電子測量第4章時間及頻率測量

1、簡述簡述GPS定位原理及其與時間定位原理及其與時間/頻率基準(zhǔn)的關(guān)系。頻率基準(zhǔn)的關(guān)系。分析通用電子計數(shù)器各測量功能的實(shí)現(xiàn)。分析通用電子計數(shù)器各測量功能的實(shí)現(xiàn)。分析雙游標(biāo)法減小時間量化誤差的原理。分析雙游標(biāo)法減小時間量化誤差的原理。簡述頻率比對的常用方法。簡述頻率比對的常用方法。簡述阿倫方差的物理意義及測量方法。簡述阿倫方差的物理意義及測量方法。簡述相位噪聲的物理意義及測量方法。簡述相位噪聲的物理意義及測量方法。教材思考與練習(xí)題：教材思考與練習(xí)題：4-5、4-7、4-8 4.1 4.1 概述概述時間時間:“:“時刻時刻”、“時間間隔時間間隔” 頻率頻率: :周期信號在單位時間（周期信號在單位時間（

2、1s1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔定時間間隔T T內(nèi)周期信號重復(fù)變化了內(nèi)周期信號重復(fù)變化了N N次，則次，則 f fN/TN/T（1 1）時間）時間/ /頻率的基礎(chǔ)性頻率的基礎(chǔ)性任何物理現(xiàn)象都在一定的時間和空間里呈現(xiàn)任何物理現(xiàn)象都在一定的時間和空間里呈現(xiàn)時間單位是時間單位是7個基本國際單位之一個基本國際單位之一m, kg, s, A, K, mol, cd（2 2）頻率基準(zhǔn)及頻率測量精度極高）頻率基準(zhǔn)及頻率測量精度極高銫原子頻率基準(zhǔn)準(zhǔn)確度達(dá)銫原子頻率基準(zhǔn)準(zhǔn)確度達(dá)1010-15-15，未來光學(xué)頻標(biāo)準(zhǔn)確度可望達(dá)，未來光學(xué)頻標(biāo)準(zhǔn)確度可望達(dá)1010-

3、18-18很多物理量測量轉(zhuǎn)換為時間很多物理量測量轉(zhuǎn)換為時間/頻率測量頻率測量長度單位：根據(jù)光在真空中一定時間內(nèi)所經(jīng)歷的路徑長度而定義長度單位：根據(jù)光在真空中一定時間內(nèi)所經(jīng)歷的路徑長度而定義電壓標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)將電壓轉(zhuǎn)換為頻率基準(zhǔn)進(jìn)行測量電壓標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)將電壓轉(zhuǎn)換為頻率基準(zhǔn)進(jìn)行測量雙斜式雙斜式ADC：基于：基于V-T變換變換（3）時頻測量技術(shù)應(yīng)用廣泛）時頻測量技術(shù)應(yīng)用廣泛 幾乎所有的電子設(shè)備都離不開時鐘幾乎所有的電子設(shè)備都離不開時鐘 最有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域：導(dǎo)航和通信最有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域：導(dǎo)航和通信 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(美美GPS、俄、俄GLONASS、北斗、北斗)

4、GPS:24顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星, 任何地方任何時候都可以至少看到任何地方任何時候都可以至少看到4-11顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。 GPS定位原理：測距定位原理：測距 如果衛(wèi)星與用戶接收機(jī)的時鐘嚴(yán)格同步，并且衛(wèi)星的位置、發(fā)射導(dǎo)航信如果衛(wèi)星與用戶接收機(jī)的時鐘嚴(yán)格同步，并且衛(wèi)星的位置、發(fā)射導(dǎo)航信號的時刻信息確定，則可以通過在同一時刻號的時刻信息確定，則可以通過在同一時刻tr同時接收同時接收3顆顆GPS星的發(fā)播信星的發(fā)播信號，求解用戶接收機(jī)的坐標(biāo)位置。號，求解用戶接收機(jī)的坐標(biāo)位置。 實(shí)際上實(shí)際上,用戶接收機(jī)與衛(wèi)星時鐘存在一定的用戶接收機(jī)與衛(wèi)星時鐘存在一定的時間差時間差,需同時觀測需同時觀測4顆衛(wèi)星實(shí)顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位現(xiàn)定

5、位.222)()()()(ZZYYXXttcjjjsjrj1.1.天文時標(biāo)天文時標(biāo) 世界時（世界時（UT,Universal TimeUT,Universal Time）: :以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)。以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)。1/(241/(24606060)=1/86400 60)=1/86400 天為天為1 1秒，秒，10107 7量級。量級。平太陽時：平太陽時：自轉(zhuǎn)不均勻性，以假想自轉(zhuǎn)不均勻性，以假想平太陽平太陽作為基本參考點(diǎn)。作為基本參考點(diǎn)。零類世界時零類世界時（UTUT0 0 ）：以平太陽的子夜）：以平太陽的子夜0 0時為參考。時為參考。第一類世界時第一類世界時（UTUT1 1）：修正極移效應(yīng)（自

