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1、第3章 频率时间测量,3.1 概 述 3.2 电子计数法测量频率 3.3 电子计数法测量时间 3.4 通用电子计数器 3.5 调制域测量,本章要点：,时频关系与时频标准及频率的测量方法 电子计数法测频、测周的原理与误差分析 通用计数器的功能与应用及其性能改进的方法 频率稳定度的概念、表征方法和时域、频域测量原理 调制域测量的原理与应用,3.1 概 述,一、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。 “时间”，在一般概念中有两种含义：一是指“时刻”，回答某事件或现象何时发生的。二是指“间隔”，即两个时刻之间的间隔，回答某现象或事件持
2、续多久。,图3.1 时刻、时间间隔示意图,2频率的定义与标准,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。,频率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,二、时频基准,1世界时(UT)秒 定义地球自转周期的186400作为世界时的1秒。,1960年，国际计量大会决定采用以地球公转运动为基础的历书时(ET)秒作为时间单位，将1900年1月1日0时整起算的回归年的1315569259747作为1秒。按此定义复现秒的准确度提高到十亿分之1秒，即110-9。,2原子时(AT)秒秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级F
3、=4，mF=0和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续9 192 631 770个周期的时间 ，其准确度可达510-14 。,3协调世界时(UTC)秒 其准确度优于2l0-11,三、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；而对于各种等级的频率标准，则应在110-8110-13量级之间。,根据测量方法的原理，对测量频率的
4、方法大体上可作如下分类：,3.2 电子计数法测量频率,一、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,(3.2),图3.3 测频原理图,图3.4 计数式频率计框图、波形图,（1）实现量化的比较电路； （2）被转换量的输入电路； （3）量化的标准单位（T0或F0）的产生电路； （4）转换结果N的计数与显示电路。,图3.4 计数式频率计框图、波形图,(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。（标准性、多值性）(2)计数脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。(3)计数显示电路。这部分电路的
5、作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。(4)控制电路。控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照“复零测量显示”的程序自动地进行 。,二、误差分析计算,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，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既便在相同的主门开启时间T(先假定标准时间相对误 差为零)内，计数器所计得的数却不一定相同，这便是量化误差(又称脉冲计数误差)即1误差产生的原因。,图3.7 脉冲计数误差示意图,图 3.7中T为
6、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，图中N6)，由图可见，,脉冲计数最大绝对误差即1误差,联系上式，写脉冲计数最大相对误差为,结论：脉冲计数相对误差与被测信号频率和闸门时间成反比。即被测信号频率越高、闸门时间越宽，此项相对误差越小。,2闸门时间误差(标准时间误差)闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc。(周期为Tc)，分频系数为m，所以有,对上式微分，
7、得,由上两式可知,闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差。,三、结论,计数器直接测频的误差主要有两项，即1误差和标准频率误差。一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即,测量低频时，由于l误差产生的测频误差大得惊人,所以,测量低频时，宜采用直接测频方法。,3.3 电子计数法测量时间,一、电子计数法测量周期的原理,图3.9 计数法测量时间原理框图,测周电路,测频电路,图3.10 图3.9中各点波形,图3.10 图3.9中各点波形,二、电子计数器测量周期的误差分析,1量化误差和基准频率误差,而N=1,2触发转换误差,设被测信号为正弦波,实际上，UBUm得,3多周期测量,4结论,用计数器直接测周
8、的误差主要有3项，即量化误差、转换误差及标准频率误差，其合成误差可按下式计算,采用多周期测量可提高测量准确度；,提高标准频率，可以提高测周分辨率；,测量过程中尽可能提高信噪比UmUn,三、中界频率,fM为中界频率，fc为标准频率，T为闸门时间,当fxfM时，宜测频； 当fxfM时，宜测周。,四、时间间隔的测量,1基本原理,2相位测量,3脉冲宽度测量,3.4 通用电子计数器,一、概述,1分类,1)通用计数器,2)频率计数器,3)时间计数器,4)特种计数器,2通用计数器技术特性,二、通用计数器的功能,1自检,2频率比(AB)的测量,3累加计数(计数A的测量),4计时,三、 单片通用计数器,1输入通
9、道电路,2频率扩展电路,3LED显示器,4晶体振荡回路,5控制开关与按键,E312A型通用计数器的技术指标如下。 测频范围：1Hz10MHz 最小输入电压：正弦波时为30mV，脉冲波时为0.1V(峰峰值) 闸门时间：10ms，0.1s，1s，10s 周期测量范围：l0s0.4ms，倍乘1，10，100，103 标准频率：5MHz晶振，倍频后10MHz 准确度和稳定度：510-8,35 调制域测量,一、调制域测量的概念,所谓调制域，是指由频率轴（F）和时间轴（T）共同构成的平面域，在这一平面域中清楚地反映了信号的频率随时间调制的情况。,适用于分析信号频率、相位、时间间隔等随时间变换的特性。,二、
10、调制域分析的关键技术,关键技术：实现动态连续地测量频率,复零准备开门计数关门读数,无死区时间计数器（Zero Dead Time Counter ），简称ZDT计数器,T1=N1T0， f1=1/T1=f0/N1 T2=N2T0， f2=1/T2=f0/N2,三、调制域分析仪的应用,调制域分析仪的主要测量对象为：频率，周期，时间间隔(正负时间间隔、连续时间间隔)，实时运算的时间间隔直方图，相位偏移(单通道)和A相对B的相位，时间偏差(抖动)。专门测量(包括脉冲宽度、占空比和上升下降时间)等，可直接通过各种不同的测量方法获取结果。,调制域分析仪的主要分析功能有：频率、相位、时间间隔相对于时间轴的变化显示，单次或多次平均，任何测量结果的直方图显示，测量结果数值显示，调制分析(峰峰偏移、中心频率、调制速率)，抖动频谱分析，各种参数统计(平均、最大、最小、方差、均方差、有效值、概率)，阿伦方差计算等。,1直接观测频率变化(调制),2信号抖动测试,3对抖动的频谱分析,4跳频通信对抗中的应用,
