电子测量05电子通信

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1、 第五章第五章 时间时间- -频率测量频率测量5.1 概述概述5.2 电子计数器测量频率电子计数器测量频率5.3 电子计数器测量时间电子计数器测量时间5.4 通用电子计数器通用电子计数器5.5 电子计数器性能的改进电子计数器性能的改进5.6 标准频率源的测量标准频率源的测量5.7 调制域测量调制域测量7/30/202415.15.1 概述概述一、时间与频率关系一、时间与频率关系二、时间频率基准二、时间频率基准三、时间频率测量的特点三、时间频率测量的特点四、测量方法四、测量方法7/30/20242指某事件发生的瞬间。如指某事件发生的瞬间。如t tl l时刻开始出现，在时刻开始出现，在t t2 2

2、时刻消失；通常要与时刻消失；通常要与年月日时分秒年月日时分秒关联关联 。 时间时间 “时刻时刻”, “间隔间隔”,即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多久久. .如图中，如图中，t t = =t t2 2- -t tl l是两时刻之间的是两时刻之间的“间隔间隔”即矩形脉冲持续的时间长度。即矩形脉冲持续的时间长度。 “周期周期”是指同一事件重复出现的时间，如是指同一事件重复出现的时间，如T。 “频率频率”是单位时间（是单位时间（1秒）内周期性事秒）内周期性事 件重复的次数，单位是赫兹件重复的次数，单位是赫兹Hz。 时频关系示意图时频关系示意图t tU U

3、0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T一、时间与频率关系一、时间与频率关系7/30/20243电子表走时是否准确取决于电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器设石英晶石英晶体作振荡器设石英晶体振荡器日频率稳定度为体振荡器日频率稳定度为10-6则日误差：则日误差：频率标准频率标准 时间标准时间标准 32768Hz32768Hz（2 21515HzHz）液晶屏液晶屏分分频频计计数数译译码码2 215151 1秒秒60601 1分分60601 1小时小时2424日日 电子表的组成原理电子表的组成原理振振荡荡驱驱动动7/30/20244 时间的单位是秒。随着科学技术的发展，时间的

4、单位是秒。随着科学技术的发展，“秒秒”的定义曾的定义曾作过三次重大的修改：作过三次重大的修改：1.世界时秒（世界时秒（UT） 基于天体运动确定的宏观计时标准，基于天体运动确定的宏观计时标准，由天文观测得到，由天文观测得到，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（UT）。定）。定义地球自转周期的义地球自转周期的 186400作为世界时的作为世界时的1s，零类世界时零类世界时（UT0），），其准确度在其准确度在10-6量级。量级。校正后的世界时称为校正后的世界时称为第二类第二类世界时（世界时（UT2），其准确度在，其准确度在310-8量级。量级。 历

5、书时秒历书时秒作为时间单位提高到十亿分之一秒，即作为时间单位提高到十亿分之一秒，即110-9量量级。世界时秒是级。世界时秒是与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。历计时。地球地球太阳太阳 二、时间频率基准二、时间频率基准7/30/20245 从宏观转向微观，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。从宏观转向微观，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。1967年年10月第月第13届国际计量大会正式通过了秒的定义：届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒秒”是是Cs133原子基态的两个超精细结构能级原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF=0和和F=3，mF=0之

6、间跃迁频率相应的射线束持续之间跃迁频率相应的射线束持续9192631770个周期的时间。个周期的时间。2.原子时秒（原子时秒（AT）F=4mF=0F=3mF=09192631770个周期个周期=1秒秒跃跃迁迁频频率率很很高高很很稳稳定定为原子时秒为原子时秒(记作记作AT)。并自。并自1972年年1月月1日零时起，时间单位日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，定义，其准确度可达其准确度可达510-14，远远高于其它物理量标准。，远远高于其它物理量标准。7/30/202463.协调世界时秒（协调世界时秒（UT

7、C） 世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能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。彼此取代，各有各的用处。原子时只能提供准确的时间间隔，原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了而世界时考虑了时刻时刻（年月日时分秒）和时间（年月日时分秒）和时间间隔间隔。 协调世界时秒（协调世界时秒（UTC）是原子时和世界时折衷的产物，）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采即用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准用协调世界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又

8、使准确度可提高确度可提高45个数量级。现在各国标准时号发播台所发送个数量级。现在各国标准时号发播台所发送的就是世界协调时的就是世界协调时UTC，其准确度优于，其准确度优于210-11。中国计量科。中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原子时（了国际原子时（TAI）200多台原子钟联网进行加权平均修正，多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国时间标准由中央人民广播电台发布。作为我国时间标准由中央人民广播电台发布。 7/30/20247三、时间三、时间-频率测量的特点频率测量的特点1.具有动态性质具有动态性质2.测量

9、范围大测量范围大3.测量精度高测量精度高4.测量速度快测量速度快5.易于实现测量自动化易于实现测量自动化7/30/20248 四、频率（时间）测量方法四、频率（时间）测量方法 频率测量方法可以分为：频率测量方法可以分为：差频法差频法拍频法拍频法示波法示波法电桥法电桥法谐振法谐振法比较法比较法直接法直接法李沙育图形法李沙育图形法测周期法测周期法模拟法模拟法频率测量方法频率测量方法计数法计数法电子计数器法电子计数器法 110-8110-13量级量级7/30/20249 1）直接法）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直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，又可细分为谐振法和

