第4章4.1-4.4

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1、4.1 概述 4.2 频率和时间的测量原理 4.3 电子计数器的组成原理和测量功能 4.4 电子计数器的测量误差 4.5 测量频率的其他方法 4.6 电子计数器性能的改进方法,第4章 时频测量,4.1 概述,4.1.1 时频关系及特点,“ 周期 ”是指同一事件重复出现的时间， 如T。,“频率”是单位时间（1s）内周期性事 件重复的次数，单位是赫兹Hz。如果在一定时间间隔t内周期信号重复变化了N次，则 fN/t,4.1.1 时频关系及特点,（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

2、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,4.1.1 时频关系及特点,（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、欧洲伽利略、中国北斗) 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

3、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.,4.1.2 时间与频率的原始标准,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 ）：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3108 。 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为依据。 1/31 55

4、6 925.9747 回归年 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。,地球,太阳,4.1.2 时间与频率的原始标准,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。 En-Em =hfn-m=hc/（h=6.625210-27普朗克常数） 常用于原子频标的原子：铯（Cs133）、铷（Rb87）、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

5、、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。,4.1.2 时间与频率的原始标准,2.原子时标 （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1月1日零时起，时间单位“秒”由天文秒改为原子秒。天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高4-5个量级，达510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。,4.1.2 时间与频率的原始标准,（3）原子频率标准（原子钟） 原子时

6、标的实物仪器，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，准确度高，长稳高 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 高性能原子钟尤其是星载原子钟，在卫星导航定位系统中起着重要的作用。,4.1.3 频率测量方法,频率测量方法,模拟法,计数法,直读法,比较法,电桥法,谐振法,拍频法,差频法,示波法,李沙育图形法,测周期法,电容充放电式,电子计数式,110-8110-13

7、量级,110-2量级,测量方法分类 不同的实现原理，不同的准确度和适用范围,4.1.4 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。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）,4.1.4 电子计数器,2.电子计数器的主要技术指标 测量范

8、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。,4.2.2 数字测量原理,1.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

9、时间内所包含的时间单位数。 “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。,4.2 频率和时间的测量原理,2.通用计数器的基本原理 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。,NFC-1000C-1型多功能频率计数器面板图,电源开关,功能选择,闸门时间,低通滤波器,A通道输入,B通道输入,“MHz”“kHz”“s”显示灯,数据显示窗口,溢出指示,闸门指示,

10、4.3.1 电子计数器的组成,4.3 电子计数器的组成原理和测量功能,4.3.1 电子计数器的组成,（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 功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。 为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路。 计数电路的重要指标：最高计数频率。 计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的时间限制，使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器，最高计数频率主要由个位计数器决定,类型：单片集成与可编程计数器 单片集成的中小规模IC如：

11、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。 显示器 LED、LCD 、荧光（VFD）等。 显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。 如74LS47、CD4511等。,（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,4.3.2 电子计数

12、器的测量功能,1.频率测量 十进制计数器，闸门时间设定为10的幂次方，可将计数结果，通过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，计数值N愈大，分辨力愈高。, 例如：闸门时间Ts=1s，若计数值N=10000，则fx为“10000”Hz，或 “10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s，则计数值N=1000，则fx为 “10.00”kHz。,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T0计数。,频率高者A通道 频率低者B通道 B通道扩展（提高精度）,例如：时标T0=1us，若计数值N=1

13、0000，则显示的Tx为“10000”us，或“10.000”ms。,4.时间间隔的测量 时间间隔的两个时刻点由两个事件确定。如两个信号波形上，两点之间 相位差的测量； 。 测量方法：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。,相位差的测量 利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。 两个信号分别由B、C通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。 测量原理如下图： 为减小测量误差，分别取 +、-触发极性作两次测量， 得到t1、t2再取平均，则,

14、5.自检（自校） 功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。 实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基Ts（闸门信号）对时标T0计数，则计数结果应为： 自检的方框图： 例如：若选择Ts=10ms, T0=1us,则自检显示应 稳定在N=10000。 自检不能检测内部基准源。,4.4.1 测量误差的来源,4.4 电子计数器的测量误差,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” 如图。周期为Tx的输 入信号，触发电平在 A1点，但在A1点上有 干扰信号(幅度Vn

15、)。 提前触发,周期TxTx。,3.标准频率误差 机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。 因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的外部基准源。 通常，要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。,由于fs由晶振(fc)分频得到，设fs=fc/k，则 于是，频率测量的误差表达式可写成：,4.4.2 频率测量误差分析,1.量化误差,fx=N/Ts=Nfs,2.标准频率误差,4.4.2 频率测量误差分析,3.触发误差 尖峰脉冲的干扰: 引起触

16、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。,4. 减小测频误差方法的分析 当 一定，增加闸门时间可以提高测频分辨力和准确度。 当闸门时间一定， 越高，测频准确度越高。 为减小量化误差，需增大计数值N：增大闸门时间Ts或在相同的闸门时间内测量较高的频率可得到较大的N。 测频准确度极限 （量化误差低于标准频率误差）,例 被测频率fx1MHz，选择闸门时间Ts1s，则由1误差产生的测频误差(不考虑标准频率误差)为： 若Ts增加为10s，则计数值增加10倍，相应的测频误差也降低10倍，为1107，但测量时间将延长10倍。 注意：该例中，当选择闸门时间Ts1s时，要求标准频率误差优于1107 （即比量化误差高一个数量级），否则，标准频率误差在总测量误差中不能忽略。,实例分析,另：fx= 10Hz，T=1s，则由1误差引起的测频误差可达10，