1.3 Контрольні запитання
Для допуску:
1) Назвіть основні величини системи SI та їх одиниці.
2) Наведіть сучасне визначення одиниці часу-секунди.
3) Який фізичний ефект лежить в основі первинного еталона одиниці часу?
4) Яка орієнтована точність відтворення секунди досягнута на сьогодні в Україні та в світі?
5) Які етапи «астрономічного» визначення секунди ви знаєте, в чому полягають ці визначення?
6) Що таке кварцовий і квантовий генератори?
7) В яких галузях науки і техніки використовуються частотно-часові вимірювання?
Для захисту:
1) Що таке цезієвий і водородний стандарти?
2) Намалюйте структурну схему цезієвого репера.
3) Які основні системи входять до складу державного еталона?
4) Яку НСП і СКО забезпечує державний еталон часу і частоти України?
5) Які умови зберігання еталона?
6) Що таке «рідіооптичний частотний міст»?
7) Яку функцію виконує «система зовнішніх звірянь» еталона?
8) В якому напрямку йде подальше удосконалення первинного еталона одиниць часу і частоти?
6. Лабораторна робота №6. Державний первинний еталон одиниці коефіцієнта амплітудної модуляції вч-коливань
Мета роботи: вивчити принцип побудови і структуру первинного еталона, ознайомитися з процедурами відтворення коефіцієнта АМ на еталоні і повірки (калібрування) робочих еталонів (установки К2-34).
6.1.Методичні вказівки з організації самостійної роботи
6.1.1 Завдання до самостійної підготовки
Вивчити параметри АМ сигналу, структурну схему модулометра, основні методи вимірювання коефіцієнта АМ, структуру державного еталона коефіцієнта АМ. Ознайомитись з метрологічними характеристиками еталона, методикою відтворення та передавання одиниці коефіцієнта АМ робочому еталону.
6.1.2. Параметри АМ сигнала
АМ сигнал з гармонічним несучим коливанням можна подати виразом
,
де
– миттєва амплітуда або огинаюча
АМ сигналу;
– несуча частота (частота у відсутності
модуляції);
– початкова фаза.
Огинаюча сигналу може бути записана як
,
де
– амплітуда несучого (немодульованого)
коливання;
– закон
зміни амплітуди
при
модуляції.
При гармонічній АМ закон зміни амплітуди буде
,
де
– частота модулюючої напруги;
– коефіцієнт АМ.
Зображення
модулюючого
і модульованого
сигналів
наведено на рис. 1.
Коефіцієнти
АМ у бік збільшення і зменшення амплітуди
(для позитивної і негативної напівхвиль
огинаючої АМ сигналу) прийнято називати
коефіцієнтами амплітудної модуляції
“вверх”
і “вниз”
(рис. 1)
;
.
(1)
При
симетричній модуляції, коли модуляційна
характеристика лінійна,
.
При складному законі АМ використовується середньоквадратичне значення коефіцієнта АМ
. (2)
У випадку наявності нелінійних спотворень закону АМ (огинаючої АМ сигналу) вираз для АМ сигналу має вигляд:
,
де
– парціальні коефіцієнти АМ з частотами
.
Нелінійні спотворення АМ сигналів характеризуються коефіцієнтами гармонік Кг
;
;
…
,
де
–
парціальні коефіцієнти гармонік
огинаючої АМ (
=
1, 2, ...
).
Сумарний КГ дорівнює
.
(3)
6.1.3 Принцип побудови та структурна схема еталона
Еталон коефіцієнта АМ, побудований за принципом міри, тобто джерела вимірювального сигналу з гармонічною АМ і з каліброваним коефіцієнтом АМ (КАМ). При цьому діапазони несучих і модулюючих частот АМ сигналів еталона повинні відповідати частотам апаратури, що повіряється.
Оскільки
такі параметри АМ сигналу, як
і
(амплітудний
шум) є джерелами похибки відтворення
КАМ, вони повинні бути мінімізовані, а
до складу апаратури повинні входити
засоби атестації АМ сигналу за цими
параметрами.
В
основу відтворення одиниці коефіцієнта
АМ покладено метод, що полягає у формуванні
АМ сигналу з огинаючою, близькою до
синусоїдальної, установленні з високою
точністю коефіцієнта АМ
і точному діленні модулюючої напруги
для одержання каліброваних значень
у діапазоні 0,1 – 100 %.
Структурну схему еталона наведено на
рис. 2.
АМ
сигнал формується модуляторами з
квазілінійними модуляційними
характеристиками (
), як правило, на декількох фіксованих
несучих частотах.
Джерело АМ сигналу
Перетворювачі
частоти
Виходи АМ
сигналу, МГц
Генератор
модулюючої
напруги
4 МГц
Калібратор
Прецизійний
подільник
напруги
10 МГц
25 МГц
Перетворювач
частоти
100 МГц
Компаратор
Пристрої атестації
Вимірювач
КГ закону
АМ
Контрольний
вимірювач АМ
Вимірювач
Компаратор
Керувальний
обчислювальний
пристрій
Рисунок
2 - Структурна схема ДЕ одиниці коефіцієнта
АМ
Для розширення діапазону несучих частот використовуються перетворювачі частоти, за допомогою яких здійснюється відтворення АМ сигналу на дискретних частотах у всьому діапазоні роботи модулометрів загального застосування (0,01 – 500 МГц).
Калібрування
коефіцієнта АМ
=100
% здійснюється за допомогою характерної
осцилограми (рис. 3) при максимальній
чутливості вертикального підсилювача
осцилографа, що входить до складу
калібратора.
Передача розміру одиниці коефіцієнта АМ робочим еталонам (які також є джерелами АМ сигналів) здійснюється за допомогою компаратора, на який почергово подаються сигнали від державного і робочого еталонів.
При повірці модулометрів (приймачів сигналу) еталонний сигнал подається безпосередньо на їхній вхід, минаючи компаратор, тобто повірка відбувається методом прямого вимірювання.
До складу засобів атестації еталона входять додатковий вимірювач коефіцієнта АМ, у якому реалізується контрольний незалежний метод вимірювання середнього значення коефіцієнта АМ, а також пристрої для атестації АМ сигналів еталона по КГ і амплітудних шумах. Керування роботою еталона й обробка результатів здійснюються за допомогою керувально-обчислювального пристрою.
Джерелами похибок відтворення коефіцієнта АМ є:
нелінійні спотворення огинаючої АМ сигналу;
паразитна АМ шумового характеру;
неточність
установлення
= 100 %;
похибка прецизійного подільника модулюючої напруги;
спотворення АМ сигналу в перетворювачах частоти.
При використанні компаратора додається також похибка останнього, яка носить, в основному, випадковий характер.
Як робочі еталони використовуються зразкові установки, що являють собою, як і ДЕ, джерела АМ сигналів із внутрішнім калібруванням їхнього коефіцієнта АМ.
Рисунок 4 - Державний еталон одиниці
коефіцієнта АМ
Державний еталон (рис. 4) має такі метрологічні характеристики:
діапазон несучих частот 0,01 – 500 МГц;
діапазон модулюючих частот 0,02 − 200 кГц;
діапазон значень коефіцієнта АМ 0,1 – 100 %;
НСП
(
) (1–2)·10-3;
СКВ
(
) 3·10-4.