4-时间与频率测量

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1、第4章 时间与频率测量,4.1 概述 4.2 时间与频率标准 4.3 频率与时间的测量原理 4.4 高分辨时间与频率测量技术 4.5 微波频率测量技术 4.6 频率稳定度测量与频率比对 4.7 调制域测量技术,作 业,简述GPS定位原理及其与时间/频率基准的关系。 分析通用电子计数器各测量功能的实现。 分析双游标法减小时间量化误差的原理。 简述频率比对的常用方法。 简述阿伦方差的物理意义及测量方法。 简述相位噪声的物理意义及测量方法。 教材思考与练习题：4-5、4-7、4-8,4.1 概述,时间:“时刻”、“时间间隔” 频率:周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔

2、T内周期信号重复变化了N次，则 fN/T （1）时间/频率的基础性 任何物理现象都在一定的时间和空间里呈现 时间单位是7个基本国际单位之一 m, kg, s, A, K, mol, cd （2）频率基准及频率测量精度极高 铯原子频率基准准确度达10-15，未来光学频标准确度可望达10-18 很多物理量测量转换为时间/频率测量 长度单位：根据光在真空中一定时间内所经历的路径长度而定义 电压标准：应用约瑟夫森效应将电压转换为频率基准进行测量 双斜式ADC：基于V-T变换,概述,（3）时频测量技术应用广泛 几乎所有的电子设备都离不开时钟 最有代表性的应用领域：导航和通信 全球卫星定位系统(美GPS、

3、俄GLONASS、北斗) GPS:24颗卫星, 任何地方任何时候都可以至少看到4-11颗卫星。 GPS定位原理：测距 如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时刻信息确定，则可以通过在同一时刻tr同时接收3颗GPS星的发播信号，求解用户接收机的坐标位置。 实际上,用户接收机与卫星时钟存在一定的时间差,需同时观测4颗卫星实现定位.,4.2 时间与频率标准,1.天文时标 世界时（UT,Universal Time）:以地球自转为依据。1/(246060)=1/86400 天为1秒，107量级。 平太阳时：自转不均匀性，以假想平太阳作为基本参考点。 零类世界时（UT0 ）：

4、以平太阳的子夜0时为参考。 第一类世界时（UT1）：修正极移效应（自转轴微小位移）。 第二类世界时（UT2）：修正季节性变化。准确度3109 。 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为依据。 1/31 556 925.9747 年 为1秒。 参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义），准确度1109 。 1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。,2.原子时标,（1）原子时标（AT）的量子电子学基础 原子(分子)在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。 hfn-m=En-Em （h=6.625210-27普朗克常数） 常用于原子频标的原子

5、：铯、铷、氢 只有一个价电子，电子和原子核的自旋要么平行要么反平行 原子对应的能量只有两种，构成超精细结构能级 铯、铷、氢在两个能级之间迁跃将吸收或释放能量，对应的迁跃频率分别为9.192GHz、6.834GHz、1.420GHz，都在微波段，应用方便。 （2）原子时标的定义 1967年10月，第13届国际计量大会。“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间” 1972年起实行。天文实物标准原子自然标准，准确度提高4-5个量级，达10-15(相当于数百万年1秒) 。,2.原子时标,（3）原子频率标准（原子钟） 原子时标的实物仪

6、器，用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟:10-1410-15 被动型铯束管 大铯钟,专用高稳基准；小铯钟,工作基准 铷原子钟:10-11，短稳10-12 被动型铷气泡、主动型铷激射器 体积小、重量轻，工作基准 氢原子钟: 10-12，短稳10-1410-15 主动型氢激射器、被动型氢激射器 笨重昂贵，一级标准 ？ 北斗原子钟,3 石英晶体振荡器,最常用的工作基准 晶振 压电效应 电场-压力（形变） 主要影响因素 温度：频率-温度特性曲线 【拐点温度】零频率温度系数点温度，在此温度附近温度系数最小。晶体零温度系数点大多在室温附近。 老化：长期稳定度。前期老化、后期老化。 激励电平：频率相

7、对变化与激励电流的平方成正比 由于噪声电平限制，激励电平也不能过小 高精密晶振激励电流一般小于70uA 核辐射及加速度影响：军事应用,3 石英晶体振荡器,温补晶振（TCXO）：10-6- 10-7,恒温晶振（ OCXO ）：优于10-8,三类晶振,普通晶振：10-5,测量方法分类 不同的实现原理，不同的准确度和适用范围,4.3 时间与频率测量原理,4.3.1 模拟测量原理,1.直接法 利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，分为谐振法和电桥法两种。 （1）谐振法 调节可变电容器C使回路发生谐振，此时回路电流达到最大(高频电压表指示) 。 可测量1500MHz以下的频率，准确度(0.251)%。

8、,( 2）电桥法 利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量, 文氏电桥，调节R1、R2使电桥达到平衡。,R1=R2=R, C1=C2=C,受元件精度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为(0.51)%。,2.模拟测量比较法,基本原理：利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率。有拍频法、外差法、示波法等。,拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频测量（很少用）。 【差拍 】干涉波被接收输出后的听觉反映,当f20hz时,呈现为连续的差频叫声,所以被称为差拍。两个不同频率

9、的声音相互作用而形成的周期性变化，幅值按两个频率之差周期性地增减，出现声音音量幅度调制、上下起伏。 外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。 示波法： 李沙育图形法：将fx和fs分别接到示波器Y轴和X轴（X-Y图示方式），当fxfs时显示为斜线（椭圆或园）。 测周期法：根据显示波形由X通道扫描速率得到周期。,4.3.2 数字测量原理,门控计数法 频率测量：确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(N)，根据fx=N/T得到频率值。 时间间隔测量：将被测时间按尽可能小的时间单位（时标）进行量化，累计被测时间内所包含的时间单位数。 “