10、电桥法。值，又可细分为谐振法和电桥法。（1）谐振法：）谐振法：调节可变电容器调节可变电容器C使回路发生谐振，此使回路发生谐振，此时回路电流达到最大，则时回路电流达到最大，则: 7/30/202410（2）电桥法）电桥法 利用交流电桥平衡条件和频率有关的特性来进行频利用交流电桥平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量，通常采用如图所示的文氏电桥来进行测量。电率测量，通常采用如图所示的文氏电桥来进行测量。电桥达到复平衡时，则有桥达到复平衡时，则有7/30/202411 2 2）比较法）比较法 利用标准频率和被测量频率进行比较来测量频率。主要利用标准频率和被测量频率进行比较来测量频率。主要有拍频法、外

11、差法、示波法等。有拍频法、外差法、示波法等。 拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频测量。电压表）指示。适于音频测量。7/30/202412 外差法：将标准频率与被测频率混频，经滤波取出差外差法：将标准频率与被测频率混频，经滤波取出差频并测量。可测量范围达几十频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。（外差式频率计）。7/30/202413 李沙育图形法：将被测频率和基准频率分别接到示波器李沙育图形法：将被测频率和基准频率分别接到示波器Y轴和轴和X轴，根据显示的李沙育图形得到被测信号频率。轴，根据显示的

12、李沙育图形得到被测信号频率。7/30/2024143) 电子计数器法电子计数器法按功能分为如下四类：按功能分为如下四类：（1 1）通用计数器：通用计数器：测量频率、频率比、周期、时间间隔、测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数、自检等。累加计数、自检等。（2 2）频率计数器：频率计数器：功能一般限于测频和计数。但测频范围功能一般限于测频和计数。但测频范围往往很宽。往往很宽。（3 3）时间计数器：时间计数器：以时间测量为基础测量周期、脉冲参数以时间测量为基础测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。等，其测时分辨力和准确度很高。（4 4）特种计数器特种计数器: : 具有特殊功能的计数器

13、。包括可逆计数具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。多用于工业测量和器、序列计数器、预置计数器等。多用于工业测量和控制等。控制等。7/30/202415按用途可分为：按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。测量用计数器和控制用计数器。按测量范围可分为：按测量范围可分为：（1）低速计数器）低速计数器（2）中速计数器）中速计数器（3）高速计数器）高速计数器（4）微波计数器）微波计数器7/30/2024165.2 电子计数器测量频率电子计数器测量频率一、电子计数器测频原理一、电子计数器测频原理二、误差分析二、误差分析7/30/202417 根据频率定义，若某一信号在根据频

14、率定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N 次，则该信号的频率为：次，则该信号的频率为：一、电子计数器测频原理一、电子计数器测频原理7/30/202418通用电子计数器测频原理框图通用电子计数器测频原理框图7/30/2024191. 闸门时间产生电路闸门时间产生电路 由石英晶体产生高稳定度高准确度的标准时基信号，由石英晶体产生高稳定度高准确度的标准时基信号，并将标准时基信号分频为若干档。并将标准时基信号分频为若干档。2. 计数脉冲形成电路计数脉冲形成电路 将被测信号经脉冲形成及整形电路变换成为标准计将被测信号经脉冲形成及整形电路变换成为标准计数脉冲。数脉冲。 3. 计数显示电

15、路计数显示电路 在选定的闸门时间内对计数脉冲个数进行十进制计在选定的闸门时间内对计数脉冲个数进行十进制计数及显示。数及显示。7/30/202420二、测频方式误差分析二、测频方式误差分析 因为因为 由误差传递公式，可得由误差传递公式，可得7/30/202421可见，误差主要由两部分组成：可见，误差主要由两部分组成：1. 1误差误差2. 时基频率误差时基频率误差量化误差量化误差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T(1(1) )(2(2) )黑门进黑门进8 8个脉个脉冲冲红门进红门进7 7个脉个脉冲冲7/30/202422

16、测频总误差为：测频总误差为：1误差误差时基频率误差时基频率误差7/30/202423测频误差与被测频率测频误差与被测频率测频误差与被测频率测频误差与被测频率fxfx和闸门时间和闸门时间和闸门时间和闸门时间TsTs关系关系关系关系1. 计数器直接测频方法计数器直接测频方法产生的误差主要有两项，产生的误差主要有两项，即即1误差和标准频率误差和标准频率误差误差2. 测量低频时，由测量低频时，由1误误差产生的测频误差将很差产生的测频误差将很大。大。测量低频时不宜采测量低频时不宜采用直接测频方法。用直接测频方法。7/30/2024245.3 电子计数器测量周期电子计数器测量周期一、电子计数器测周原理一、

