CC BY
28Прецизионные измерения частоты для аттестации частотных стандартов
В. А. Жмудь, Новосибирск, НГТУ
Аннотация: Рассматриваются методы прецизионных измерений частоты. Указаны недостатки счетного метода, даны основы метода целочисленных периодов. Даны структурная схема устройства и описание программы, реализующей обработку результатов первичных измерений для получения требуемых отсчетов частоты.
Ключевые слова: Измерения частоты, параметры Аллена.
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблемы измерения расстояний в глобальной спутниковой системе ГЛОНАСС тесно связаны с проблемой измерения времени. Единицы времени (частоты) и длины могут быть согласованы с помощью соотношения Яу = с согласно теории о постоянстве и независимости от времени скорости света, а также скорости распространения любого электромагнитного излучения в вакууме. Следовательно, измеряя длительности интервалов времени, можно измерять расстояния при наличии соответствующих схем, преобразующих расстояние в интервалы времени. Консультативный комитет по определению метра сформулировал в 1973 г. рекомендацию, согласно которой величина скорости света определяется с помощью частоты излучения лазера на гелий-неоновой смеси, стабилизированного по переходам в метане [1]. Таким образом, актуальна задача измерения интервалов времени с высокой точностью, а также задача повышения точности формирования частоты, служащей эталоном времени.
Решение указанных задач требует создания прецизионных быстродействующих
измерителей частоты во времени.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Относительная нестабильность современных стандартов частоты оценивается во временной области по функции двухвыборочной дисперсии Аллена, определяемой как [2]
а2(2,т) = 1 ((у,+,(т) - у,(т)J), (1)
где у (т), у,+1(т) - средние значения частоты на
смежных временных интервалах длительностью т секунд каждый, с нулевым «мертвым» временем Тм = о между ними. Угловыми
скобками обозначено статистическое среднее по ансамблю пар измерений, которое в эксперименте заменяется усреднением во времени.
Оценка стабильности частоты
высокостабильных систем осуществляется по методике, рекомендованной подкомитетом ИИЭИР [2]. Эта методика основана на измерении разностной частоты двух стандартов частоты.
Измерительная установка содержит два идентичных генератора и устройство выделения разностной частоты. Если разностная частота Дп =П2 — п1 в среднем равна нулю, то для удобства измерения, её необходимо перенести на выбранную несущую частоту Е в радиодиапазоне. Это реализуется с помощью дополнительного генератора - гетеродина.
Для случая использования лазерных эталонов частоты смешение оптических частот осуществляется на фотоприемниках, а перенос на промежуточную частоту осуществляется гетеродинным лазером с системой фазовой автоподстройки частоты [3]. При этом частота третьего лазера равна частоте второго лазера с заданной добавкой: п3 = п2 + Е, а измерению подлежит частота биений между первым и третьим лазерами: у = п3 — П1 = Е + Д п.
В последнее время резко возрос интерес к значениям оценки (1) за малые те[10—3^10°с], а при таких временах осреднения обычные электронно-счетные частотомеры не обеспечивают требуемой точности измерения у, (т) и обладают недопустимо большим значением тм »0,1^10мс при перезапусках, тогда как необходимо обеспечить тм = 0.
Учет этих требований потребовал разработку специального частотомера, обеспечивающего тм = 0. Первым отечественным прототипом такого устройства была разработка Института лазерной физики СО РАН [4].
В ходе разработки и исследований выявились некоторые особенности поведения функции (1) в зависимости от значения т. На этой основе можно сформулировать предложения по модификации методики оценки стабильности частоты во временной области.
Основные проблемы возникают при т<< 0,01с и при т>> 1000с : в обоих случаях значение функции Аллена, как правило, резко возрастает. Это послужило причиной распространения мнения о том, что одна из
асимптот значения функции Аллена всех или большинства реальных генераторов, соответствующих т ® 0 и т , или обе, возрастают неограниченно.
Так Рютман [3] пишет: «График ст^т) в
двойном логарифмическом масштабе состоит из отрезков прямых, наклон которых легко определить». «Для частотного фликкер-шума &2у (т) не зависит от т; соответствующий
участок на графике часто называют фликкер-уплощением». «Для конкретного генератора а2у (т) представляет собой сумму двух или трех
членов; так атомные стандарты на цезиевом пучке часто удовлетворительно моделируются с использованием выражения
а2у(т) = ^ + 21п 2И_Х. (2)
2т
При этом величины ^ и можно
определить по данным измерений о2у (т), если
т измеряется в достаточно широких пределах».
В работе [5] показано, что здесь Рютман ошибочно вводит в модель шума генератора результаты, определяемые шумом
измерительного устройства. Поскольку т стоит в знаменателе, функция (2) возрастает при т® 0 неограниченно. Это не может относиться к шуму генератора, поскольку спектр частотного шума ограничен по частоте.
Также в работе [5] показано, что Рютман ошибочно увязывает подъем функции (1) с возрастанием т с линейным уходом частоты.
