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1、第第4 4章章 时间与频率测量时间与频率测量 4.14.1概述概述 4.24.2时间与频率标准时间与频率标准 4.34.3频率与时间的测量原理频率与时间的测量原理 4.44.4高分辨时间与频率测量技术高分辨时间与频率测量技术 4.54.5微波频率测量技术微波频率测量技术 4.64.6频率稳定度测量与频率比对频率稳定度测量与频率比对 4.74.7调制域测量技术调制域测量技术 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
2、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
3、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、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,Universa
4、l 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。 2.2.原子时标原子时标 (1)原子时标(AT)的量子电子学
5、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: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、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
6、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) 。 2.2.原子时标原子时标 (3)原子频率标准(原子钟) 原子时标的实物仪器,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 ? 北斗原子钟 3 3 石
7、英晶体振荡器石英晶体振荡器 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 3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 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
8、度和适用范围 差频法 拍频法 示波法 电桥法 谐振法 比较法 直读法 李沙育图形法 测周期法 模拟法 频率测 量方法 数字法 电容充放电法 电子计数器法 4.3 时间与频率测量原理 4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理 1.1.直接法直接法 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)%。 ( 2( 2)电桥法)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
9、=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)%。 2.2.模拟测量模拟测量比较法比较法 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
10、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 4.3.2 数字测量原理数字测量原理 门控计数法门控计数法 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。 “闸门”控制:将需累加计数的信号(频率测量时
11、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 1 频率测量频率测量 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。 TB 放大、整形 闸 门 门控电路 计数 显示 A fx 分频电路 时基Ts 2.2.频率比的测量频率比的测量 3.3.周期的测量周期的测量: : “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
12、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、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。 4.4.时间间隔的测量时间间隔的测量 4.3.3 4.3.3 数字时间与频率测量的误差数字时间与频率测量的误差 1 1 误差来源误差来源 (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
13、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 2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析 (1)误差表达式 fx=N/Ts=Nfs (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 3 周期测量的误差分析周期测量的误差分析 (1)1)误差表达式误差表达式 (2)(2)中界频率中界频率 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
14、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,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 1.1.电子计数器的分类电子计数器的分类 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,
15、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) 2.2.电子计数器的主要技术指标电子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、10
16、0ms、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。 3.3.通用计数器的组成原理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。 数字显示器 寄存器 十进制 计数器 A通道(放 大、整形) B通道(放 大、整形) 主 门 功能开关 闸门选择、周期倍乘 10 10 10 10 10s(104) 1s(103) 100ms (102) 10ms(10) 1ms(1) 时标选择 1 2 3 4 5 33 2 1 1 2 4 4 5 时基部分 10 10 10 10 10 1ms 0.1ms 10us 1us 0.1u