17、电子计数器测周原理二、误差分析二、误差分析三、中界频率的确定三、中界频率的确定7/30/202425一、电子计数器测周原理一、电子计数器测周原理 测量周期电路主要由闸门时间产生电路、计数脉冲形测量周期电路主要由闸门时间产生电路、计数脉冲形成电路和计数显示电路等三部分电路组成。成电路和计数显示电路等三部分电路组成。7/30/202426通用电子计数器测周原理框图通用电子计数器测周原理框图7/30/2024271闸门时间产生电路闸门时间产生电路将被测信号经放大及整形电路变换成为闸门时基信号。将被测信号经放大及整形电路变换成为闸门时基信号。2计数脉冲形成电路计数脉冲形成电路将石英晶振信号经倍频及整形

18、电路变换成为标准计数脉冲。将石英晶振信号经倍频及整形电路变换成为标准计数脉冲。3计数显示电路计数显示电路在选定闸门时间内对计数脉冲个数进行十进制计数及显示。在选定闸门时间内对计数脉冲个数进行十进制计数及显示。7/30/202428二、测周方式误差分析二、测周方式误差分析 因为因为 由误差传递公式，可得由误差传递公式，可得7/30/202429可见，误差主要由两部分组成：可见，误差主要由两部分组成：1. 1误差误差2. 时基频率误差时基频率误差7/30/202430 3. 噪声引起的误差噪声引起的误差 测周方式时除上述两类误差外，由于噪声干扰的影测周方式时除上述两类误差外，由于噪声干扰的影响，使

19、触发点提前，则由干扰产生的误差为响，使触发点提前，则由干扰产生的误差为7/30/202431转换误差的产生示意图转换误差的产生示意图7/30/202432噪声干扰引起的计数误差噪声干扰引起的计数误差7/30/202433当采用过零触发时，即当采用过零触发时，即 ，有，有同理，同理，A2触发点由干扰产生的误差为触发点由干扰产生的误差为所以，总的干扰误差合成为所以，总的干扰误差合成为 7/30/202434则，测周方式时的总误差为则，测周方式时的总误差为利用多周期测量可以减少测量误差利用多周期测量可以减少测量误差其中，其中， 为周期倍乘率。为周期倍乘率。1计数误差计数误差噪声干扰误差噪声干扰误差时

20、基频率误差时基频率误差10n7/30/202435多周期测量减少测量误差示意图多周期测量减少测量误差示意图7/30/202436 可见，电子计数器测量周期方法主要存在可见，电子计数器测量周期方法主要存在三项误差：三项误差：1计数误差、转换误差和标准频率计数误差、转换误差和标准频率误差，而通过提高信噪比或采用多周期测量等误差，而通过提高信噪比或采用多周期测量等方法可以提高测周方式时的测量精度。方法可以提高测周方式时的测量精度。 7/30/202437测周时的误差曲线测周时的误差曲线测周时的误差曲线测周时的误差曲线7/30/202438 三、中界频率的确定三、中界频率的确定其中其中：中界频率中界频

21、率：测频方式时的时基信号频率测频方式时的时基信号频率：测周方式时的时标信号频率测周方式时的时标信号频率 当测频误差和测周误差相等时，就确定了测频方式当测频误差和测周误差相等时，就确定了测频方式和测周方式的频率分界点，称为中界频率。和测周方式的频率分界点，称为中界频率。7/30/202439图中给出了不同闸门时间：图中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频率：和不同标准频率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以三种情况的交叉曲线。现以T=1s， =100MHz为例，可查知为例，可查知 =10kHz。 100MHz100MHz测频量化误差与测周量化误差测

22、频量化误差与测周量化误差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MHz=100MHz测频的量化误差测频的量化误差测周的量化误差测周的量化误差f f100MHz100MHz7/30/2024405.4 通用计数器通用计数器 通用计数器系列产品很多，大多都有：测量频率、通用计数器系列产品很多，大多都有：测量频率、周期、多周期平均、时

23、间间隔、自检、频率比、累加计数周期、多周期平均、时间间隔、自检、频率比、累加计数及计时等功能。及计时等功能。7/30/202441功能开关12345332112445一、通用计数器的组成一、通用计数器的组成闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时基部分A 通 道(放大、整形)B 通 道(放大、整形)控制时序电路数字显示器译码驱动十进制计数器主门开门锁存复位控制时序电路波形计数显示部分输入电路 时标选择 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns7/30/2024421 1）A A

24、、B B输入通道输入通道作用：作用：它们主要由放大它们主要由放大/ /衰减、滤波、整形、触发（包衰减、滤波、整形、触发（包括触发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信括触发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号7/30/2024432 2）主门电路）主门电路作用作用：主门也称为闸门，通过门控信号控制进主门也称为闸门，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入计数器的脉冲，使计数器只对预定的“闸门闸门时间时间”之内的脉冲计数。之内的脉冲计数。电路：可以由电路：可以由“与门与门”或或

25、“或门或门”构成。构成。与与门门A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s7/30/2024443 3）计数与显示电路）计数与显示电路功能功能：计数电路对通过主门的脉冲进行十进制计数，并计数电路对通过主门的脉冲进行十进制计数，并通过显示器将测量结果直观地显示出来。通过显示器将测量结果直观地显示出来。最高计数频率最高计数频率：计数电路一般由多级双稳态电路构成，计数电路一般由多级双稳态电路构成，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率的限制。而且对多位计数器，最高计