Также в работе [5] вскрыто третье противоречие, которое состоит в том, что, если стандарт частоты имеет линейную регрессию частоты, то следует оценить и указать либо пределы допустимых изменений этой частоты, либо временные рамки для указанной регрессии. В противном случае частота, изменяясь непрерывно с постоянной скоростью в одном направлении, может достичь любого значения, что, разумеется, не соответствует ни одному реально существующему стандарту, и даже не может соответствовать ни одному реально существующему генератору частоты, пусть даже не отличающемуся высокой стабильностью частоты формируемого сигнала.
На средних значениях т Рютман ожидает получение плоского участка, что хорошо согласуется с экспериментом.
Опыт изучения частотных шумов генератора и разработки аппаратуры для их измерения позволяет удостовериться в справедливости указания на эти противоречия.
Можно утверждать следующее:
1. Подъем получаемой оценки функции Аллена с уменьшением т связан с аппаратной погрешностью цифрового измерителя частоты, а вовсе не со свойствами шумов генератора. Истинная дисперсия Аллена любого физически
существующего генератора описывается ниспадающей при т® 0 , а не возрастающей асимптотой. Поэтому любые аппаратные средства для измерения функции (1) при т® 0 становятся недостаточно адекватными при т < тмш, где тмш - минимальное значение величины т , при котором аппаратура измерения вносит в погрешность результата измерения собственный вклад не более 50 %.
2. Подъем получаемой оценки функции Аллена с увеличением т связан с двумя факторами: а) с аппаратной погрешностью цифрового измерителя частоты вследствие прерывания процессов измерения; б) со статистически недостаточным объемом выборки. Этот подъем вовсе не связан со свойствами шумов генератора. Истинная дисперсия Аллена любого физически существующего генератора описывается ниспадающей при т® ¥ , а не возрастающей асимптотой. Поэтому не каждые аппаратные средства для измерения функции (1) при т® ¥ остаются адекватными (достаточно точными).
3. Большинство аппаратных средств в ходе одного эксперимента может осуществлять сбор данных лишь для измерения одной точки функции (1), соответствующей единственному значению т . При применении таких средств проблематично обеспечение статистически надежных результатов метрологической аттестации частотных стандартов.
4. Многие аппаратные средства обладают мертвым временем. Такие средства непригодны для метрологической аттестации частотных стандартов.
5. Большинство известных аппаратных средств обладают ограничением на длительность измерительного интервала т . Такие аппаратные средства непригодны для аттестации частотных стандартов в области таких значений этих длительностей.
6. Для оценки статистической достоверности результата целесообразно получение достаточно плотно упакованных отсчетов значений функции (1) в зависимости от т : случайные девиации этой функции характеризуют погрешность этой оценки. Действительно, при изменении т , например, на 0,1%, существенного изменения оценки (1) не должно происходить.
Поскольку, как указано в п. 1, погрешность измерения оценки (1) с уменьшением т неминуемо растет, следует стремиться обеспечить по возможности наименьшее значение этой погрешности, которая задается асимптотой, зависящей от погрешности определения интервала.
3. ВЫЧИСЛЕНИЕ ОДНОГО ОТСЧЕТА ДИСПЕРСИИ АЛЛЕНА ТРАДИЦИОННЫМ ПУТЕМ
Рассмотрим пример реализации функции зависимости частоты от времени, например, на интервале от 0 до 120 с. Пример подобной идеальной функции, которая предположительно соответствует истинному изменению частоты, показан на рис. 1, здесь частота изображена в условных единицах.
Истинные средние значения функции по рис. 1 на
Если бы устройство измерения могло измерить результат истинного среднего значения на последовательных интервалах, равных 20 с, были бы получены значения, приведенные в таблице 1, в строке у(т). В следующей строке приведены разности полученных значений. Указанные разности далее возводятся в квадрат, суммируются и делятся на количество измерений, уменьшенное на единицу, что требуется для получения несмещенной оценки.
Таблица 1.
•валах длительностью 20 с
№ 1 2 3 4 5 6
У(т) 0,16372 1,30253 1,26742 0,862237 0,645812 0,809532
Ду(т) 1,13881 -0,0351 -0,40518 -0,21643 0,16372
Ду2(т) 1,296888 0,001233 0,1641733 0,0468398 0,026804
Е Ду2(т) 1,535938
Е Ду2(т)/(№1) 0,307188
с 0,554245
осредненных за время т значений частоты на интервале, начинающемся в момент ^ и оканчивающимся в момент ^ + т. Можно вычислить N-1 отсчетов отклонения частоты на двух следующих друг за другом интервалах:
Д у (^, т) = [ у(^+!, т) — у(г ] ,т)\] = [1,2.. N — 1]. (3)
о
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
"Пте (эес)
Рис. 1. Пример функции, изменяющейся во времени в течение 120 с, и средние значения на отрезках по 20 с
Квадрат этой величины даст отсчет среднеквадратического отклонения, зависящий от времени осреднения т , времени начала первого измерения ^ :
Таким путем осуществляется подсчет дисперсии Аллена, а также
среднеквадратического отклонения (функции Аллена), равного квадратному корню из этой величины.
