电子测量技术基础ppt课件4时间与频率的测量

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1、,第四章 时间与频率的测量,4.1 概述 4.2 时间与频率的原始基准 4.3 频率和时间的测量原理 4.4 电子计数器的组成原理和测量功能 4.5 电子计数器的测量误差 4.6 高分辨时间和频率测量技术,4.1 概述,1）时间和频率的定义 时间有两个含义： “时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。 频率的定义：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，则频率可表达为： fN/T,时间与频率的关系：可以互相转换。,2) 时频测量的特点,最常见和最重要的测量 时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极

2、为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。 测量准确度高 自动化程度高 测量速度快,4.1 概述,时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。 因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。,3）测量方法概述,频率的测量方法可以分为：,频率测量方法,电容充放电法,电子计数器法,4.2 时间与频率标准,4.2.1 时间与频率的原始标准 1）天文时标 2）原子时标 4.2.2 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标,4.2.1 时间与频率的原始标准,原始标准应具有恒定不变性。 频率和时间互为

3、倒数，其标准具有一致性。 宏观标准和微观标准 宏观标准：基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。,1）天文时标,世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(246060)=1/86400为1秒。 其误差约为107量级。 为世界时确定时间观测的参考点，得到： 平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的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）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。,1）天文时标,第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正

4、得到。准确度为3108 。 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1109 。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。,基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足： 设备庞大、操作麻烦； 观测时间长；,准确度有限。,2）原子时标,原子时标（AT）的量子电子学基础 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为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-

5、m为吸收或辐射的电磁波频率。,2）原子时标,原子时标的定义 1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“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的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”。 1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4-5个量级，达510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。,2）原子时标,原子钟 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟 准确度：10-1310-14。 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。 铷原子钟 准确度： 10-11

6、，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。 氢原子钟 短期稳定度高：10-1410-15，但准确度较低（10-12）。,4.2.2 石英晶体振荡器,电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。 基于压电效应产生稳定的频率输出： 石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。,4.2.2 石英晶体振荡器,晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。 采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频

7、率输出。,晶体振荡器的主要指标有: 输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波动:210-10 ；日老化:110-10；秒稳:510-12。 输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50)。 几种不同类型的晶体振荡器指标,4.2.2 石英晶体振荡器,4.3 时间和频率的测量原理,4.3.1 模拟测量原理 1）直接法 2）比较法 4.3.2 数字测量原理 1）门控计数法测量原理 2）通用计数器的基本组成,4.3.1 模拟测量原理,1）直接法 直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，可分为谐振法和电桥法两种。 （1）谐振法：被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行

8、松耦合。 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)，则,可测量1500MHz以下的频率，准确度(0.251)%。,可测量1500MHz以下的频率，准确度(0.251)%。,( 2）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，通常采用文氏电桥来进行测量。 调节R1、R2使电桥达到平衡，则有,1）直接法,令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到： 于是，被测信号频率为： 通常取R1=R2=R, C1=C2=C，则 测量准确度影响因素： 桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度和被测信号的频谱纯度 准确度不高，一般约为(0.51)%。,1）直接法,2）

9、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。 主要有拍频法、外差法、示波法以及计数法等。 数学模型为：,2）比较法,拍频法 将被测信号与标准信号经线性元件(如耳机、电压表)直接进行叠加来实现频率测量。,当两个音频信号逐渐靠近时,耳机中可以听到两个高低不同的音调。当两频率靠近到差值不到46Hz时,就只能听到一个近于单一音调的声音,且作周期性的变化,电压表指针有规律地来回摆动,示波器上则可得到如图(b)所示的波形。 拍频法通常只用于音频的测量,而不宜用于高频测量。,差频法 利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量：常用于高频段测频 fx和fs两个信号经

10、混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号,该差频信号落在音频信号范围内,调节标准信号频率,当耳机中听不到声音时,表明两个信号频率近似相等。,2）比较法,示波法（下一章） 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(椭圆或圆); 测周期法：直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周期，进而得到频率。,2）比较法,4.3.2 数字测量原理,1）门控计数法测量原理 时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N)，根据fx=N/T得到频率值。 为实现时间（这里指