26、数频率主要由个位计数器决定。计数器决定。工作速度：工作速度：如如74LS74LS（74HC74HC）系列为）系列为30-40MHz30-40MHz；74S74S系列系列为为100MHz100MHz；CMOSCMOS电路约电路约5MHz5MHz；ECLECL电路可达电路可达600MHz600MHz。7/30/202445 4 4）时基产生电路）时基产生电路功能：功能：产生测量频率的产生测量频率的“门控门控”信号信号; 产生测量时间的产生测量时间的“时标时标”信号。信号。实现：实现：由晶体振荡器，通过倍频或分频，再通过门控双由晶体振荡器，通过倍频或分频，再通过门控双稳态触发器得到稳态触发器得到“门

27、控门控”或或“时标时标”信号。信号。 常用常用“闸门时间闸门时间”：1ms、10ms、100ms、1s、10s 常用常用“时标时标”：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms7/30/202446 5 5）控制时序电路）控制时序电路功能：功能：产生需要的各种控制信号，控制、协调各电路单产生需要的各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，使整机按元的工作，使整机按“复零测量显示复零测量显示”的工作程序完成的工作程序完成自动测量的任务。自动测量的任务。准备期准备期 （ 复零，等待）复零，等待） 测量期测量期 （开门，计数）（开门，计数） 显示期显示期（关门，停止计数）（关门，停止

28、计数）7/30/202447二、通用计数器其它功能二、通用计数器其它功能1 测量频率比测量频率比 频率比测量原理方框图频率比测量原理方框图B B0 01 12 21 13 3T TB B主门主门计数、显示计数、显示门控双稳门控双稳放大、整形放大、整形放大、整形放大、整形A Af fA AT TB BT TB BT TA A7/30/202448注意：频率较高者由注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B通道输通道输入。入。 提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：扩展扩展B通道信号的周期个数通道信号的周期个数。例如：以例如：以B通道信号的通道信号的10个周期作为闸门

29、信号，则计数值个周期作为闸门信号，则计数值为：为： ,即计数值扩大了即计数值扩大了10倍，相应的测量精度也倍，相应的测量精度也就提高了就提高了10倍。为得到真实结果，需将计数值倍。为得到真实结果，需将计数值N缩小缩小10倍倍（小数点左移（小数点左移1位），即位），即应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。7/30/202449 2 测量时间间隔测量时间间隔uu 欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B B、C C通道通道通道通道输输输输入。入。入。入

30、。输入输入C C10S10S时基分频器时基分频器+ +主主 门门触发器触发器触发器触发器起起 始始触发器触发器终终 止止触发器触发器门控门控电路电路十进制计数器十进制计数器1MHz1MHz石英石英振振 荡荡 器器触发沿选择触发沿选择+ +- - -输入输入B BS S1S1S10S10S7/30/202450 基本时间间隔测量模式基本时间间隔测量模式被计时标数被计时标数时标时标门控信号门控信号输入输入C C终止终止输入输入B B起始起始7/30/202451脉冲参数测量脉冲参数测量 脉冲宽度测量模式脉冲宽度测量模式起始脉冲起始脉冲门控信号门控信号终至脉冲终至脉冲触发器输出触发器输出输入信号输入

31、信号0.50.5t tr r0.10.10.90.9脉冲上升时间测量模式脉冲上升时间测量模式7/30/202452 利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。的相位差。 两个信号分别由两个信号分别由B、C通道输入，并选择相同的触发极性通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。和触发电平。测相位要求两信号：同频 同幅相位差的测量相位差的测量 相位差的测量相位差的测量t t T T360360t t7/30/202453功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。实现方法：为判断自检结果是否正确

32、，该结果应该在实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基Ts（闸（闸门信号）对时标门信号）对时标T0计数，则计数结果应为：计数，则计数结果应为：例如：若选择例如：若选择Ts=10ms，T0=1us，则自检显示应稳定则自检显示应稳定在在 N=10000。自检不能检测内部基准源。自检不能检测内部基准源。3 自检（自校）方式自检（自校）方式7/30/202454自检原理方框图自检原理方框图221ms1ms5510101010101010101010101010101010晶振晶振5MHz5MHz10ns10ns100

33、ns100ns11s s10s10s100s100s1ms1ms10ms10ms100ms100ms1s1s10s10s0 01 12 21 13 31S1S闸门时间选择闸门时间选择时标信号选择时标信号选择门门 控控 双双稳稳主门主门计数、显示计数、显示N=100000000N=1000000007/30/2024554 累加计数与计时累加计数与计时电子计数器累加计数模式框图电子计数器累加计数模式框图电子计数器累加计数模式框图电子计数器累加计数模式框图0 01 12 21 13 3起始起始主门主门计数、显示计数、显示门控双稳门控双稳放大、整形放大、整形A A开门开门时间时间停止停止停止停止起始

