电子测量技术第05章

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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-3125.6 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、。 “时间”在一般概念中有两种含义：一是指“时刻”。第5章 频率时间测量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； 二是指“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”二者的测量方法是不同的。第5章 频率时间测量图5.1-1 时刻、 间隔示意图第5章 频率时间测量人们早期把地球自转一周所需要的时间定为一天， 把它的1/86 400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

3、周期相当稳定， 在1956年正式定义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。 由于回归年不受地球自转速度的影响， 因此秒的定义更加确切。 但观测比较困难， 不能立即得到， 不便于作为测量过程的参照标准。 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 频率时间测量在1967年第十三届国际计量大会上通过的秒的定义为：“秒是铯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

4、是协调世界时标(UTC)， 其准确度优于210-11。 我国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一秒的偏差。 第5章 频率时间测量中央人民广播电台的北京报时声就是由陕西天文台授时给北京天文台， 再通过中央人民广播电台播发的。 需要说明的是， 时间标准并不像米尺或砝码那样的标准， 因为“时间”具有流逝性。 换言之， 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。 但在测量“时刻”时却不能这样， 当你延长测

5、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。 自然界中类似上述周而复始重复出现的事物或事件还可以举出很多， 这里不能一一列举。周期过程重复出现一次所需要的时间称为它的周期， 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， 即第5章 频率时间测量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

6、周期。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， 不难看出f与T之间有下述重要关系， 即(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) (5.1-3)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。第5章 频率时间测量在微波技术中，

7、通常按波长划分为米、 分米、 厘米、 毫米、 亚毫米波。 在无线电广播中， 则划分为长、 中、 短三个波段。 在电视中， 把48.5223 MHz按每频道占据8 MHz范围带宽划分为112频道。 总之， 频率的划分完全是根据各部门、 各学科的需要来划分的。 在电子测量技术中， 常以100 kHz为界， 以下称低频测量， 以上称高频测量。第5章 频率时间测量第5章 频率时间测量常用的频率标准为晶体振荡石英钟， 它使用在一般的电子设备与系统中。 由于石英有很高的机械稳定性和热稳定性， 它的振荡频率受外界因素的影响小， 因而比较稳定， 可以达到10-10的频率稳定度， 又加之石英振荡器结构简单， 制

8、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， 所以已成为人们青睐的频率标准源。 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 频率时间测量原子频标的原理是： 原子处于一定的量子能级， 当它从一个能级跃迁到另一个能级时， 将辐射或吸收一定频率的电磁波， 由于原子本身结构及其运动具有永恒性， 因此原子频标比天文频标和石英钟频标都稳定。 铯-133原子两个能级之间的跃迁频率为9192.631 770 MHz， 利用铯原子源射出的原子束在磁间隙中获得偏

9、转， 在谐振腔中激励起微波交变磁场， 当其频率等于跃迁频率时， 原子束穿过间隙， 向检测器汇集， 从而就获得了铯束原子频标。 第5章 频率时间测量原子频标的准确度可达10-13， 它广泛应用于航天飞行器的导航、 监测、 控制的频标源。 这里应明确， 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很容易理解这一点。 一般情况下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。 一个群体

10、或一个系统的各部件的同步运作或确定运作的先后次序都迫切需要一个统一的时频标准。 例如我国铁路、 航空、 航海 运行时刻表是由“北京时间”即我国铯原子时频标准来制定的， 我国各省、 各地区乃至每个单位、 家庭、 个人的“时频”都应统一在这一时频标准上。 如何统一呢? 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。 第5章 频率时间测量就是用户把自己要校准的装置搬到拥有标准源的地方， 或者由有标准源的主控室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备进行比对。 使用这类方法时， 由于环境条件可控制得很好， 外界干扰可减至最小， 因此标准的性能得以最充分利用。 缺

11、点是作用距离有限， 远距离用户要将自己的装置搬来搬去， 会带来许多问题和麻烦。 其二是发送-接收标准电磁波法。 这里所说的标准电磁波是指其时间频率受标准源控制的电磁波， 或含有标准时频信息的电磁波。第5章 频率时间测量拥有标准源的地方通过发射设备将上述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下来， 便可得到标准时频信号， 并与自己的装置进行比对测量。 现在， 从甚长波到微波的无线电的各频段都有标准电磁波广播。 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(

12、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。 用标准电磁波传送标准时频是时频量值传递与其他物理量传递方法显著不同的地方， 它极大地扩大了时频精确测量的范围， 大大提高了远距离时频的精确测量水平。第5章 频率时间测量与其他物理量的测量相比， 频率(时间)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方便、 迅速、 实用， 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

13、 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， 从百分之一赫兹甚至更低频率开始， 一直到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， 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量级的精确度或稍高一点也就足够了； 对于广播发射机

14、的频率测量， 其精确度应达到110-5 量级； 对于单边带通信机， 则应优于110-7量级； 对于各种等级的频率标准， 则应在110-8110-13量级之间。第5章 频率时间测量由此可见， 对频率测量来讲， 不同的测量对象与任务对其测量精确度的要求十分悬殊。 测试方法是否可以简单， 所使用的仪器是否可以低廉完全取决于对测量精确度的要求。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 频率时间测量图5.1-2 测量频率方法的分类第5章 频率时间测量直读法又称利用无源网络频率特性测频法， 它包含有电桥法和谐振法。 比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较， 通过

15、观、 听比较结果， 获得被测信号的频率。 属比较法的有拍频法、 差频法和示波法。 关于模拟法 测频诸方法的原理将在5.6节中作介绍。 计数法有电容充放电式和电子计数式两种。 前者利用电子电路控制电容器充、 放电的次数， 再用磁电式仪表测量充、 放电电流的大小， 从而指示出被测信号的频率值； 后者是根据频率的定义进行测量的一种方法， 它用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。 第5章 频率时间测量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突出

16、优点， 所以该法是目前最好的， 也是我们将要重点、 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fx= (5.2-1)通常T取1 s或其他十进制时间， 如10 s、 0.1 s、 0.01 s等。图5.2-1(a)是计数式频率计测频的框图。 它主要由下列三部分组成。第5章 频率时间测量(1) 时间基准T产生电路。 这部分的作用就是提供准确的计数时间T。 它一般由高稳定度的石英晶体振荡器、 分频整形电路与门控(双稳)电路组成。 晶体振荡器输出的正弦信号(频率为fc， 周期为Tc)经m次分频、 整形得周期为T=mTc的窄脉冲， 以此窄脉冲触发一个双稳(即门控)电路， 从门控电路输出端即得所需要的宽度为基准时间T的脉冲， 它又称为闸门时间脉冲。 为了测量需要， 在实际的电子计数式频率计中， 时间基准选择开关分若干个挡位，