Пусть получено N выборок ук (/ ,т),
—2 — 2 Ду (*,т) = [Ду(г,т)]2. (4)
Для замены операции статистического осреднения в уравнении (1) на осреднение во времени следует выделить непересекающиеся интервалы длительностью 20 , после чего дисперсия Аллена находится в соответствии с уравнением статистической несмещенной оценки среднего значения:
(а2у(т, N)) = -1- £ А У 2(/г ,т) . (5)
^ 1 г=1
Одним из условий корректности таких оценок является отсутствие «мертвого времени» на границах рассмотренных интервалов.
Предположим, частотомер обладает «мертвым временем», и погрешность его измерения составляет 1 % на указанных интервалах. Отбросим в первой строке Таблицы 1 все знаки, кроме первых двух после запятой. В этом случае будет получено значение функции Аллена не 0,554245, а 0,581378. При этом погрешность составит -0,02713, то есть примерно 5 %, эта погрешность кажется не слишком большой.
Рассмотрим теперь аналогичные измерения на интервалах длительностью в 1 с. Соответствующий график показан на рис. 2, а результат вычислений показан в Таблице 2.
Рис. 2. Пример той же функции, изменяющейся во времени в течение 6 с
Таблица 2.
Истинные средние значения функции по рис. 1 на интервалах длительностью 1 с
№ 1 2 3 4 5 6
У(т) 0,9584 0,971155 1,02661 1,05588 1,08857 1,17428
дУ(т) 0,01276 0,05546 0,02927 0,03269 0,08571 0,01276
ДУ2(т) 0,000163 0,003075 0,0008567 0,0010686 0,007346 0,000163
Е Ду2(т) 0,01251
Е ду2(т)/(№1) 0,002502
с 0,050019
Предположим теперь, что результат измерений также имеет ту же погрешность. Отбросим в первой строке Таблицы 2 все знаки после запятой, кроме первой. Получим новое значение функции Аллена, равное 0,063246. Погрешность составляет -0,01323, то есть 26 %.
Видим, что относительное значение погрешности с уменьшением интервала измерения резко растет.
4. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ АЛЛЕНА ПРЕДЛАГАЕМЫМ ПУТЕМ
Принцип измерения функции Аллена, который, нами ранее предложен, реализован и исследован, можно назвать условно «методом целочисленных периодов» (МЦП). Он состоит в следующем.
1. Первичные интервалы измерения выбираются достаточно малыми, как правило, 1 мс.
2. Вместо осреднения частоты на указанных интервалах, осуществляется подсчет количества импульсов измеряемой частоты на этом интервале, а также измеряется точное время фронта первого импульса, попавшего в данный интервал.
3. Далее уточняется длительность фактического интервала, содержащего целое количество периодов.
Например, на рис. 3 показан результат анализа первой последовательности на примере интервала длительностью 1 с при измерении частоты, равной 20,5 Гц. Предварительный (грубый) интервал начинается в момент 1М = 0 с и заканчивается в момент = 1 с. Устройство определяет время начала первого положительного импульса 11. Это время определяется встроенными часами измерителя. Время первого фронта составляет
11 = 0,023148148 с. В интервал от 1] до 1о2 попало 20 отрицательных фронтов импульсов (см. рис. 3). На рис. 4 показан следующий этап измерения. Время первого положительного фронта в этом случае определено как
12 = 1,0486111 с. При этом на интервал от 102 до 12 попал еще один отрицательный фронт импульса. Таким образом, длительность полных двадцати одного периодов составляет 12 - 11 = 1,0486111 - 0,023148148 = 1,025463 с. Для вычисления частоты следует количество импульсов разделить на длительность этого интервала, получим 21 / 1,025463 = 20,47856 Гц. Погрешность составила - 0,021 Гц, то есть около 0,1 %. На третьем этапе измерений получаем 13 = 2,0231481 с. При этом на интервале от 12 до 13 получено лишь 20 отрицательных фронтов импульсов (см. рис. 3 и 4). Длительность полных двадцати периодов составляет 13 - 12 = 2,0231481 - 1,0486111 = 0,974537 с. Полученная частота на этом интервале равна 20 / 0,974537 = 20,52257 Гц. Погрешность равна + 0,02257 Гц, то есть около 1,1 %. Отметим, что отрицательный фронт измерительных импульсов, имеющий место на границе между вторым и третьим грубыми измерительными интервалами, то есть в момент близкий к времени 103 = 2 с, будет сосчитан и отнесен к интервалу между моментами 12 и 13, поскольку соответствующий счетчик, подсчитывающий количество счетных импульсов, не прекращает своего счета никогда.