34、起始7/30/202456一、多周期同步测量技术一、多周期同步测量技术二、提高测时分辨率的方法二、提高测时分辨率的方法5.5 通用通用计数器性能的改进计数器性能的改进7/30/202457一、多周期同步测量技术一、多周期同步测量技术 多周期同步测频多周期同步测频 测频时量化误差是由于闸门与被测信号的非同步引起的。为减小测频时量化误差是由于闸门与被测信号的非同步引起的。为减小量化误差，应使闸门时间等于被测信号整周期数。量化误差，应使闸门时间等于被测信号整周期数。f fx x 多周期同步测频原理多周期同步测频原理(a)(a)N N0 0CPCP 主门主门 N Nx x 主门主门 N N0 0同步闸

35、门同步闸门(D(D触触发发器器) )预预置置闸闸门脉冲门脉冲计数器计数器 2 2# #单单片片机机计数器计数器 1 1# #晶晶 振振1MHz1MHzD D82538253(b)(b)1S1ST Tx xT TN Nx xT Tx xN No oT To oT T0 0D Df fx x(CP)(CP)T Tf f0 0N N0 0N Nx xN Nx xf f0 0无无11误差误差有有11误差误差T T7/30/2024587/30/202459 倒数计数器倒数计数器 倒数计数器可以在计数器的整个测频范围内基本上获得同样高的测倒数计数器可以在计数器的整个测频范围内基本上获得同样高的测试精度和

36、分辨率。试精度和分辨率。fx7/30/202460二、提高测时分辨率的方法二、提高测时分辨率的方法 模拟内插法模拟内插法一般时间间隔测量的局限性：一般时间间隔测量的局限性： 为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标的为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标的减小受时基电路和计数器最高工作频率限制，而计数器也有减小受时基电路和计数器最高工作频率限制，而计数器也有最大计数容量的限制（最大计数值）。最大计数容量的限制（最大计数值）。内插法对已存在的量内插法对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的尾数化误差，测量出量化单位以下的尾数(零头时间零头时间)。 则准确的则准确的T Tx x为：为

37、：T Tx x=T=T0 0+T+T1 1-T-T2,2,为实现为实现T T1 1-T-T2 2的测量，有模的测量，有模拟和数字两种方法。拟和数字两种方法。7/30/202461 模拟内插法原理模拟内插法原理n由于由于T1和和T2均很小（小于时标），采用普通的均很小（小于时标），采用普通的“时标计数法时标计数法”难以实现难以实现（需要非常小的时标）。内插法的基本思路是：对（需要非常小的时标）。内插法的基本思路是：对T1和和T2作时间扩展作时间扩展后再测量。后再测量。n若若T1、T2均扩展均扩展k倍，倍，采用同一个时标采用同一个时标 ，分别测量，分别测量T0、kT1、kT2，设，设计数值分别为：

38、计数值分别为：N0、N1、N2，则：则：n意义：上式由于意义：上式由于 不存在量化误差，总量化误差由不存在量化误差，总量化误差由(N1-N2)引起，引起，降低了降低了k倍。相当于用倍。相当于用 时标的普通时间测量。时标的普通时间测量。7/30/202462由图可知，被测时间间隔由图可知，被测时间间隔 为为 时钟脉冲时钟脉冲输入信号输入信号起始起始终止终止 x x0 01 12 27/30/202463例如，例如，扩展器控制的开门时间为扩展器控制的开门时间为T T1 1的的10001000倍，倍，即：即：T T1 11000T1000T1 1，T T2 21000T1000T2 2内内插插后后测

39、测量量分分辨辨力力提提高高了了10001000倍倍。内内插插扩扩展展技技术术可可大大大大提高测时分辨力提高测时分辨力, ,但测量前需进行校准。但测量前需进行校准。7/30/202464 数字内插法数字内插法-游标法游标法游标法的原理游标法的原理 游标法实现的原理和游标卡尺的测量原理相似，是利游标法实现的原理和游标卡尺的测量原理相似，是利用相差很微小的两个量，对其量化单位以下的差值进行多用相差很微小的两个量，对其量化单位以下的差值进行多次叠加，次叠加，直到直到叠加的值达到一个量化单位为止，通过相关叠加的值达到一个量化单位为止，通过相关的计算便可以获得较精确的差值。的计算便可以获得较精确的差值。7

40、/30/202465如图，设开门与关门时的两个如图，设开门与关门时的两个“零头时间零头时间”为为 , 开门后同时启开门后同时启动主计数器和游标脉冲动主计数器和游标脉冲1计数，由于计数，由于T T0202TT0101，设经过，设经过N N1 1个计数值后个计数值后, ,游游标脉冲与主脉冲重合标脉冲与主脉冲重合( (图中符合点图中符合点1)1)。此时：。此时： 即：即： 7/30/202466 同样，在关门时同样，在关门时(主时钟计数停止主时钟计数停止)启动游标脉冲启动游标脉冲2开开始计数，由于始计数，由于T T0202TT0101，设经过，设经过N N2 2个计数值后，游标脉冲与个计数值后，游标

41、脉冲与主脉冲重合主脉冲重合( (图中符合点图中符合点2)2)。此时，有：。此时，有： 则，被测时间间隔为：则，被测时间间隔为： 7/30/202467三、微波计数器三、微波计数器 通用电子计数器受内部计数器等电路的工作速度通用电子计数器受内部计数器等电路的工作速度的限制，对输入信号直接计数时存在最高计数频率的的限制，对输入信号直接计数时存在最高计数频率的限制。限制。 中速计数器采用中速计数器采用”预定标器预定标器“（由（由ECL电路构成的电路构成的分频器），将输入信号进行分频后，再由计数器进行分频器），将输入信号进行分频后，再由计数器进行计数。计数。 对于几十对于几十GHz的微波计数器，主要采