10、闸门”控制：将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“门控”信号控制。,测频时，闸门时间即为采样时间。 测时时，闸门开启时间即为被测时间。,1 频率测量,十进制计数器，闸门时间设定为10的幂次方，直接显示计数结果，移动小数点和单位的配合，得到被测频率。 测量速度与分辨力：闸门时间Ts为频率测量的采样时间，Ts愈大，测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨力愈高。,2.频率比的测量,3.周期的测量: “时标计数法”,在Tx内计数器对时标计数。,频率高者A通道 频率低者B通道 B通道扩展,时间间隔的两个时刻点由两个事件确定。如同一波形上两个不同点脉冲信号参数；手动触发定时

11、、累加计数。 两个事件触发得到起始信号和终止信号，经过门控双稳态电路得到“门控信号”，采用“时标计数” 触发极性选择和触发电平调节：灵活完成各种时间间隔的测量。如各种脉冲参数测量、相位差测量。,4.时间间隔的测量,4.3.3 数字时间与频率测量的误差,1 误差来源 （1）量化误差 量化误差：截断误差，1误差 产生原因：闸门与被测信号不同步, 时间零头 （2）触发误差 输入信号脉冲信号，“转换误差” （3）标准频率误差 时基准确度和测量时间之内的短期稳定度直接影响测量结果。 要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。 外部基准源。,2 频率测量的误差分析,（1）误差表达式 fx=N/Ts=Nfs

12、,（2）量化误差 （3）触发误差 尖峰脉冲的干扰: 引起触发点的改变，对计数影响不大。 高频叠加干扰:产生错误计数。 措施:增大触发窗或减小信号幅度; 输入滤波。,3 周期测量的误差分析,（1)误差表达式,(2)中界频率 测频时，fx愈低，量化误差愈大； 测周时，fx愈高，量化误差愈大。在测频与测周之间，存在一个中界频率fm，当fxfm时，应采用测频；当fxfm时，应采用测周。,例：若Ts=1s,T0=1us，则fm=1kHz,在该频率上,测频与测周的量化误差相等。,中界频率,(3)触发误差,尖峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严重。 设输入为正弦波： ,干扰幅度为Vn。 对触发点A1作切线ab

13、，其斜率为,触发点愈陡峭，误差愈小。,（如选择过零触发）,测周时为减小触发误差，应提高信噪比。,（考虑开始和结束都存在触发误差）,4.4 电子计数器,1.电子计数器的分类 按功能： 通用计数器：测频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。测量功能可扩展。 频率计数器：测频和计数。但测频范围往往很宽。 时间计数器：以时间测量为基础，测时分辨力和准确度高。 特种计数器：特殊功能。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。 按用途： 测量用计数器和控制用计数器。 按测量范围： 低速（低于10MHz）、中速（10-100MHz） 高速（高于100MHz）、微波（1-80GHz）,2.电子

14、计数器的主要技术指标,测量范围：毫赫几十GHz。 准确度：可达10-9以上。 晶振频率及稳定度：内部基准，普通10-5，恒温10-710-9。 输入特性：耦合方式（DC/AC）、触发电平、灵敏度（10100mV）、输入阻抗（50 和1M /25pF）等。 闸门时间(测频)：如1ms、10ms、100ms、1s、10s。 时标(测周)：如10ns、100ns、1ms、10ms。 显示能力：显示位数及显示方式等。,3.通用计数器的组成原理,输入通道：通常有多个，预定标器可扩展测量范围。 主门电路：闸门控制。 计数与显示电路： 时基产生电路：产生时标和频率测量的闸门信号。 控制电路：准备测量显示。,

15、（1）输入通道,（2）主门电路,“门控信号”还可手动操作，如实现手动累加计数。,（3）计数与显示电路 十进制计数电路，最高计数频率主要由个位计数器决定 中小规模计数器IC如：74LS90（MC11C90）十进制计数器；74LS390、CD4018(MC14018)为双十进制计数器。 可编程计数器IC如：Intel8253/8254等。 LED、LCD 、荧光（VFD）显示。 显示电路包括锁存、译码、驱动电路。 专用计数与显示单元电路：如ICM7216D。,（4）时基产生电路,产生测频时的“门控信号”（闸门时间）及时间测量时的“时标”信号。“标准性”、”多值性“ 由内部晶体振荡器（也可外接），通

16、过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。,（5）控制电路 控制、协调各电路单元的工作，使整机按“复零测量显示”的工作程序完成自动测量的任务,4.4.1 多周期同步测量技术,4.4 高分辨时间与频率测量技术,1.周期倍乘测周,减小量化误差和触发误差,2.倒数计数器测频 闸门时间=被测信号整周期数。 被测信号计数Nx 同步闸门的测量N0 Nx无1误差， N0存在1误差，但一般N0较大，1/N0较小。 实现不同闸门时间内的等精度测量。,多周期同步测量,4.4.2 模拟内插法,减小量化误差受时基和计数器工作频率、计数容量限制。 内插法：测量量化单位以下的尾数(零头时间)。Tx=T0+T1-T2,基本思路：对T1和T2作时间扩展（放大）后测量。 三次测量 时间扩展电路 校准,4.4.3 游标法,游标卡尺原理，利用相差很微小的两个量，对量化单位以下的差值进行多次叠加，直到叠加的值达到一个量化单位为止，通过计算获得较精确的差值。 双游标法测量两