电子测量技术 教学课件 ppt 作者 夏哲雷 第4章

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1、1,时间频率测量及 调制域分析,第4章,3,第4章时间频率测量及调制域分析,4.1 时间频率测量 4.2 电子计数器 4.3 电子计数器测量误差分析 4.4 电子计数器性能的改进 4.5 调制域测量,4.1 时间频率测量,5,4.1.1 时间和频率的基本概念,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(s)。 时间有两种含义： 时刻：回答某事件或现象何时发生t1 间隔：两个时刻之间的间隔,回答某事件或现象持续多久 “时刻”“间隔”二者测量方法 是不同的。,6,时频关系,频率标准时间标准 电子表 走时是否准确取决于石英晶体振荡器 设石英晶体振荡器日频率稳定度为10-6,日误差:,时间

2、准确度取决于频率准确度,其标准相同,7,4.1.2 时间频率基准,UT：以地球自转周期为标准测定的时间 UT0(零类世界时)：直接通过天文观察求得的时间秒 1秒=地球自转周期1/84600 准确度10-6 UT1(第一类世界时)：地球自转受极运动的影响,校正了这个偏差而得到世界时 UT2(第二类世界时)：再把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时 准确度310-8 ET(历书时)：1900回归年(太阳连续两次经过春分点所经历的时间)长度的 13 1556 925. 974 7为1s。 准确度110-9,8,时间频率基准,近来引进了微观计时标准,这就是利用原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收

3、的电磁波的频率为基准来计量时间。 1967年10月13届国际计量大会正式通过了秒的定义 AT(原子时)：“秒是Cs133原子基态的两个超精细能极之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。 准确度10-13 10-14,9,时间频率基准,世界时和原子时之间互有联系,可以精确运算，但不能彼此取代,各有各的用处。 原子时：只能提供准确的时间间隔 世界时：考虑了时刻和时间间隔。 目前国际上已应用经过原子标准修正过的时间来发送标准,用原子时来对天文时进行修正。 UTC (协调世界时)： 是一种采用国际原子时TAI的速率(即以原子秒定义为秒长),但通过闰秒方法使其时刻与世界时UT1接

4、近的时间尺度。 协调世界时是原子时和世界时UT1的一种折衷产物。,10,频率标准,原子频率标准(原子频标) 一级 原子频标有许多种,高标准的频率标准源大多采用铯束原子频标,它的稳定性、制作重复性较好。原子频标的准确度可达10-13。 高精度石英晶体振荡器 二级 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,频率稳定度可达到10-10。 时间标准和频率标准具有同一性。,11,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。但是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

5、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、高准确的频率输出。,12,标准时频的传递,本地比较法： 用户把自己要核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。 发送接收标准电磁波法 拥有标准源的地方通过发射设备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。 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。,

6、13,4.1.3 时间频率测量的特点和方法,测量精度高 频率(时间)测量所达到的分辨率和准确度是最高的10-14 测量范围广 0.01Hz以下1012 Hz以上，都可以做到高精度的测量 频率(时间)的测量具有动态性质,即时间频率总在改变着。 必须依靠信号源和钟的稳定性,期望后一周期是前一周期的准确复现 信号可以通过电磁波传播,扩大了时间频率的比对和测量范围 如GPS卫星导航系统,可实现全球范围最高准确度的时频比对和测量,14,频率测量方法,15,频率测量方法概述,由于频率是时间的倒数,时间和频率共用一个标准源,并由频率导出时间,所以在实际中往往更多的讨论频率测量。 直接利用电路的某种频率响应特

7、性来测量频率 电桥法和谐振法 利用标准频率和被测频率进行比较来测量频率 拍频法、外差法、示波器法以及计数器测频 由于数字电路的发展和数字集成电路的普及,利用电子计数器测量时间和频率具有精度高,使用方便,迅速以及便于实现测量过程自动化等一系列突出优点,成为近代频率测量的重要手段。,4.2 电子计数器,17,4.2.1 电子计数器的功能与组成,计数器通常具有三种主要功能 累计计数对输入信号连续地计数 频率测量在确定的时间内对输入信号计数 时间测量对周期准确的时标信号计数 在三种主要功能的基础上,可扩展多种功能 测脉冲宽度 测时间差 测相位 测频率比 自检,18,电子计数器测频基本原理,由图可见：,

8、T =1s,因此：,实现了测频原理“定时计数”,实质：比较法,19,电子计数器的基本原理,电子计数器的基本原理是基于比较法进行测量 根据频率(时间)的A/D转换原理来构成一个数字仪器,应包含： 实现量化的比较电路主门 被转换量的输入电路 量化单位fc (Tc)的产生电路 转换结果N的计数与显示电路 控制电路,电子计数器的基本组成,A,C,B,D,E,21,主门,主门也称为闸门 功能 通过“门控信号”控制进入计数器的脉冲,使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数 电路：由“与门”或“或门”构成。 由“与门”构成的主门,其“门控信号”为1时,允许计数脉冲通过； 由“或门”构成的主门,其“门控信

9、号”为0时，允许计数脉冲通过。 “门控信号”还可手动操作得到,如实现手动累加计数。,22,输入通道,组成 它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(包括触发电平调节)等单元电路构成 作用 对输入信号处理以产生符合计数要求(波形、幅度)的脉冲信号。,输入电路工作波形图,us,t,0,放大,t,t,t,0,0,0,整形,微分,A输入 (T0或Fx ),23,输入通道,通道组合可完成不同的测量功能： 被计数的信号(常从A通道输入)称为计数端；控制闸门开启的信号通道(常从B、C通道输入)称为控制端。 从计数端输入的信号有：被测信号(fx);内部时标信号等; 从控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号(Tx