42、用变频法和的微波计数器，主要采用变频法和置换法将输入的微波频率信号变换成可直接计数的中置换法将输入的微波频率信号变换成可直接计数的中频信号。频信号。7/30/2024681）变频法）变频法 变频法（或称外差法）是将被测微波信号经差频变变频法（或称外差法）是将被测微波信号经差频变换成频率较低的中频信号，再由电子计数器计数。换成频率较低的中频信号，再由电子计数器计数。混频器混频器差频放大器差频放大器电子计数器电子计数器谐波滤波器谐波滤波器谐波发生器谐波发生器输入输入f fx xf fI If fs s7/30/202469自动变频式微波计数器原理框图自动变频式微波计数器原理框图混频器差频放大器电子

43、计数器谐波滤波器（YIG电调滤波器）谐波发生器（阶跃恢复二极管）输入fxfI 输入fs 输出Nfs扫描捕获电路检波器fI （fx-Nfs）7/30/2024702 2）置换法）置换法 利用一个频率较低的压控（置换）振荡器的利用一个频率较低的压控（置换）振荡器的N次谐波，次谐波，与被测微波频率与被测微波频率f fx x进行分频式锁相，从而把进行分频式锁相，从而把f fx x转换到较低的转换到较低的频率频率f fL L（通常为（通常为100MHz100MHz以下）。以下）。当环路锁定时，有：当环路锁定时，有： 混频器混频器压控振荡器压控振荡器电子计数器电子计数器鉴相器鉴相器fx-NfLfsfLNf

44、Lfx7/30/202471全自动置换法微波计数器原理框图全自动置换法微波计数器原理框图7/30/202472 5.6 标准频率源的测量标准频率源的测量一、一、频率稳定度的定义频率稳定度的定义二、长期频率稳定度二、长期频率稳定度三、短期频率稳定度三、短期频率稳定度7/30/202473一、一、频率稳定度的定义频率稳定度的定义 电子计数器是基于比较测量法原理，其时间、频率的电子计数器是基于比较测量法原理，其时间、频率的参考标准为内部晶体振荡器。而晶体振荡器存在老化与漂参考标准为内部晶体振荡器。而晶体振荡器存在老化与漂移，因此，需要进行移，因此，需要进行定期校准定期校准。 校准方法：校准方法： 将

45、晶体振荡器输出作为被测信号，用上一级更准确的将晶体振荡器输出作为被测信号，用上一级更准确的频率标准为参考进行测量，称为频率标准为参考进行测量，称为“频率计量频率计量”。测量的主。测量的主要内容为要内容为“频率稳定度频率稳定度”。7/30/202474频率准确度频率准确度 频率源输出的实际频率值频率源输出的实际频率值f fx x对其标称值对其标称值f f0 0的的相对频率偏差。相对频率偏差。即：即：7/30/202475频率稳定度频率稳定度 频率源的输出频率值由于受内外因素的影响，总是频率源的输出频率值由于受内外因素的影响，总是在不断地变化着，大体上可分为：在不断地变化着，大体上可分为：(1)(

46、1)系统性或确定性的变化（如老化等因素）系统性或确定性的变化（如老化等因素）(2)(2)非确定性的或随机性的变化（如噪声等随机因素）非确定性的或随机性的变化（如噪声等随机因素） 因此，频率准确度只能表示当前测量（取样时间）因此，频率准确度只能表示当前测量（取样时间）时的准确度，它是时间时的准确度，它是时间t t的函数。频率准确度随时间的变的函数。频率准确度随时间的变化即为频率稳定度。它表征频率源维持其工作于恒定频化即为频率稳定度。它表征频率源维持其工作于恒定频率上的能力。率上的能力。7/30/202476 长期、短期稳定度长期、短期稳定度 对频率稳定度的描述引入时间概念，即在一对频率稳定度的描

47、述引入时间概念，即在一定时间间隔内的频率稳定度，则有长期稳定度与定时间间隔内的频率稳定度，则有长期稳定度与短期稳定度之分。短期稳定度之分。 长期：年、月、日长期：年、月、日 短期短期：秒级秒级7/30/202477二、长期频率稳定度的表征二、长期频率稳定度的表征 长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移。平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移。多数高稳定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，其频率多数高稳定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，其频率的老化漂移往往呈现良好的线性的老化漂移往往呈现良好的线性(

48、(增加或减少增加或减少) )，如下图。，如下图。图中表示了实际频率图中表示了实际频率随时间的变化，由图随时间的变化，由图可得频率稳定度可得频率稳定度K K，K K表示了在表示了在t t1 1-t-t2 2时间内时间内的相对频率漂移（即的相对频率漂移（即频率准确度的变化）频率准确度的变化）。7/30/202478 日老化率日老化率 对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做期稳定度的表征，叫做“日老化率日老化率”。（上图中的时间取。（上图中的时间取为一天）为一天）日老化率的测量日老化率的测量 显然，每天的显然，每天的“日老化率

