电子测量技术第05章讲解

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1、第5章 频率时间测量 第 5 章 频率时间测量 5.1 概述 5.2 电子计数法测量频率 5.3 电子计数法测量周期 5.4 电子计数法测量时间间隔 5.5 典型通用电子计数器E-312 5.6 测量频率的其他方法 小结 习题5 第5章 频率时间测量 5.1 概 述 5.1.1 时间、频率的基本概念 1. 时间的定义与标准 时间是国际单位制中七个基本物理量之一，它的基本 单位是秒，用s表示。在年历计时中因秒的单位太小，故 常用日、星期、月、年；在电子测量中有时又因秒的单位 太大，故常用毫秒(ms，10-3 s)、微秒(s，10-6 s)、纳秒(ns ，10-9 s)、皮秒(ps，10-12 s

2、)。 第5章 频率时间测量 “时间”在一般概念中有两种含义： “时刻”：回答某事件或现象何时发生，例如图5.1-1中的 矩形脉冲信号在t1时刻开始出现，在t2时刻消失； “间隔”：即两个时刻之间的间隔，回答某现象或事件持 续多久，例如图5.1-1中，t=t2t1表示t1、t2这两个时刻 之间的间隔，即矩形脉冲持续的时间长度。 “时刻”与“间隔”二者的测量方法不同。 第5章 频率时间测量 图5.1-1 时刻、间隔示意图 第5章 频率时间测量 “一天”：地球自转一周所需要的时间，它的1/86400定 为1秒。地球自转速度受季节等因素的影响，要经常进行修 正。 地球的公转周期稳定，在1956年正式定

3、义1899年12月 31日12时起始的回归年(太阳连续两次“经过”春分点所经历 的时间)长度的1/31 556 925.974 7为1秒。 近几十年来，出现了以原子秒为基础的时间标准，称 为原子时标，简称为原子钟。 第5章 频率时间测量 秒的定义为：“铯133原子(Cs133)基态的两个超精细能 级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期所持续的时 间。”现在各国标准时号发播台所发送的是协调世界时标 (UTC)，其准确度优于210-11。 陕西天文台是规模较大的 现代化授时中心，它有发播时 间与频率的专用电台。台内有 铯原子钟作为我国原子时间标 准，它能够保持三万年以上才 有正负

4、一秒的偏差。中央人民 广播电台的报时声就是由陕西 天文台授时给北京天文台的。 第5章 频率时间测量 说明： “时间”具有流逝性，时间总是在改变着，不可能 让其停留或保持住。 用标准尺校准普通尺子时，你可以把它们靠在一起作任意多 次的测量，从而得到较高的测量准确度。但测量“时刻”时却不能 这样，当延长测量时间时，所要测量的“时刻”已经流逝成为“过去 ”了。 第5章 频率时间测量 2. 频率的定义与标准 生活中的“周期”现象人们早已熟悉，如地球自转的日 出、日落现象是确定的周期现象，重力摆或平衡摆轮的摆 动、电子学中的电磁振荡也都是确定的周期现象。 周期过程重复出现一次所需要的时间称为它的周期，

5、记为T。在数学中，把这类具有周期性的现象概括为一种函 数关系来描述，即 F(t)=F(t+mT) (5.1-1) 式中，m为整实数，即m=0，1，；t为描述周期过程的 时间变量；T为周期过程的周期。 第5章 频率时间测量 频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数 ，记为f。联系周期与频率的定义，f与T之间有下述重要关系 ， (5.1- 2) 若周期T的单位是秒，那么由式(5.1-2)可知频率的单位就是 1/秒，即赫兹(Hz)。 第5章 频率时间测量 对于简谐振动、电磁振荡这类周期现象，可用更加明 确的三角函数关系描述。设函数为电压函数，则可写为 u(t)=Um sin(t+j) (5.

