ГЛАВА 19. ИЗМЕРЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ

19.1. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

19.1.1. Эталоны времени

Частота обычно определяется как количество вибраций или колебаний в секунду и ее измерение связано с установлением интервалов времени и процессом счета. Практической единицей времени является средняя солнечная секунда, которая определяется как средних солнечных суток. Так как истинные солнечные сутки, измеряемые по последовательным прохождениям Солнца через меридиан, непостоянны в течение года, то в качестве эталонного интервала берется среднее значение истинных солнечных суток за период двенадцать месяцев. Разница между средним солнечным временем и истинным солнечным временем, определяемая известным уравнением времени, может доходить до четверти часа. На практике период вращения Земли измеряется не путем непосредственного наблюдения за Солнцем, а посредством наблюдения за прохождением звезд, дающим более точные результаты. Из наблюдений за звездами определяется звездное время, далее оно преобразуется к среднему солнечному времени [141, 206], которое затем передается радиовещательными станциями как сигналы времени обсерватории. Другое определение — эфемеридное время — основывается на периоде обращения Земли вокруг Солнца. Принимая во внимание постоянство такой меры, эфемеридное время определяется как часть тропического 1900 года, в полночь на 1 января.

Для того чтобы счет времени не растягивался на весь интервал средних солнечных суток, рбычно пользуются промежуточным эталоном частоты, который поддерживается непрерывно в рабочем

состоянии и ежедневно проверяется по опорным сигналам времени. Другие частоты измеряются посредством сравнения с этим эталоном или частотой, получаемой из частоты эталона.

Обычные эталоны частоты [147, 148] состоят из надлежащим образом вырезанных Кристалов кварца, поддерживаемых в режиме непрерывных колебаний с помощью схем на электронных лампах. Обычно они рассчитаны на частоту которая удобна с точки зрения размеров кварца. Эта частота посредством электронных схем делится для получения импульсов с частотой повторения 10, 100, 1000 и 10 000 гц, и одна из наиболее низких частот используется для приведения в действие двигателя переменного тока, отсчитывающего часы, минуты и секунды. Такие часы ежедневно проверяются по сигналам обсерватории. Кварцевые резонаторы могут быть изготовлены в виде стержней, колец или пластинок [40, 69, 141]. Благодаря поддержанию кварца при постоянной температуре с помощью термостата и надлежащей конструкции самого кварца и его держателя величина дрейфа частоты очень мала и составляет за месяц примерно 2-10-1° [291].

Эталоном частоты в области сверхвысоких частот может служить резонансная частота объемного резонатора; такие приборы подходят для этой цели в виду их простоты, компактности и прочности. Опорным эталоном может также служить спектральная линия газа [141]. Поскольку эти спектральные частоты полностью определяются внутриатомными силами связи, то как показано в разд. 7.1, они пригодны в качестве точных эталонов. Будучи однажды проверенными, эти частоты могут воспроизводиться в любое время, обеспечивая высокую степень стабильности в течение длительного времени без проверки по астрономическим эталонам. Предельная стабильность таких эталонов зависит от присущей им ширины линии. Практические условия приводят к расширению этой линии, но при тщательно выбранных соответствующих схемах легко можно достигнуть чрезвычайно хорошей стабильности.

19.1.2. Методы умножения

Методы непосредственного измерения частоты хорошо отработаны и существует тенденция дальнейшего их усовершенствования [59, 63, 111]; на сверхвысоких частотах они служат, главным образом, для точных опорных эталонов. Для сравнения используются гетеродинные методы с соответствующим интерполирующим устройством [214], позволяющим перекрывать непрерывный диапазон. Некоторые методы [8,70] основаны на настройке последовательными ступенями частоты одного генератора на гармонику частоты другого, после чего по кварцевому эталону производится калибровка шкалы генератора наиболее низкой частоты. В другом устройстве [102] для измерения разностной частоты используется калиброванный связной приемник. Точность упомянутых выше методов ограничивается примерно величиной 10-в вследствие ухода частоты генераторов за короткие промежутки времени между двумя группами измерений.

Для получения повышенной точности необходимо использовать более совершенное оборудование, основанное на синтезе [113, 114, 146] колебаний, стабилизированных кварцем. В устройстве, применявшемся Эссеном [69], частоты с диапазоном изменения от 8,3 до образуются при помощи эталона частоты как показано на рис. 19.1. Посредством переключателя выбираются дискретные частоты с интервалами что дает фиксированные стабилизированные кварцем частоты с разносом около для непрерывного перекрытия в схему включается гетеродин на частоту Этот гетеродин сам проверяется с помощью эталона по большому количеству точек частоты и может быть настроен с точностью 0,2 гц.

После последовательного умножения образуются колебания причем первые три имеют мощность на выходе Для измерения частоты требуется лишь небольшая мощность, поэтому можно использовать гармоники умножителей так, что полный диапазон перекрытия частот получается вплоть до гармоник порядка. Гармоники генерируются посредством кристаллических диодов, смонтированных в коаксиальных или волноводных блоках искажений [189, 210, 270, 290]. Мощность быстро уменьшается с увеличением порядка гармоники, поэтому на самых высоких частотах должны использоваться чувствительные приемники. В большой части диапазона можно отказаться от использования таких приемников, если промодулировать принимаемый сигнал частотой после детектирования он усиливается и подается на пластины электронно-лучевой трубки. Для целей интерполяции при измерении частоты биений используются также цифровые счетчики электрических импульсов.

В процессе измерения следует принимать меры, чтобы избежать паразитных сигналов, которые могут возникнуть, например, при генерировании гармоник в смесителях. В области самых высоких частот были разработаны технические приемы улучшения средств отождествления. В целях получения гармоник данной частоты относительно свободных от паразитных составляющих использовались для выделения гармоник настроенные селективные цепи с узкой полосой [190] и сравнительно сложные системы генерирования, выделения, смешения и фильтрации гармоник [57].

Во многих системах измерения частоты [302] для достижения области сверхвысоких частот необходимо применять умножители частоты, но в качестве источника можно также использовать генератор сверхвысокой частоты и делить его частоту для обеспечения вспомогательного измерительного оборудования, например, интерполирующих систем и часовых механизмов. С такимии сверхвысокочастотными схемами удобно использовать регенеративно-модуляционный делитель частоты Миллера [154, 143]. На более низких частотах возможен более широкий выбор схем; в качестве делителей широко используются регенеративные модуляторы [163], мультивибраторы и различные схемы типа счетчиков [77, 120, 212].

(кликните для просмотра скана)