49、日老化率”会有所变化，实际中连续会有所变化，实际中连续测一周或一个月。设每天测一个数据，共测测一周或一个月。设每天测一个数据，共测n n天，得天，得f f1 1,f,f2 2, f, fi i,f,fn n, , 利用最小二乘法拟合得到老化曲线利用最小二乘法拟合得到老化曲线: :则其斜率则其斜率 ( (估计值估计值) )相对相对f f0 0比值即为日老化率。比值即为日老化率。 0Kfb=7/30/202479由最小二乘法公式，得：由最小二乘法公式，得：式中，式中， 晶体振荡器除老化晶体振荡器除老化 漂移外，一天内还漂移外，一天内还 将产生频率的随机将产生频率的随机 起伏，起伏，日波动日波动综合

50、综合 表征了老化漂移和表征了老化漂移和 随机起伏随机起伏。漂移波动7/30/202480 日波动定义日波动定义 日波动是指频率源（经规定时间的预热以后）在日波动是指频率源（经规定时间的预热以后）在2424小小时内最大相对频率变化。时内最大相对频率变化。 日波动测量日波动测量 根据检定规程，测量日波动时可每隔根据检定规程，测量日波动时可每隔1 1小时测量一个数小时测量一个数据，连续测据，连续测2424小时，共得小时，共得2525个数据，取出个数据，取出f fmaxmax和和f fminmin，用下式，用下式计算。计算。 7/30/202481三、短期频率稳定度的表征三、短期频率稳定度的表征 相对

51、频率起伏相对频率起伏根据频率准确度定义：根据频率准确度定义：式中式中f fx x由于噪声引起寄生调频、调相，由于噪声引起寄生调频、调相，f fx x应为时间应为时间t t的函数，的函数，则频率准确度和频率稳定度均为时间则频率准确度和频率稳定度均为时间t t的函数。的函数。将频率源输出信号作为随机过程，用下式表示：将频率源输出信号作为随机过程，用下式表示：式中，将幅度式中，将幅度A A0 0视为恒定（不考虑幅度起伏变化）；视为恒定（不考虑幅度起伏变化）； f f0 0为标为标称频率；称频率； 为瞬时相位（起伏变化）。为瞬时相位（起伏变化）。则瞬时频率可表示为：则瞬时频率可表示为：相对频率起伏为：

52、相对频率起伏为：7/30/202482 阿仑方差定义阿仑方差定义 式中，式中，fi和和fi为两次相邻测量在采样时间为两次相邻测量在采样时间内的平均内的平均值，值，并将其作为一组，共进行并将其作为一组，共进行m组测量得到组测量得到2m个数据。个数据。n阿仑方差的意义：描述了相邻两次频率值的起伏变化。阿仑方差的意义：描述了相邻两次频率值的起伏变化。1/f噪声在相邻两次测量中无影响。噪声在相邻两次测量中无影响。n秒级稳定度的阿仑方差检定规程：取样时间秒级稳定度的阿仑方差检定规程：取样时间1s，组数组数100。7/30/202483 测量方案测量方案 阿仑方差的测量，需要进行相邻两次连续取样。可阿仑方

53、差的测量，需要进行相邻两次连续取样。可用两台计数器交替工作实现。测量方案如图。用两台计数器交替工作实现。测量方案如图。7/30/202484 其波形如下图所示：其波形如下图所示：7/30/202485阿仑方差的局限性：阿仑方差的局限性： 阿仑方差能较好地描述秒级频率稳定度。但对于阿仑方差能较好地描述秒级频率稳定度。但对于更短时间（如更短时间（如10ms以内）的短期频率稳定度，由于测以内）的短期频率稳定度，由于测量上的困难就失去了意义。量上的困难就失去了意义。7/30/2024865.7 调制域测量调制域测量时域与频域分析的局限性时域与频域分析的局限性一个实际信号可以分别从时域和频域进行描述和分

54、析，一个实际信号可以分别从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时出现。能把握各频谱分量在何时出现。调制域概念调制域概念在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析以便对调制信号等进行有效分析即调制域分析。即调制域分析。

55、调制域指由频率轴调制域指由频率轴( (f f) )和时间轴和时间轴( (t t) )共同构成的平面域共同构成的平面域。7/30/202487调制域为人们观测信号提供了一个新的窗口调制域为人们观测信号提供了一个新的窗口, ,一些在时域和一些在时域和频域无法观察到的现象频域无法观察到的现象, ,例如，锁相环路中压控振荡器中例如，锁相环路中压控振荡器中(VCO)(VCO)的频率阶跃响应。的频率阶跃响应。 一个频率跳变信号的三维波形一个频率跳变信号的三维波形F FV VT T调制域调制域频域频域时域时域 锁相环中的频率阶跃响应锁相环中的频率阶跃响应t tf f0 0f f2 2f f1 17/30/2

