмму однократного запуска, с временем между сегментами 10 с (рис. 2). При этом для уменьшения случайной погрешности из-за шумов аналого-цифровой преобразователь в точке уровня запуска измерения проводились при повышенной чувствительности тракта вертикального отклонения и компенсации начального временного сдвига между каналами (рис. 3). Сравнение полученных данных для частотомера и осциллографа показывает, что возможно достигнуть значения погрешности в измерении временного интервала около 5 пс, что на интервале в 100 с дает погрешность сличения частот не более ± 3×10-14.

Таким образом, при применении современных измерителей временных интервалов возможно производить сличения мер частоты непосредственно по синусоидальным сигналам 10 МГц с погрешностями не хуже, чем при использовании компараторов частоты (1×10-14…3×10-15), на временных интервалах более 1000 с.

Рис. 1. Схема проведения измерений

 

	при повышенной чувствительности width=320 height=240>
Рис. 2. Сегментный режим WavePro 7100 щелчок по изображению - увеличение	Рис. 3. Измерение временного интервала на WP 7100 при повышенной чувствительности щелчок по изображению - увеличение

Автор:  Пивак А.В. к.т.н.
Дата публикации:  01.04.2005