11、时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。 测量原理 将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。,4.3.2 数字测量原理,1）门控计数法测量原理 时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N)，根据fx=N/T得到频率值。 为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（

12、称为时标）进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。 测量原理 将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。,4.3.2 数字测量原理,闸门可由一个与（或“或”）逻辑门电路实现。这种测量方法称为门控计数法。 测频时，闸门开启时间（闸门时间）即为采样时间。 测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。,4.4 电子计数器的组成原理和测量功能,4.4.1 电子计数器的组成 1）A、B输入通道 2）主门电路 3）计数与显示电路 4）时基产生电路 5）控制电路 4.4.

13、2 电子计数器的测量功能 1）频率测量 2）频率比测量 3）周期测量 4）时间间隔测量 5）自检,4.4 电子计数器的组成原理和测量功能,4.4.1 电子计数器主要电路,通用电子计数器主要由输入通道、计数显示电路、标准时间产生电路和逻辑控制电路组成。,1输入通道 电子计数器一般设置2个或3个输入通道，记作A、B、C。 A通道用于测频、自校； B通道用于测周期； B、C通道合起来测时间间隔；,A、B通道合起来测频率比。,4.4.1 电子计数器主要电路,通用电子计数器主要由输入通道、计数显示电路、标准时间产生电路和逻辑控制电路组成。,1输入通道 （1）A通道:计数脉冲信号的通道。 它对输入信号进行

14、放大整形、变换，输出计数脉冲信号。 计数脉冲信号经过闸门进入十进制计数器，是十进制计数器的触发脉冲源。,（2）B通道:闸门时间信号的通道，用于控制闸门的开启和关闭。 输入信号经整形后用来触发门控电路（双稳态触发器）使其状态翻转，以一个脉冲开启闸门，而以随后的一个脉冲关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门时间。在此期间，十进制计数器对经过A通道的计数脉冲进行计数。,4.4.1 电子计数器主要电路,为保证信号能够在一定的电平时触发，输入端可以对输入信号的电平进行连续调节，并且可以任意选择所需的触发脉冲极性。 有的通用计数器闸门时间信号通道有B、C两个通道。B通道用作门控电路的启动通道，使门控电路状态翻转

15、；C通道用作门控电路停止通道，使其复原。,4.4.1 电子计数器主要电路,2、计数显示电路 计数显示电路是一个十进制计数显示电路，用于对通过闸门的脉冲（即计数脉冲）进行计数，并以十进制方式显示计数结果。 3、标准时间产生电路 标准时间信号由石英晶体振荡器提供，作为电子计数器的内部时间基准。 测量周期（测周）时，标准时间信号经过放大整形和倍频（或分频），用作测量周期或时间的计数脉冲，称为时标信号； 测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。,4.4.1 电子计数器主要电路,4、逻辑控制电路 逻辑控制电路产生各种控制信号，用于控制电

16、子计数器各单元电路的协调工作。 每一次测量的工作程序一般是： 准备计数显示复零准备下次测量。,4.4.1 电子计数器主要电路,1、测量频率 周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率 f=N/T 式中，T为时间，单位为“s”；N为在时间T内周期性现象的重复次数。 电子计数器测频原理框图如图所示。,4.4.2电子计数器的测量功能,被测信号经放大整形形成频率为mfx的计数脉冲,作为闸门的输入信号； 门控电路输出门控信号控制闸门的启闭，闸门开启时间等于分频器输出信号周期KfTs 只有当闸门开启时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制计数器去计数,设计数结果为N。则存在关系：,N=KfTsfx,如果被测信号经过放大整形后再经过m次倍频,则满足：,N=mKfTsfx,N为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数；fx为被测信号频率，其倒数为周期Tx；Ts为晶振信号周期；m为倍频次数；Kf为分频次数，调节Kf的旋钮称为“闸门时间选择”（或“时基选择”）开关，与Ts的乘积