56、02488一、调制域分析的关键技术一、调制域分析的关键技术 调制域分析主要是研究制域分析主要是研究频率随率随时间变化情况化情况, ,因此其关因此其关键的技的技术是要是要实现动态连续地地测量量频率率。而。而通用通用电子子计数器数器：调制域分析主要是研究制域分析主要是研究频率随率随时间变化情况化情况, ,因此其关因此其关键的技的技术是要是要实现动态连续地地测量量频率率。而。而通用通用电子子计数器数器：调制域分析主要是研究频率随时间变化情况调制域分析主要是研究频率随时间变化情况, ,因此其关键的因此其关键的技术是要实现动态连续地测量频率。而通用电子计数器：技术是要实现动态连续地测量频率。而通用电子计

57、数器： 准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，（关门，停止计数）停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）“死死区区”时时间间, ,不不能能连连续续不不断地进行测频断地进行测频7/30/202489“Zero Dead Time Counter”(“Zero Dead Time Counter”(无死区时间计数器，简无死区时间计数器，简称称ZDTZDT计数器计数器) ) ZDT ZDT计数原理框图计数原理框图过零点过零点处处 理理时时 基基发生器发生器事事 件件计数器计数器时时 间间计数器计数器存存 储储 和和预处理预处理被测被测信号信号7/30/202490(

58、( e e ) ) ( ( a a ) ) ( ( b b ) ) ( ( c c ) ) ZDT ZDT计数器工作原理波形图计数器工作原理波形图( ( d d ) ) t tt tt tt tt tu u e e T T 0 0 T T 2 2 T T 1 1 u u d d u u d d u u b b u u a a f f 1 1 f f 2 2 7/30/202491二、调制域分析的应用二、调制域分析的应用 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（正负时间间隔、连续时间间

59、隔）；实时运算的时间间隔直方图；相位偏移（单通道）和直方图；相位偏移（单通道）和A A相对相对B B的相位；时间偏差的相位；时间偏差（抖动）；专门测量（包括脉冲宽度、占空比和上升下（抖动）；专门测量（包括脉冲宽度、占空比和上升下降时间等）等，可直接通过各种不同的测量获取结果。降时间等）等，可直接通过各种不同的测量获取结果。 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；调制分析量结果的直方图显示；测量结果数值显示

60、；调制分析（峰（峰峰偏移、中心频率、调制速率）；抖动频谱分析；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、有各种参数统计（平均、最大、最小、方差、均方差、有效值、概率）；阿仑方差计算等。效值、概率）；阿仑方差计算等。7/30/2024921.1.直接观测频率变化（直接观测频率变化（调频信号在调制域分析仪上的显示调频信号在调制域分析仪上的显示） HP5372A Frequency and Time Intetval AnalyzerHP5372A Frequency and Time Intetval AnalyzerTvar:Frequency A

61、Tvar:Frequency ACenter:100.0004MHzCenter:100.0004MHzPk-Pk:428.8kHzPk-Pk:428.8kHz01 Jan 2003 21:39:2801 Jan 2003 21:39:28Rate:12.822876kHzRate:12.822876kHz100.25100.25k kHz/divHz/divMeas #1Meas #110010099.7599.75MHzMHzMHzMHz258.2500s258.2500s 调频信号显示调频信号显示0S0S. .7/30/2024932. 2. 信号抖动测试（例：信号抖动测试（例：时钟脉冲

62、抖动则会左右偏移时钟脉冲抖动则会左右偏移） 时时间间抖抖动动测测量量HP5372A Frequency and Time Intetval AnalyzerHP5372A Frequency and Time Intetval AnalyzerTvar:Frequency ATvar:Frequency APk-Pk:428.8kHzPk-Pk:428.8kHzCenter:25.9nsCenter:25.9ns30 Apr 1991 13:31:3930 Apr 1991 13:31:39Rate:75.975kHzRate:75.975kHz-20.0ns-20.0ns# #80.0ns8

63、0.0ns# #166.0000ns166.0000nsMeas #1Meas #10s0s7/30/202494HP5372A Frequency and Time Intetval AnalyzerHP5372A Frequency and Time Intetval AnalyzerFFT:Time Dev AFFT:Time Dev AMkrx:122.1353kHzMkrx:122.1353kHzy:-70.10dBy:-70.10dB-20.00-20.00dBdB-20.00-20.00dB/divdB/div-120.00-120.00dBdB30 Apr 2001 13:31

64、:3930 Apr 2001 13:31:39y:-100.63 dB/Hzy:-100.63 dB/HzCarr:1.5441MHzCarr:1.5441MHz43. 9740kHz43. 9740kHz142.9240kHz142.9240kHz753.9 Hz/bin753.9 Hz/bin 信号信号FFTFFT分析测量分析测量3. 3. 对抖动的频谱分析对抖动的频谱分析 7/30/2024954. 4. 跳频通信对抗中的应用跳频通信对抗中的应用 通信对抗中，跳频通信具有较强的抗检测、抗干扰能力，通信对抗中，跳频通信具有较强的抗检测、抗干扰能力，是现代军事通信的重要制式。是现代军事通信的重要制式。 跳频信号的频率随时间的变化跳频信号的频率随时间的变化0 010102020T T (ms)(ms)40408080F F7/30/2024967/30/202497个人观点供参考，欢迎讨论