6、1-3) 式中，Um为电压的振幅；为角频率，=2f；j为初相位 。 整个电磁频谱有各种各样的划分方式。表5.1-1给出了 国际无线电咨询委员会规定的频段划分范围。 在电子测量技术中，以100 kHz为界划分频率， 100 kHz 以下称低频测量， 100 kHz以上称高频测量。 第5章 频率时间测量 第5章 频率时间测量 石英有很高的机械稳定性和热稳定性，它的振荡频率稳 定，达到10-10的频率稳定度，又加之石英振荡器结构简单， 制造、维护、使用都较方便，其精确度能满足大多数电子设 备的需要，所以已成为频率标准源。 近代最准确的频率标准是原子频率标准，简称为原子频 标。原子频标有许多种，其中铯

7、束原子频标的稳定性、制造 重复性较好，因而高标准的频率标准源大多采用铯束原子频 标。 第5章 频率时间测量 时间标准和频率标准具有同一性：可由时间标准导出 频率标准，也可由频率标准导出时间标准（由前面所述的 铯原子时标秒的定义与铯原子频标赫兹的定义即可理解 ） 。 因此，不再区分时间和频率标准，而统称为时频标准 。 第5章 频率时间测量 3. 标准时频的传递 在当代实际生活、工作和科学研究中，人们越来越感 觉到有统一的时间频率标准的重要性。 通常时频标准采用下述两类方法提供给用户使用： 其一，称为本地比较法。将要校准的装置置于标准源 处，或通过电缆把标准信号送到需要的地方，然后通 过中间测试设

8、备进行比对。 l 优点：外界干扰可减至最小，标准的性能得以充分 利用； l 缺点是作用距离有限。 第5章 频率时间测量 发送-接收标准电磁波法： 标准源将标准电磁波发送出去，用户用相应的接收设备 将标准电磁波接收，便可得到标准时频信号，并与自己的装 置进行比对测量。 *例如，甚长波中有美国海军导航台的NWC信号(22.3 kHz)、英国的 GBR信号(16 kHz) ；长波中有美国的罗兰C信号(100 kHz)、中国的BPL信 号(100 kHz)；短波中有日本的JJY信号、中国的BPM信号(5、10、15 MHz)；微波中有电视网络等。 第5章 频率时间测量 与其他物理量的测量相比，频率(时

9、间)的测量具有下述 几个特点： (1) 测量精度高。由于有着各种等级的时频标准源(如前 述的晶体振荡器时钟、铯原子时钟等)，而且采用无线电波 传递标准时频，因此在人们能进行测量的成千上万个物理 量中，频率(时间)测量所能达到的分辨率和准确度是最高的 。 第5章 频率时间测量 (2) 测量范围广。现代科学技术中所涉及的频率范围是 极其宽广的，从0.01 Hz甚至更低频率 1012 Hz以上。处于 这么宽范围内的频率都可以做到高精度的测量。 (3) 频率信息的传输和处理(如倍频、分频和混频等)都 比较容易，并且精确度也很高，这使得对各不同频段的频 率测量能机动、灵活地实施。 第5章 频率时间测量

10、5.1.2 频率测量方法概述 对于频率测量所提出的要求，取决于所测频率范围和 测量任务。例如： l在实验室中研究频率对谐振回路、电阻值、电容的损耗角或其他被研 究电参量的影响时，能将频率测到110-2量级的精确度就足够； l对于广播发射机的频率测量，在110-5 量级； l对于单边带通信机，在110-7量级； l对于各种等级的频率标准，在110-8110-13量级之间。 第5章 频率时间测量 根据测量方法的原理，对测量频率的方法大体上可作如 图5.1-2所示的分类。 第5章 频率时间测量 最好的测量方法：由于数字电路的飞速发展和数字集 成电路的普及，计数器的应用已十分广泛。利用电子计数 器测量