Если бы измерение осуществлялось традиционным (счетным) способом, по которому работает большинство известных частотомеров, следовало бы осуществить подсчет количества импульсов за сформированный измерительный интервал, равный 1 с, и приравнять результат к значению средней частоты на этом интервале. Все счетчики работают в режиме чередования выполнения счета и остановки (необходимой для снятия показания результата счета), поэтому
между предыдущим подсчетом и новым подсчетом импульсов существует короткий интервал времени, когда счетчики не работают, поэтому не реагируют на входной сигнал. Также время называют «мертвым временем» счетчиков (и частотомера). При таком счетном методе средняя частота на первом интервале (см. рис. 3) получилось бы 20 импульсов, если считать положительные фронты, а также 20 импульсов, если считать отрицательные фронты. Результат измерения на первом интервале в обоих случаях составил бы 20 Гц, погрешность была бы равна - 0,5 Гц, то есть - 2,44 %, примерно в 24,4 раза больше, чем при предлагаемом способе. На втором интервале результат был бы следующим: подсчет положительных фронтов дал бы результат 20, подсчет отрицательных фронтов дал бы тот же результат. Таким образом, среднее значение частоты на этом интервале было бы равно опять 20 Гц, погрешность также была бы равна - 0,5 Гц, то те же есть - 2,44 %. Ошибка оба раза отрицательная. Дело в том, что фактически существующий фронт в момент на границе двух рассмотренных интервалов не был бы сосчитан ни при первом, ни при втором измерении. Также может оказаться, что он будет сосчитан либо только при первом измерении, либо только при втором измерении, а также существует некоторая вероятность того, что он будет сосчитан и при первом и при втором измерении. В зависимости от того, как сработают соответствующие счетчики, результат такого измерения на первом и втором интервалах может также дать 21 Гц на любом из этих интервалов, или на обоих этих интервалах. Погрешность также в этом случае составит величину 0,5 Гц, но только в этом случае положительную. На третьем интервале также было бы насчитано 20 импульсов, результат был бы определен как 20 Гц, но могут образоваться и такие интервалы, на которых результат составит 21 Гц.
По результатам детального рассмотрения этого примера можно наглядно увидеть, что при измерении частоты счетным методом максимальная возможная погрешность составляет один импульс на измерительный интервал. При условии пренебрежимо малой величины других погрешностей, куда входят погрешности формирования (или определения) длительности интервала, максимальная абсолютная ошибка частоты будет составлять ± 1 Гц. Если интервал времени равен т (секунд), то погрешность этого метода составит 1 / т (Герц). Бытует ошибочное понятие о непреодолимом «соотношении неопределенности» для измерения частоты. Действительно, произведение длительности измерительного интервала на погрешность измерения частоты на этом интервале постоянно и составляет единицу (секунд х Герц). С ростом измерительного интервала погрешность
измерения частоты на нем должна ниспадать обратно пропорционально длительности этого интервала, что в логарифмическом масштабе может быть показано прямой с единичным наклоном (один Герц на одну секунду). Это «соотношение неопределенности» ограничивает
лишь возможности счетного метода, но не столь критично при использовании МЦП.
Неопределенность чаще свойственна методу (и средствам) измерений, а не природе измеряемой величины [].
1.2 1.0 .8 .6 .4 .2 0 . о
—
0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 Ите (вес) х=0.023118118 0.1 4 '
Рис. 3. Пример определения начала фронта на интервале и подсчета количества импульсов, ^ = 0,023148148
1.2 1.0 .8 .6 .4 —I
0 . о
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 ; Пте (вес) х=1.0186111 у= 0.1 4 '
Рис. 4. Пример второго шага определения начала фронта на интервале и подсчета количества импульсов , ^ = 1,0486111
1.2 1.0 .8 .6 .4 .2 0 . 9
—
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 Ите (эес) х=2.0231481 у= 0.1 4 '
Рис. 4. Пример второго шага определения начала фронта на интервале и подсчета количества импульсов , Í2 = 2,0231481
В МЦП погрешность определяется погрешностью измерения времени фронтов импульсов. Точная длительность интервала времени, на котором осуществляется подсчет количества периодов, всегда составляет целое количество периодов измеряемой частоты. За счет этого погрешность, которая в счетном методе равна величине, обратной длительности измерительного интервала, в предлагаемом методе существенно снижается: она может быть понижена в 1000 - 10 000 раз и более. В рассмотренном примере она понижена в 24 раза, поскольку определение момента времени фронта осуществлялось графическим путем, ошибка принципиально не может быть меньше, чем один пиксель изображения.
4. ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЧЕТНЫМ МЕТОДОМ НА БОЛЬШИХ ИНТЕРВАЛАХ
Пусть, например, требуется измерить среднюю частоту на вдвое более длительном интервале. Тогда результат может быть получен одним из двух следующих способов:
1. Метод изменения интервала счета. Частотомер может быть использован в новом режиме, при котором счетчики без остановки измеряют частоту на увеличенном интервале, в данном случае на интервале длительностью 2 с, то есть ^ = 0 с до момента = 2 с, и так далее.
2. Метод усреднения результатов счета. Результаты измерений могут быть получены усреднением двух последовательно полученных результатов, например, интервале от 101 = 0 с до 102 = 1 с и на интервале от 102 = 1 с до 103 = 2 с, и так далее.
Недостаток метода изменения интервала счета. Использование этого метода требует значительного числа измерений для каждого значения функции Аллена. Например, если требуется построить график при изменении т от 1 с до 1000 с, и при этом выбран шаг 6 дБ (удвоение), то требуется 11 серий экспериментов, для измерения этой функции для значений, соответственно, для значений т = 1; 2; 4; 8; ... 1024 с. Если потребуется промежуточное значение т, оно сможет быть получено лишь с помощью дополнительной серии измерений.
