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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
