时间频率与系统同步XXXX_第五讲_时间频率测量(二)

第五讲时间频率测量（二）第五讲时间频率测量（二）时频测量误差高分辨时频测量技术微波时频测量技术主要内容第五讲时间频率测量（二）一、测量误差的来源1.量化误差时间频率测量误差◆什么是量化误差：由于计数值N为整数，fx和Tx必然产生“截断误差”，该误差即为“量化误差”。也称为“±1误差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。◆产生原因：由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起，使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。第五讲时间频率测量（二）第五讲时间频率测量（二）2.触发误差什么是触发误差：输入信号经过通道电路放大、整形得到脉冲信号时，若输入被测信号叠加有干扰信号，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为“触发误差”，也称为“转换误差”。第五讲时间频率测量（二）第五讲时间频率测量（二）3.标准频率误差机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。第五讲时间频率测量（二）二、频率测量的误差分析由频率测量表达式：fx=N/Ts=Nfs，计数器直接测频的误差主要由两项组成：即量化误差（±1误差）和标准频率误差。即:而由于fs由晶振(fc)分频得到，设fs=fc/k，则频率测量的误差表达式可写成：xsxsffNfNfscscffffssxxTNTfT1xcxsxcfffTff第五讲时间频率测量（二）误差曲线第五讲时间频率测量（二）问题：被测频率fx＝1MHz，选择闸门时间Ts＝1s，则由±1误差产生的测频误差(不考虑标准频率误差)是多少？此时对标准频率误差有什么要求？思考题：为减小误差，提高测量频率或增大闸门时间会有什么问题？第五讲时间频率测量（二）由测周的基本表达式：根据误差合成公式，可得：式中，和分别为量化误差和时标周期误差。有：所以，00TTNNTTxx0xTNT1NNN00TT0xxxccTTTfNTkTk三、周期测量的误差分析第五讲时间频率测量（二）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，在测频与测周之间，存在一个中界频率fm，当fxfm时，应采用测频；当fxfm时，应采用测周方案。四、中介频率第五讲时间频率测量（二）中界频率fm的确定：量化误差取决于计数值N，测频时;测周时。令两式相等，并用Tm表示Tx：于是，有：或例：若Ts=1s,T0=1us，则fm=1kHz,在该频率上,测频与测周的量化误差相等。sxTNT0xTNT0smmTTTT0msTTT01msfTT第五讲时间频率测量（二）例：用电子计数器测量一个600Hz的信号频率，采用测频（闸门时间为2S）和测周（时标为0.5μS）两种方法，试比较这两种方法由正负1误差所引起的测量误差。第五讲时间频率测量（二）◆频率测量时触发误差的影响●尖峰脉冲的干扰尖峰脉冲只引起触发点的改变，对测频影响不大。●高频叠加干扰产生错误计数。措施：增大触发窗；输入滤波。五、触发误差第五讲时间频率测量（二）1T◆周期测量时触发误差的影响●尖峰脉冲周期测量时，尖峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严重。测量误差为：●分析设输入为正弦波：,干扰幅度为Vn。对触发点A1作切线ab，其斜率为则，'xxTTTsinxmxvVttanxBxvVdvdttannVT第五讲时间频率测量（二）如何实现等精度测量？第五讲时间频率测量（二）1.多周期同步测频●原理采用预置闸门，用fx对预置闸门同步，在实际的同步闸门时间内同时对fx计数得被测信号整周期计数得Nx。为确定同步闸门时间，用另一计数器对标准频率f0计数得N0。一、多周期同步测量技术高分辨时间和频率测量技术第五讲时间频率测量（二）●工作波形●误差：Nx无±1误差，N0存在±1误差，但一般N0较大，±1/N0较小。0000'xxxxsNNNffTNTN第五讲时间频率测量（二）2.多周期测周●原理：为降低对单个周期测量的影响，利用其随机性，可由多个周期构成闸门时间，使相邻周期的相互抵消。12TT、10T’x△T1△T210TxTx1Tx10△T2TxA’1A1VnA’2A2A’9A9A’10A10第五讲时间频率测量（二）二、游标法◆数字式游标法实现的原理和游标卡尺的原理相似，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次的叠加，直到叠加的值达到一个量化单位为止，通过计算便可以获得较精确的差值。◆设主时钟频率F01＝1/T01和游标时钟F02＝1/T02。F01F02(T01T02)且F01和F02非常接近。即差值ΔT0=T02－T01很小。第五讲时间频率测量（二）起始脉冲停止脉冲输入信号开门脉冲（Q1）(R-S触发器)开门脉冲（Q2）(D触发器)主时钟（F01）游标脉冲1（F02）游标脉冲2（F02）x01234567896N2=6N0=8N1=4T01T02T02符合点2符合点1123451234512◆开门时1101102NTNT11020110()NTTNT◆关门时22020120()NTTNT第五讲时间频率测量（二）被测时间间隔为：定义扩展系数K，则游标时钟周期用K可表示为：而于是，被测时间间隔可写成：012001120()xNTNNT010100201TTKTTT020111TTK00201011TTTTK011200112001()()xTNNNTNNNTKK01012()TNKNNK第五讲时间频率测量（二）微波频率测量技术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，主要采用变频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。第五讲时间频率测量（二）xsIfNff混频器差频放大器电子计数器谐波滤波器谐波发生器输入fxfIfs变频法变频法（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。第五讲时间频率测量（二）◆阿伦方差测量方案阿仑方差的测量，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。测量方案如下图。计数器（1）门控2B计数器（2）A通道闸门时间晶振时标B通道门控1AabK1abK21234第五讲时间频率测量（二）其波形如下图所示：第五讲时间频率测量（二）例：用计数式频率计测量频率，已知晶振频率fc的相对误差为Δfc/fc=±5×10-8，闸门时间T=1S时，计数器读数为5400，试求此时的测频误差为多大?若闸门时间扩大到10S，则此时的测频误差又为多大?第五讲时间频率测量（二）思考题？