Достоинство метода изменения интервала счета. Увеличение интервала вызывает соответствующее уменьшение погрешности, обратно пропорциональное этому увеличению. Также устраняется погрешность, вызванная потерянным или ошибочно дважды сосчитанным фронтом счетного импульса на границе измерительных интервалов.
Например, при использовании счетного метода по рассмотренному примеру был бы получен 41 импульс на интервале 2 с, что дало бы результат 20,5 Гц. Погрешность в данном случае была бы равна нулю за счет случайного удачного совпадения всех факторов. В целом погрешность может составить те же ± 1 импульс, что дает на интервале 2 с погрешность частоты ± 0,5 Гц. На интервале 4 с погрешность составит ± 0,25 Гц и так далее.
Недостаток метода усреднения результатов состоит в том, что погрешность при усреднении уменьшается не обратно пропорционально увеличению длительности, а лишь статистически. Как правило, в этом случае
достигается уменьшение погрешности лишь обратно пропорционально квадратному корню из коэффициента увеличения длительности интервала, то есть в рассмотренном примере погрешность составила бы ± 0,707 Гц. На интервале 4 с погрешность составит ± 0, 5 Гц и так далее.
Достоинство метода усреднения результатов состоит в возможности получения набора значений функции Аллена для различных т, составленных из целого числа элементарных интервалов.
5. ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ МЕТОДОМ ЦЕЛОЧИСЛЕННЫХ ПЕРИОДОВ НА БОЛЬШИХ ИНТЕРВАЛАХ
При использовании метода целочисленных периодов увеличение длительности интервала может быть выполнено вычислением по ранее полученным результатам измерений, но при этом результат вычислений будет такой же, как если бы использовался метод изменения интервала счета.
Поэтому при использовании МЦП совмещаются достоинства обоих указанных методов, и устраняются их недостатки, а именно:
1. При увеличении интервала погрешность падает обратно пропорционально коэффициенту увеличения этого интервала.
2. Достигается получение набора значений функции Аллена для различных т, составленных из целого числа элементарных интервалов.
Действительно, в результате измерения частоты на первом интервале устройство получает точное значение времени первого фронта время первого фронта следующего интервала 12, которое также является временем окончания первого интервала, а также значение целого числа периодов на первом уточненном интервале N1. Результат расчета частоты определяется по соотношению: Е = N / (/2 - /1). Для определения частоты на втором интервале используются аналогичные исходные данные Е2 = Ы2 / (/3 - /2), при этом время начала второго интервала /2 совпадает со временем конца первого интервала.
Среднее значение этих двух отсчетов может быть вычислено из тех соображений, что началом суммарного интервала является начало первого интервала, концом суммарного интервала является конец второго интервала, количество импульсов определяется суммой количества импульсов на двух соседних интервалах, а точное значение времени конца первого интервала и начала второго интервала в результат не входит: Е = (М + N2) / (Н - /1).
Так в рассмотренном случае (см. рис. 3-5) среднее значение частоты на интервале в 2 с будет равно: Е = 41 / (2,0231481 - 0,023148148) = 20,50000049 Гц. Относительная погрешность составляет 2,4-10-6 %.
Дополнительным преимуществом такого метода состоит возможность вычисления частоты за все возможные длительности интервалов, составляемые из целого числа элементарных интервалов длительностью тМИН. Целесообразность получения этих отсчетов состоит в том, что значения функции Аллена за длительности, отличающиеся на небольшую величину, не должны слишком сильно отличаться, поэтому их отличие характеризует погрешность измерения, по которой можно сделать вывод о достаточности или недостаточности статистических данных для полученного отсчета.
6. АВТОРСКИЙ ПРОТОТИП
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ АЛЛЕНА ПРЕДЛАГАЕМЫМ ПУТЕМ
Учет высоких требований к разработке измерителя нестабильности частот привел к разработке под руководством руководителя данного проекта специального частотомера, который удовлетворяет условию 1м = 0 и исключает соответствующую компоненту инструментальной погрешности. Разработанное нами программное обеспечение позволяет оперативно рассчитывать и отображать параметр Аллена по текущей выборке.
6.1. Аппаратная часть
Основа измерительного устройства -персональная ЭВМ, выполняющая функции формирователя измерительного интервала, блока обработки и индикации. Дополнительная аппаратная часть минимальна: частотомер содержит генератор опорной частоты, счетчики со схемой управления и формирователь счетных импульсов (рис. 5). Эпюры сигналов показаны на рис. 6.
Формирователь преобразует исследуемый сигнал в последовательность счетных импульсов той же частоты {сигнал 1}. Схема синхронизации формирует сигналы {3}, синхронизованные с фронтами сигналов {2} от образцового генератора. Счетчик 1 подсчитывает количество этих импульсов {3} за каждый измерительный интервал. Счетчик 2 измеряет длительность измерительного интервала в базе времени импульсов {2} с выхода образцового генератора.
Сигнал {4} от интерфейса ПЭВМ инициализирует окончание предыдущего цикла измерения и эталонного интервала времени длительностью 1.
