电子测量第三章.

第三章频率时间测量第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电子计数法测量周期3.4电子计数法测量时间间隔3.5减小计数器±1误差的方法3.6模拟法测频思考与练习第三章频率时间测量3-1概述一、时间和频率的定义1、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。2、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：f＝N/T3、时间与频率的关系：可以互相转换。第三章频率时间测量1、天文时标（1）世界时（UT,UniversalTime）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。•为世界时确定时间观测的参考点，得到：平太阳时零类世界时（UT0）第一类世界时（UT1）第二类世界时（UT2）（2）历书时（ET）以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31556925.9747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1×10－9于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。二、时间与频率标准第三章频率时间测量天文时标的不足设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限第三章频率时间测量（2）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9192631770个周期的时间”。1972年起实行2、原子时标（TAI）（1）理论基础：量子电子学hfn-m=En-Emh=6.6252×10-27为普朗克常数En、Em为受激态的两个能级fn-m为吸收或辐射的电磁波频率第三章频率时间测量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：10-13~10-14。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，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：10-14~10-15，但准确度较低（10-12）。3、协调世界时（UTC）基于原子时又参考世界时第三章频率时间测量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。电子计数器内部时间、频率基准第三章频率时间测量差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法三、频率的测量方法第三章频率时间测量下面介绍电子计数器的分类◆按功能可以分为如下四类：（1）通用计数器：（2）频率计数器：（3）时间计数器：（4）特种计数器:五、频率测量的数字方法电子计数式是目前最好的测频方法第三章频率时间测量多功能计数器第三章频率时间测量函数发生器/计数器第三章频率时间测量频率计第三章频率时间测量电子计数器面板及控键示意图第三章频率时间测量通用电子计数器的组成框图：第三章频率时间测量通用计数器包括如下几个部分输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。门控电路：完成计数的闸门控制作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路：控制协调整机工作，即准备测量显示。第三章频率时间测量放大整形主门门控信号ST被测信号晶体振荡分频电路计数译码显示逻辑控制Tx图6.3电子计数器测频原理框图TNf（fx由A通道输入，内部时基）实质：比较法-----fx与时基信号频率相比A一、测量原理3-2、电子计数器测量频率第三章频率时间测量例如：闸门时间Ts=1s，若计数值N=10000，则显示fx为？如闸门时间Ts=0.1s，则计数值N=1000，则显示fx为？“10000”Hz“10.00”kHz显示结果的有效数字末位的意义？TNf它表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率fs）。第三章频率时间测量二、误差分析由TNfx误差传递公式：TTNNTTfNNffxlnln两个因素：NN1数字化仪器特有的误差TT2闸门时间的相对误差1、基本误差第三章频率时间测量（1）、1误差：取决于闸门开启时刻与第一个计数脉冲的时间关系可知：提高被测信号的频率，或增大主门开启时间，都可降低量化误差的影响如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。量化误差相当于计数值N的“±1”个字。12tt、12tt◆是随机的，它们服从均匀分布，其差值则服从三角分布。T=NxT+△t1－△t2=〔N+xTtt21〕xT△N=xTtt21ΔN＝±1第三章频率时间测量（2）、标准频率误差闸门T的准确度决定于石英振荡器提供频率的准确度TkffcccCfKKTTccffTT（注意负号的意义）ccffTkkTTTlnlnccccfffkkkfk)ln(ln)ln(lnccff第三章频率时间测量（3）、结论：a、fx愈大则误差愈小，b、闸门时间愈大误差也愈小c、测频误差以标准频率误差为极限)1(ccsxfffTf第三章频率时间测量（P106，3-6）解：710)1(ccxxxffTfffsfTx11017不能用910T第三章频率时间测量除了固有误差外，fx受噪声和干扰影响引起测量误差Tx1t触发电平Tx2t触发电平Tx3(a)无噪声干扰的计数脉冲(b)有噪声干扰的计数脉冲2、触发误差的影响措施：（1）、减小增益（使噪声幅度同时减小，小于触发窗宽度）（2）、调整触发窗位置（3）、尽可能加宽施密特触发器的触发窗口（4）、输入滤波第三章频率时间测量三、测量频率范围的扩大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存在最高计数频率的限制。