10、)等；,24,时基产生电路,功能： 产生测频时的“门控信号”(多档闸门时间可选)及时间测量时的“时标”信号(多档可选)。 实现： 由内部晶体振荡器(也可外接),通过倍频或分频得到。 要求： 标准性:“门控信号”和“时标”作为计数器频率和时间测量的本地工作基准,应当具有高稳定度和高准确度。 多值性：为了适应计数器较宽的测量范围,要求“闸门时间”和“时标”可多档选择。,25,计数与显示电路,计数电路对通过主门的脉冲进行计数(计数值代表了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。 为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路 计数电路的重要指标：最高计数频率 计数电路一般由多级双稳态

11、电路构成,受内部状态翻转的时间限制,使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器,最高计数频率主要由个位计数器决定。 显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。,26,控制电路,功能： 产生各种控制信号,控制、协调各电路单元的工作 使整机按“复零测量显示”的工作程序完成自动测量的任务。,27,4.2.2.电子计数器测量频率和周期,根据频率的定义,若某一信号在T秒时间内重复变化了N次,则该信号的频率为：,门电路复习：,同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。,电子计数器测频原理,28,29,电子计数器测量频率,计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成,由于其开启时间为T,所以称为“闸门时间”。 闸

12、门时间通常以秒为单位,一般有10s,1s,0.1s, 0.01s等几种,为了获得较多的测量位数及测量精度,较长的闸门时间一般用来测量较低的频率 由于计数器的位数总是有限的,对于较高频率,则应选用较小的闸门时间,以免使测量数据溢出 当被测信号的频率太低时,闸门时间(测量时间)将会长到测量者无法忍受的程度。 例如,测量1Hz左右的信号频率,位数需达到6位,则闸门时间至少应为105s(约1个月),这显然是不可行的,30,电子计数器测周基本原理,对于较低频率信号宜采取先测量其周期T,然后再根据f x=1/Tx 的关系求得其频率 较低频率信号的周期较长,容易获得较高的测量精度 电子计数器测量周期的原理,

13、电子计数器测周原理,31,32,电子计数器测频误差分析,由 求得,量化误差,时基误差,33,累计计数,累计计数对输入信号连续地计数 传送带上的成品计数 剪票口、百货商店、展览会的入场人数统计 行人、自行车、船舶等交通量的测量 电线、钢板之类物体的长度测量 距离测量 流量测量 重量测量 液面位置测量,传送带上的物品,34,频率测量,频率测量在确定的时间内对输入信号计数 频率测量(RC振荡器、信号发生器等) 转速测量(内燃机、电动机、滚筒) 机械振动 流量测量 产速率测量,35,时间测量,时间测量对周期准确的时标信号计数 快门时间测量 继电器动作时间测量 体育运动比赛的计时 速度测量（汽车或火车等

14、运动中的物体、飞行中的物体、坠落的物体、流体） 水位、距离测量 粘度、力矩、功率的测量 相位差测量 化学试剂反应时间的测量,电子计数器的应用,36,距离的计数测量,用计数法测量子弹的飞行速度,37,电子自动裁判装置的显示精度虽然不超过百分之一秒,但是它能够鉴别五千分之一秒的时间差,能够极精确地判断到达终点的先后次序,能够清楚地区别出利用摄影技术也很难鉴别的时间差。,电子裁判,38,脉冲的宽度的测量,将测周原理中门控电路稍加改变,可测量多种时间 下图为脉冲宽度测量的原理图。它既可测正脉冲宽度,又可测负脉冲宽度。 输入的被测信号首先进入整形电路,该电路除将被测信号整形为陡峭方波外,还通过倒相输出一

15、对极性相反的信号,即图(b)中a,b点的信号。,测量脉冲的宽度时,开关S应闭合,39,时间间隔的测量,周期的测量,本质上也是时间间隔的测量 测量一个周期信号波形上两相邻同相位点之间的时间间隔。 我们还可把它扩展到同一信号波形上两个不同点之间的时间间隔的测量。,40,10s,基本时间间隔测量模式(a)组成方框图,时间间隔的测量,41,时间间隔的测量,42,时间间隔的测量,时间间隔的测量有两种工作方式： S断开,两个通道是完全独立的,来自两个信号源的信号控制计数器工作； 用于测量两个信号的时间差 两个独立的输入通道(B、C)可分别设置触发电平和触发极性(触发沿) B为起始通道,用来开启主门， C的

16、信号为计数器的终止信号,工作波形如图 S闭合,两个输入端并联,仅一个信号加到计数器,但可独立地选择触发电平和触发极性,以完成起始和终止功能。 用于测量一个信号任意两点间的时间间隔。,43,相位的测量,相位的测量实际是指两个同频周期性信号的相位差的测量 为了减小系统误差,利用触发沿选择开关 第一次都置于“+”则测得t1； 第二次置于“-”则测得t2，取平均可得准确值,44,测量频率比,频率比f1 f2是加于A、B两路的信号源的频率比值,45,自检,在用计数器作各种参数的测量之前,为了检验仪器本身逻辑关系是否正常,电子计数器中设置有自检(或称自校)功能。,自检,46,实际原理框图：,4.3 电子计数器 测量误差分析,计数误差,测频时,主门的开启时刻与计数脉冲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 计数器值N T通常不是Tx 的整数倍,N=9,若T=NTx ,如图T8T