Этот сигнал синхронизируется инверсными импульсами {5} от образцового генератора, поэтому фронты полученного
синхронизованного сигнала {6} никогда не совпадают с фронтами сигналов {3} и {2}.
Этим обеспечивается возможность корректного считывания по фронту сигнала {6} кодов, накопленных в этих счетчиках.
Поскольку счет импульсов во время работы в такой схеме не прерывается, «мертвое время» отсутствует.
Разрядность каждого счетчика обеспечивает его переполнение не чаще одного раза за 1с при
Т = 10 3 С. Поэтому результат счета определяется вычитанием предыдущего значения кода из текущего. В случае переполнения счетчика результат вычитания становится отрицательным. Тогда к этой отрицательной величине добавляется значение емкости счетчика, что восстанавливает истинное значение результата счета в данном цикле. Результатом измерения за каждый цикл является средняя за этот период частота исследуемого сигнала, которая определяется как отношение приращений кодов первого и второго счетчиков, умноженное на частоту образцового генератора. Для формирования измерительного периода используются электронные часы, встроенные в ЭВМ. Высокой точности формирования этого периода не требуется (достаточно 6-7 порядков), поскольку осреднение образцовой и измеряемой частот ведется за одно и то же время.
Третий счетчик совместно с формирователем импульса ошибки дискретизации и схемой растяжки импульса позволяет уточнять результат измерения до дробных долей периода измеряемой частоты и повысить точность измерения более чем на два порядка. С этой целью формирователь импульса ошибки квантования формирует импульс {7}, длительность которого несет информацию о временном сдвиге между фронтами сигналов {1} и {6}. Эта длительность дополнительно измеряется с высокой точностью, для чего схема растяжки импульса формирует выходной импульс {8}, длительность которого в заданное число М=500 больше длительности входного импульса {7}. Счетчик 3 измеряет количество импульсов образцовой частоты {2} за время существования этого импульса {8}, и эта информация используется для коррекции предшествующего и последующего результатов:
Для многоканального измерения частот образцовый генератор, счетчик 2 и схема синхронизации 2 при этом остаются общими
для любого количества каналов. Этим обеспечивается единая шкала времени.
Аппаратная часть собрана на двух трехканальных таймерах КР1810ВИ54. Устройство позволяет непрерывно собирать сведения о величине средней за время Т частоты в масштабе образцовой частоты внешнего или внутреннего сигнала. Причем минимальные интервалы т = 1мс следуют один за другим строго с нулевым зазором, что позволяет получать сведения об изменении частоты, усредненной за произвольные интервалы текущего времени, кратные т, существенно сокращая общее время наблюдения.
6.2. Программная часть
Если аппаратная часть формирует 2N выборок у((., т) осредненных за общее время 2Nт, то можно получить N отсчетов частоты на двух соседних интервалах ,+ т]
и [ti + Т, ti + 2т] . Квадрат разности этих
— 2
величин даст отсчет величины ду (т) :
ду2 = +т,т)-у(^ ,т)г (6)
Для эргодического процесса моменты ti не имеют значения, важно лишь, чтобы эти отсчеты были независимыми (в частности, чтобы используемые временные интервалы не пересекались). Следует выделить ряд пар непересекающихся интервалов длительностью т, после чего оценка дисперсии Аллена находится в соответствии с известным соотношением:
—2 ч 1 ^ Д у ■ (т) &у(т,N) = — v ■угу ;
2 N - 1
(7)
Таким образом, задача аппаратной части сводится к получению 2Ы отсчетов у, ( т)
частоты, которые позволяют вычислить оценку
— 2-
Рис. 5. Функциональная схема частотомера
Обычно, для получения К значений оценок параметров Аллена от различных величин тк = кт, к е [1, К], по М выборкам каждое,
следует выполнить м экспериментов. Минимальное время, необходимое для получения соответствующего значения
—2
а у (тк, М) равно 2Мтк и оказывается весьма значительным. Если все отсчеты у (т) следуют
один за другим с нулевым интервалом между ними, то из М отсчетов можно получить М — 1 отклонений частоты, и для получения указанной характеристики потребуется при М >> 1 примерно вдвое меньшее время, равное тк (М +1).
Обычный алгоритм вычисления следующий: 1. Получают как можно больше N последовательных независимых отсчетов у(т) на интервалах осреднения длительностью т, следующими друг за
другом с нулевыми временными интервалами.
2. Для величины заданной минимальной Т
получают N — 1 значений функции Ду2(т), которые позволяют вычислить значение дисперсии Аллена - а у (т, N — 1)
3. Для величины тк = кт можно получить
М1 =(^к)— 1 значений функции Ду (к -т) и вычислить значение дисперсии Аллена:
—2 —2 / ч
аук = а у (тк, Мк). С этой целью каждые
к отсчетов частоты усредняются, результат приписывается интервалу длительностью
кт.
1
2 П
3
4 1 1
5 1 1 1 1 1 1 1
6 | ! 1
7 ^ 1 1 1 1 1 1 т ! 1
1 1 1 1 1 тЕШ
8
^ МХТея
Рис.6. Эпюры сигналов схемы рис. 5
Данная методика расчета, определяющая результат измерений по окончании сбора данных, используется при аттестации генераторов.