对于几十GHz的微波计数器，主要采用外差法和置换法将输入微波频率信号变换成可直接计数的中频。图3-4外差法扩频测量原理框图第三章频率时间测量例如：若fx=1234.567890MHz，标准频率fc=100MHz。则谐波滤波器应调谐在N=12次谐波上，即Nfc=1200MHz，高位直接显示“12”。计数器再对差频信号fA=fx-fL=34.567890MHz计数最后显示为“1234.567890”MHz。外差法特点：谐波Nfc幅度低，灵敏度低，但分辨力高。第三章频率时间测量一、测周原理实现：由Tx得到闸门；在Tx内计数器对时标计数。Tx内脉冲数sxTTN（fx由B通道输入，内部时标由A通道输入）3.3电子计数法测量周期第三章频率时间测量Tx内脉冲数sxTTN例如：时标TS=1us，若计数值N=10000，则显示的Tx为或如时标TS=10us，则计数值N=1000，显示的Tx为请注意：显示结果的有效数字末位的意义“10000”us“10.000”ms“10.00”ms表示了周期测量的分辨力（应等于时标T0）第三章频率时间测量TcTNX1NccXCCCXCXXffTTTTTTTT)(ccCCffTT1（1）、Tx增大，误差减小ccffXXTT（2）、有限，使也有最小值二、误差分析SXNTTSSSSXXXXTTNNTTTNNTTTlnln1、基本误差第三章频率时间测量例如，某计数式频率计，|Δfc|/fc=2×10-7，在测量周期时，取Tc＝1μs，则当Tx＝1s676102.11021101xxTT当Tx＝1ms(fx＝1000Hz)时，%1.0102101101736xxTT%101021010101766xxTT当Tx＝10μs(fx＝100kHz)ccXCCCXCXXffTTTTTTTT第三章频率时间测量2、触发误差的影响周期测量时，尖峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严重。如图，测量误差为：设输入为正弦波：sinxmxvVt干扰幅度：Vn无干扰：有干扰：TxTxTxmVVnTxT21下一个mVVnTxT22法为随机的，按几何合成XT2221TTTn第三章频率时间测量10T’x△T1△T210TxTx1Tx10△T2TxA’1A1VnA’2A2A’9A9A’10A10mVVnTxTn21措施：提高信噪比，以及多周期测量法22122xnnmTVTTTV多周期测量法原理：使相邻周期的相互抵消12TT、例如：由10个周期构成闸门时间“周期倍乘”可选择周期数第三章频率时间测量结论：（1）误差组成：量化误差、转换误差、标准频率误差（2）多周期测量提高了测量准确度（3）选用小的时标可提高测周分辨力（4）应尽可能提高信噪比12xncxxcmcTVfkTmTfVfm误差表达式：m为周期倍乘数第三章频率时间测量三、中界频率测频时，被测频率fx愈低，则量化误差愈大测周时，被测频率fx愈高，则量化误差愈大可见，存在一个中界频率fm当fxfm时，应采用测频当fxfm时，应采用测周确定fm的方法：测频时sxTNT测周时0xTNT令两式相等，并用Tm表示Tx：0smmTTTT于是，有：0msTTT或01msfTT第三章频率时间测量m：测周时的周期倍乘。n:测频时的闸门时间扩大倍数osmTnTmf【例3-1】某电子计数器在测频时，若可取的最大的闸门宽度T=10s，并选择n＝102；在测周期时，若可取的最小时标Tc=0.01μs，并选择周期倍乘m=104。试确定该仪器可以选择的中界频率fz为多大。解：将题目中的条件代入式(3-37)，kHz62.311001.0101001064czTnTmf第三章频率时间测量一、时间间隔测量原理方法：两个信号分别由B、C通道输入，分别设置触发电平和触发极性；一个作为起始通道开通主门一个是终止信号通道用来关闭主门。时间间隔：指两个时刻点之间的时间段时间间隔的参数有：周期、脉冲宽度、相位差、定时、累加计数3.4电子计数法测量时间间隔第三章频率时间测量触发器触发器起始触发器终止触发器1MHz石英振荡器门控电路主门时基分频器十进计数器输入B输入C触发沿选择1s10s10s+–+–S时间间隔测量模式工作波形图：输入B起始输入C终止门控信号时标被计时标数第三章频率时间测量VBVc起始停止闸门时间C＋(50%)B＋(50%)起始停止闸门时间VBVcB＋(50%)C-(50%)(50%)－B+(50%)C+(50%)－(50%)C＋(90%)闸门信号关门信号开门信号B＋(10%)◆为完成各种时间间隔的测量，B、C输入通道都设置有触发极性(+、-)和触发电平调节。如下图的脉冲参数测量。1、脉冲参数的测量第三章频率时间测量2、相位差的测量T1T2tV1V2相位差的测量图方法：两个信号分别由B、C通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，得到t1、t2再取平均，则221tt第三章频率时间测量二、误差分析与测周期时类似mncccUUffTfTTπ211Um被测信号的幅值Un噪声的幅值【例3-2】某计数器最高标准频率fcmax＝10MHz。若忽略标