11、频率具有精确度高，显示醒目直观，测量迅速，以 及便于实现测量过程自动化等一系列优点。 是我们需重点、详细讨论的测频方法。 第5章 频率时间测量 5.2 电子计数法测量频率 5.2.1 电子计数法测频原理 若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则根据频率 的定义可知该信号的频率fx为 通常T取1 s或其他十进制时间，如10 s、0.1 s、0.01 s等。 (5.2-1) 第5章 频率时间测量 第5章 频率时间测量 图5.2-1(a)是计数式频率计的测频框图。它包含： (1) 时间基准T产生电路 作用：产生计数时间T。 组成：石英晶体振荡器、分频整形电路、门控(双稳)电 路。 工作原理：晶体振荡

12、器输出的正弦信号(频率为fc，周期 为Tc)经m分频得周期为T=mTc的脉冲，以此脉冲触发一个双 稳电路，输出宽度为基准时间T的脉冲ub （闸门时间脉冲） 。 第5章 频率时间测量 (2) 计数脉冲形成电路 作用：将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。 组成：放大整形电路、主门(与门)电路。 工作原理：被测输入周期信号(频率为fx，周期为Tx)经 放大整形得周期为Tx的窄脉冲ua，送主门的一个输入端。主 门的另一控制端输入的是时间基准产生电路产生的闸门脉 冲。在闸门脉冲开启主门期间，周期为Tx的窄脉冲才能经过 主门，在主门的输出端产生输出uc，输入给计数器进行计数 。 第5章 频率时间测量 (

13、3) 计数显示电路 作用：计数被测周期信号重复的次数，同时显示被测 信号的频率。 组成：计数电路、控制(逻辑)电路、译码器、显示器 。 工作原理：在控制(逻辑)电路的控制下，计数器对主 门输出的计数脉冲实施二进制计数，其输出经译码器转换 为十进制数，输出到显示器。因时基T都是10的整数次幂， 所以显示出的十进制数就是被测信号的频率（注意：其单 位可能是Hz、kHz或MHz。 第5章 频率时间测量 这部分电路中的控制逻辑用来控制计数器的工作程序( 准备计数显示复零准备下一次测量)。控制逻辑由 若干门电路和触发器组成的时序逻辑电路构成。时序逻辑 电路的时基也由闸门脉冲提供。 电子计数器的测频原理实

14、质上是以比较法为基础的。 第5章 频率时间测量 5.2.2 误差分析计算 误差分析的目的就是要找出引起测量误差的主要原因 ，从而有针对性地采取有效措施，减小测量误差，提高测 量的精确度。 虽然计数式测量频率的方法有许多优点，但也存在着 测量误差。 第5章 频率时间测量 将式(5.2-1)中的T、N均视为变量，按复合函数求导规则 运算，得dfx=(dN / T)(N / T2) dT，再用增量符号代替微分符 号，并考虑N / T=fx，T=N / fx ，得 (5.2-2) 从式(5.2-2)可以看出：电子计数测量频率方法引起的频率测 量相对误差，由计数器累计脉冲数相对误差和标准时间相对 误差两

15、部分组成。 因此，这两种相对误差相加，可得到频率测量总的相对误差 。 第5章 频率时间测量 1. 量化误差1误差 在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关 系是不相关的，即它们在时间轴上的相对位置是随机的。 我们得到以下的结论：即便在相同的主门开启时间T内，计 数器所计得的数也不一定相同，这便是量化误差（即1误 差）产生的原因。 第5章 频率时间测量 第5章 频率时间测量 图5.2-2中T为计数器的主门开启时间，Tx为被测信号周 期，t1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设 计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，t2为闸门关闭时刻至下 一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区间之内窄 脉冲个数，图5.2-2中N=6)，由图5.2-2可见： T =NTx+t1t2(5.2-3) (5.2-4) 第5章 频率时间测量 由于t1和t2都是不大于Tx的正时间量，由式(5.2-4)可以看出 ： (t1t2)虽然可能为正或负，但它们的绝对值不会大于Tx ，N的绝对值也不会大于1（即|N|1）。再联系N为计数 增量，它只能为实整数。