Для оперативного контроля при настройках и отображения в темпе эксперимента графика
функции а2yk нами разработана программа для расчета этой величины в текущем времени.
Программная часть позволяет отображать 600 отсчетов у (т) и любые 600 из 30000
„ —2
значений аук на экране монитора, которые вычисляются в реальном времени.
Рассмотрим работу алгоритма. Пусть
^ + у 2 + ..у ук+1
Б, (к, т) - промежуточный массив данных, в
котором копится сумма т квадратов соответствующих приращений:
т _2
Б, (к, т) = X Д у, (кт). (8)
]=1
Первоначально в него заносятся нулевые значения. Первое приращение
результата в ячейке этого массива с номеров к
произойдет после получения 2к отсчетов у, и
оно равно:
Ду2 (кт) = (
■ук+2
\2
к
к
— X к
1=1 к
,=к+1
Добавка осуществляется только после получения к новых отсчетов, и на п-м шаге она равна:
пк
\2
_9 пк у (п+1)к у
Ду2(кт) = ( X у- — Х^)2 = (2„ —У.2)2
'=( п—1)к+1
Для накопления этих сумм выделены соответствующие ячейки. Как только накопится
соответствующая сумма У п 2 , осуществляется
— 2
вычисление нового приращения Д уп+1(кт) по
уравнению (7) и увеличивается сумма квадратов:
к
к
(9)
'=пк+1
Б (кт) = Бп_,(кт) + — У„ 2)2 . (10)
Следующий отсчет у' идет в накопление
новой суммы У = У
п+1)1 _ ^п2 .
У
(п+1)2 ,
поскольку
Согласно (6), (7), (9):
Новое значение на (п+1)- шаге равно:
—2,, ч 5п (кт) а у (кт, п) = ——-п - 1
—2,1 ,ч (кт) +Д у +,(кт) а у (кт, п + 1) = —^—-^^—
п
Приращение на (п+1)-м шаге, согласно (4), (5) равно
-2
(кт) = | Ду2+1(кт)
п п - 1
Кп+ЛИТ
(12)
(13)
Оно характеризует величину уточнения на этом шаге и имеет примерно тот же порядок, что и ошибка определения дисперсии Аллена по ограниченной выборке из п отсчетов.
Поскольку на графике отображаются -2 , , ч
значения функции ау ( кт) с малым шагом
аргумента, равным т, изменения этой функции легко выявляются визуально, поэтому величину (10) удобно использовать для оперативного контроля параметров Аллена в реальном времени.
Отметим, что в соответствии с описанием аппаратной части, отдельные отсчеты частоты
у. (Т) в базе времени частоты ¥а образцового
генератора получаются как отношение
приращений кодов первого и второго ().
счетчиков (с поправкой, вычисленной по коду третьего счетчика):
у
(т) =
р - р
гi
а, - йч
С учетом этого уравнение (8) принимает иной вид:
/
Д у2 (кт) = F0
р -
1 пк
р р - р
1 (п-1)к+1 1 (п+1)к 1 пк+1
V
О-пк 0-(п-
(п-1) к+1
О(п+1)к Опк+1
У
(14)
Хотя эта формула более громоздка на вид, вычисление по ней гораздо проще, чем по (8), а умножение на ¥о осуществляется масштабированием графика для отображения параметров Аллена. Из (13) видно, что промежуточные результаты отсчетов не входят в статистику для к > 2 . В этом проявляется тот факт, что величина «мертвого времени» равна нулю.
6.3. результаты испытаний измерителя
При измерении частоты обычным методом погрешность в основном определяется ошибкой дискретизации, которая равна отношению периода измеряемой частоты к длительности измерительного интервала. Так при измерении частоты 5МГц погрешность должна составлять 500Гц за интервал времени Т = 1мс.
В описанном частотомере эта величина меньше 1Гц, и она уменьшается до 0,004Гц при измерениях с понижением частоты до 20кГц за эти же интервалы времени. Так при усреднении за время Т = 0,1с она становится равной 0,01Гц для измеряемой частоты 5МГц.
С дальнейшим увеличением Т погрешность, практически, определяется только второй компонентой - нестабильностью
образцового генератора, которая может быть существенно понижена при работе от внешнего генератора, в частности, использованного нами водородного стандарта частоты Ч1-75 с нестабильностью частоты не более 10-12.
Таким образом, для измерения специальных характеристик стабильности частоты высокостабильных лазеров (генераторов) разработан прецизионный частотомер с абсолютной ошибкой измерений менее 1 Гц за
0.001., что обеспечивает относительную
погрешность измерения частоты около 10 -5 . За счет реализации непрерывного (без перезапуска) счета существенно сокращено общее время измерения и исключена инструментальная погрешность от «мертвого» времени.
На рис. 7 показана зависимость погрешности указанного частотомера от времени усреднения в сравнении с погрешностью частотомера Ч3-64, традиционно используемого для аттестации стандартов частоты, включая водородные стандарты частоты. Видно, что разработанное устройство имеет ряд преимуществ:
1. Диапазон измерений расширен в область малых интервало времени от 1 с до 0,01 с.
