Развитие многих направлений науки и техники определяется достигнутой точностью измерения частоты и времени. Из семи основных физических величин эталоны времени и частоты являются самыми точными. В настоящее время Государственный первичный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение секунды и герца со среднеквадратической погрешностью не более 10-13.
Особенность частоты состоит в том, что ее эталонное значение может быть передано на рабочее место, минуя промежуточные этапы передачи размера частоты. Для этого используются каналы радиовещания и телевидения. Приборы для сличения частот в настоящее время выполняются в виде приборов общего применения. С помощью этих приборов осуществляется начальная установка и синхронизация всех часовых систем по сигналам эталонных частот и сигналам точного времени, передаваемым радиостанциями Государственной метрологической службы РФ.
Используемые в радиотехнике частоты, простираются от 10-3 до 1012Гц и более. Их условно можно разделить на
· низкочастотные (инфразвуковые)- менее 20Гц
· звуковые частоты 20Гц – 20кГц
· ультразвуковые 20кГц – 200кГц
· высокочастотные – более 200кГц
В настоящее время Международный консультативный комитет по радио (МККР) упорядочил разделение спектра частот, применяемых для радиосвязи, радиовещания, телевидения. Этот спектр разбит на 9 полос, внутри которых частоты меняются в 10 раз. Полосы обозначаются от 4 до 12. Например,
| Номер полосы | Диапазон частот | Сокращенное обозначение | |
| по частотам | по длинам волн | ||
| 3 – 30кГц | ОНЧ (VLF) - очень низкие | СДВ | |
| 30 – 300кГц | НЧ (LF) - низкие | ДВ | |
| 300 – 3000кГц | СЧ (MF) - средние | СВ | |
| 3-30МГц | ВЧ(HF) - высокие | КВ |
В радиотехнике чаще всего измеряется частота, реже период и длина волны. Учитывая, что измерения частоты проводятся с наибольшей точностью, многие физические величины (напряжение, температура, давление и пр.) с помощью измерительных преобразователей превращаются в частотно-временные параметры.
Согласно ГОСТ15094 приборы для измерения частоты и времени относятся к группе Ч- и подразделяются на
Ч1 – установки для поверки измерителей частоты, воспроизведения образцовых частот, сличения частот сигналов
Ч2 – частотомеры резонансные
Ч3 – частотомеры электронно-счётные
Ч4 – частотомеры емкостные, гетеродинные, мостовые
Ч5 – преобразователи частоты сигнала
Ч6 – синтезаторы частоты, делители и умножители частоты
Ч7 – приёмники сигналов эталонных частот; компараторы частотные, фазовые, временные
Ч9 – преобразователи частоты
Приборы для измерения частоты СВЧ диапазона называют волномерами (т.к. они измеряют длину волны).
В зависимости от диапазона частот и требуемой точности используются следующие основные методы измерения:
· метод сравнения - осциллографический, гетеродинный (метод нулевых биений)
· конденсаторный
· резонансный
· метод дискретного счёта
Метод сравнения
Этот метод получил широкое распространение благодаря своей простоте и универсальности. Измеряемая частота fx определяется по равенству или кратности образцовой частоте fo. Следовательно, для реализации метода сравнения необходим источник образцовой частоты и индикатор равенства или кратности частот fx и fo. Индикатором может служить осциллограф или нелинейный преобразователь частоты. В соответствии с этим метод сравнения делится на две вида: осциллографический и гетеродинный.
Осциллографический метод
Область применения метода ограничена только полосой пропускания ЭЛТ. Измерения могут проводиться при следующих видах развёртки: линейной, синусоидальной и круговой.
Линейная развёртка
Напряжение измеряемой частоты fx подают на вход канала Y, а сигнал с генератора меток fo – на вход канала Z. На экране ЭЛТ устанавливают несколько периодов измеряемой частоты и регулируют частоту меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода (рис.37). В этом случае измеряемая частота fx=fo/n, где n- число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого сигнала (в данном случае n=10 и fx=0,1fo).
 | |||
| |||
Рис. 37.
Точность измерений определяется точностью и стабильностью образцовой частоты (частоты меток).
Более простым вариантом является использование собственного калибратора длительности осциллографа. После калибровки канала Х осциллографа на вход Y подают исследуемый сигнал и получают неподвижное изображение 1-2 периодов. Частота сигнала определяется по формуле
,
где 
- масштаб времени осциллографа, 
- число делений осциллограммы, занимаемых одним периодом сигнала.
Синусоидальная развёртка
При синусоидальной развёртке измеряемая частота подается на канал Y, образцовая – на канал Х (генератор развертки отключен). Изменяя образцовую частоту получают неподвижную или медленно вращающуюся фигуру Лиссажу. При равенстве частот 
получается линия, эллипс или круг в зависимости от фазовых соотношений.
В общем случае
,
где 
- число пересечений с горизонтальной осью (проходящих не через узел), 
- число пересечений с вертикальной осью. Практически выбирается кратность не более 10.
В качестве примера на рис.38,а изображены фигура Лиссажу с ny=2 и nx=2, т.е. 
, на рис.38,б ny=4 и nx=2, т.е. 
. Следует заметить, что форма фигуры Лиссажу зависит от фазового сдвига между частотами 
, при этом число пересечений осей Х и Y не изменяется.
Круговая развёртка
Круговая развертка реализуется при подаче на вход Х осциллографа напряжения образцовой частоты 
, а на вход Y- этого же напряжения, но сдвинутого на 900, т.е. 
. Обычно сдвиг частот осуществляется с помощью фазосдвигающей цепи на входе осциллографа.
Напряжение измеряемой частоты подается на канал модуляции яркости луча Z. При этом если частоты fx > f0 и относятся как целые числа, то на экране ЭЛТ появятся светящиеся дуги (рис.39). Если fx < f0, то источники частот нужно поменять местами.
Число светящихся меток (дуг) равно кратности частот k= fx /f0, откуда 
.
Осциллограмма неподвижна только при точном равенстве или кратности частот. В противном случае она вращается со скоростью, пропорциональной разности частот fx и f0.
Данный факт используется при настройке частоты fкг кварцевых генераторов цифровых частотомеров. Сигнал эталонной частоты, принимаемый по радиоканалу обеспечивает круговую развертку на ЭЛТ. Подавая частоту fкг на вход канала Z, подстройкой генератора добиваются остановки или медленного вращения осциллограммы. В этом случае частота fкг будет с высокой точностью равна или кратна эталонной частоте.
Гетеродинный метод
Суть этого метода, позволяющего измерять частоту с высокой степенью точности (10-5-10-6), заключается в сравнении исследуемой частоты с частотой перестраиваемого гетеродина, который заранее отградуирован. Такие приборы относятся к группе Ч4 и называются гетеродинными частотомерами. Их область применения - диапазон высоких и сверхвысоких частот.
Функциональная схема гетеродинного частотомера приведена на рис.40.
В положении переключателя "Калибровка" осуществляется градуировка гетеродина Гет по кварцевому генератору КГ. Гетеродин представляет собой перестраиваемый LC- генератор высокой стабильности, а кварцевый генератор настроен на фиксированную частоту fкв.
Частоты обоих генераторов подаются на смеситель См - нелинейный элемент, на выходе которого появляются комбинационные частоты ± nfг ± mfкв. Установив на шкале гетеродина опорные значения частот, соответствующие кварцевым опорным точкам, плавно подстраивают частоту гетеродина до появления "нулевых биений" (частот порядка ±20Гц). Для повышения чувствительности используется усилитель УНЧ.
Опорные частоты (при nfг = mfкв, где n и m – любые целые числа) фиксируются индикатором Инд, качестве которого может быть использован телефон, стрелочный прибор, осциллограф, светодиод и т.п.
В режиме "Измерение" на смеситель подаются измеряемая частота fх и частота гетеродина fг. Равенство частот так же определяется по нулевым биениям Df→0. Отсчет показаний производится по градуированной шкале гетеродина.
Погрешности гетеродинных частотомеров определяются погрешностью кварцевого генератора и градуировки гетеродина, точностью фиксации равенства частот.
Гетеродинные переносчики частоты используются для расширения частотного диапазона цифровых частотомеров в сторону высоких частот. Функциональная схема переносчика аналогична приведенной, только к выходу смесителя подключается электронно-счетный частотомер. Целью настройки гетеродина в этом случае является снижение измеряемой частоты до области рабочих частот частотомера. Например, частота 10ГГц не может быть измерена большинством цифровых частотомеров. Настроив гетеродин на частоту fг=9,9..9,0ГГц на выходе смесителя получим разностную частоту Df=0,1-1ГГц. Зная частоту настройки гетеродина и измерив Df частотомером можно определить частоту fх.