2. Погрешность во всем диапазоне частот снижена.
2
3. В диапазоне времен осреднения выше 1000 с погрешность у разработанного частотомера ниспадает обратно пропорционально отношению времен усреднения (а в логарифмической шкале линейно с единичным наклоном), тогда как погрешность частотомера Ч3-64 в этом диапазоне ниспадает обратно
пропорционально корню квадратному из отношения времен усреднения (а в логарифмической шкале - линейно с половинным наклоном) На рис. 8 показан вид экрана компьютера при работе в режиме отображения частоты как функции времени.
Рис. 7. Зависимость погрешности указанного частотомера от времени усреднения в сравнении с погрешностью частотомера Ч3-64
Рис. 8. Вид экрана компьютера при работе в режиме отображения частоты как функции времени На рис. 9 показан вид экрана компьютера при работе в режиме отображения функции
Аллена. На рис. 10 показан результат частотомеры не реализуют. На рис. 11 показан
построения 3Б-гистограммы частотных внешний вид первой авторской разработки,
девиаций. Указанных функций традиционные описанной в данном разделе.
ifi. FreqLab Г ТТЛ
File View Con lection Work Options Help
В "□gg~i4B.5BBgn едчгомп: IEI
-FTnT~- ■ 1
l/^l — ^r — s 2 2Graph 1" 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 ................................................... . . и _о Г %
0 100 200 300 400 500 Time |J- | 1 Graph 2Graph 3Graph и —
Рис. 9. Вид экрана компьютера при работе в режиме отображения функции Аллена
Рис. 10 Результат построения 3Б-гистограммы частотных девиаций
На рис. 12 показан внешний вид отладочной платы, которая предполагается для использования в новом частотомере
Рис. 11. Внешний вид первой авторской разработки, описанной в данном разделе
Рис. 12. Внешний вид отладочной платы, которая предполагается для использования в новом частотомере
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанные программно-аппаратные
средства для измерения частот непрерывно совершенствуются [6]. При этом описанные принципы используются и развиваются. Описанный и используемый способ измерения кардинально отличается от счетного метода, в котором погрешность составляет единицу счета, вследствие чего имеет место ложное соотношение неопределенности, согласно которому произведение абсолютной
погрешности измерения частоты на время измерения является константой,
приблизительно равной единице. При таком способе измерение за одну секунду не может
быть сделано с погрешностью менее 1 Гц, за десять секунд - менее 0,1 Гц и так далее. Уже в первых версиях описанного частотомера это ложное соотношение преодолено более чем на три порядка, то есть измерение часоты за одну секунду осуществлялось с погрешностью менее 0,001 Гц, а погрешность в 1 Гц достигалась на интервалах порядка 0,001 с.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В.И. Андрюшкин, Р.Н. Фаустов, В.П. Шелест. Фундаментальные физические константы и физика микромира. В кн.: Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. статей. М., Мир, 1981., с.3-16..
[2] Рютман Ж. Характеристики нестабильности фазы и частоты сигналов высокостабильных генераторов: итоги развития за пятнадцать лет // ТИИЭИР, 1978. 66, №9. С. 70 - 102.
[3] Бармасов С.В., Жмудь В.А. Аппаратура для фазовой автоподстройки разностной частоты двух лазеров. ПТЭ, 2000, N3, с. 104-106.
[4] Борисов Б. Д., Васильев В. А., Гончаренко А.М., Жмудь В.А. Методика оценки стабильности стандартов частоты. // Автометрия, 2002, №3, с. 104 - 112.
[5] В.А. Жмудь. Частотные измерения в прецизионных лазерных системах. Научный вестник НГТУ. 2002. N 2(13). с. 127-136.
[6] Патент РФ N 2210785 (приоритет от 13.07.01.) Цифровой частотомер. В.А. Васильев, В.А. Жмудь, А.М. Гончаренко. Опубл.: Гос. реестр изобретений РФ. Бюлл. N23, 20.08.03.
[7] В.А. Жмудь. Теорема Котельникова-Найквеста-Шеннона, Принцип Неопределенности и Теория Относительности. Автоматика и программная инженерия 2014. №1 (7). С. 127-136. ФГБОУ ВПО НГТУ (Новосибирск, Россия).
Вадим Аркадьевич Жмудь -
заведующий кафедрой Автоматики НГТУ, профессор, доктор технических наук, автор более 200 научных статей, включая 10 патентов и 6 учебных пособий. Область научных интересов и компетенций - теория
автоматического управления,
электроника, лазерные системы, оптимизация, измерительная техника. E-mail: [email protected]
Precision Measuring of Frequency for Attectation of Frequency Standards
Vadim ZHMUD
Abstract: The paper discusses methods of precision measuring of frequency. The paper discovers disadvantages of frequency counting method and gives the basis of the method of integer periods. Paper gives structure of the device and algorithmic basis of the according program for the processing of primary measuring results for the delivering of the demanded values of measuring of frequency.
Key words: Measuring of frequency, Allen (Alen) parameters (Function).