6、轉(zhuǎn)軸微小位移）。）：修正極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）。第二類世界時第二類世界時（UTUT2 2）：修正季節(jié)性變化。準(zhǔn)確度）：修正季節(jié)性變化。準(zhǔn)確度3 310109 9 。 歷書時（歷書時（ETET）：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為依據(jù)。）：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為依據(jù)。1/31 556 925.9747 1/31 556 925.9747 年年 為為1 1秒。秒。參考點(diǎn)為參考點(diǎn)為19001900年年1 1月月1 1日日0 0時（國際天文學(xué)會定義），準(zhǔn)確度時（國際天文學(xué)會定義），準(zhǔn)確度1 110109 9 。19601960年第年第1111屆國際計量大會接受為屆國際計量大會接受為“秒秒”的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。（1）原子時標(biāo)

7、（）原子時標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ)）的量子電子學(xué)基礎(chǔ) 原子原子( (分子分子) )在能級躍遷中將吸收在能級躍遷中將吸收( (低能級到高能級低能級到高能級) )或輻射（高能級到低或輻射（高能級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。能級）電磁波，其頻率是恒定的。hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em m （h=6.6252h=6.62521010-27-27普朗克常數(shù)）普朗克常數(shù)）常用于原子頻標(biāo)的原子：銫、銣、氫常用于原子頻標(biāo)的原子：銫、銣、氫只有一個價電子，電子和原子核的自旋要么平行要么反平行只有一個價電子，電子和原子核的自旋要么平行要么反平行原子對應(yīng)的能量只有兩種，構(gòu)成超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級原子對

8、應(yīng)的能量只有兩種，構(gòu)成超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級銫、銣、氫在兩個能級之間遷躍將吸收或釋放能量，對應(yīng)的遷躍頻率分銫、銣、氫在兩個能級之間遷躍將吸收或釋放能量，對應(yīng)的遷躍頻率分別為別為9.192GHz、6.834GHz、1.420GHz，都在微波段，應(yīng)用方便。，都在微波段，應(yīng)用方便。（2）原子時標(biāo)的定義）原子時標(biāo)的定義 19671967年年1010月，第月，第1313屆國際計量大會。屆國際計量大會?！懊胧敲胧荂sCs133133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)原子基態(tài)的兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)結(jié)構(gòu)能級之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,7709,192,631,770個周期的時間個周期的

9、時間” 19721972年起實(shí)行。天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)年起實(shí)行。天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高4-54-5個量級，個量級，達(dá)達(dá)1010-15-15( (相當(dāng)于數(shù)百萬年相當(dāng)于數(shù)百萬年1 1秒秒) ) 。（3）原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（原子鐘）原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（原子鐘） 原子時標(biāo)的實(shí)物儀器，用于時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對。原子時標(biāo)的實(shí)物儀器，用于時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對。 銫原子鐘銫原子鐘:10-1410-15被動型被動型銫束管銫束管大銫鐘大銫鐘,專用高穩(wěn)基準(zhǔn)；小銫鐘專用高穩(wěn)基準(zhǔn)；小銫鐘,工作基準(zhǔn)工作基準(zhǔn) 銣原子鐘銣原子鐘:10-11，短穩(wěn)，短穩(wěn)10-12 被動型被動型銣氣泡銣氣泡、主動型

10、、主動型銣激射器銣激射器體積小、重量輕，工作基準(zhǔn)體積小、重量輕，工作基準(zhǔn) 氫原子鐘氫原子鐘: 10-12，短穩(wěn)，短穩(wěn)10-1410-15主動型主動型氫激射器氫激射器、被動型氫激射器、被動型氫激射器笨重昂貴，一級標(biāo)準(zhǔn)笨重昂貴，一級標(biāo)準(zhǔn)？ 北斗原子鐘北斗原子鐘最常用的工作基準(zhǔn)最常用的工作基準(zhǔn)晶振晶振壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)電場電場- -壓力（形變）壓力（形變）主要影響因素主要影響因素溫度：溫度：頻率頻率- -溫度特性曲線溫度特性曲線【拐點(diǎn)溫度拐點(diǎn)溫度】零頻率溫度系數(shù)點(diǎn)溫度，在此溫度附近溫度系數(shù)最零頻率溫度系數(shù)點(diǎn)溫度，在此溫度附近溫度系數(shù)最小。晶體零溫度系數(shù)點(diǎn)大多在室溫附近。小。晶體零溫度系數(shù)點(diǎn)大多在室溫附

11、近。老化：老化：長期穩(wěn)定度。前期老化、后期老化。長期穩(wěn)定度。前期老化、后期老化。激勵電平：激勵電平：頻率相對變化與激勵電流的平方成正比頻率相對變化與激勵電流的平方成正比由于噪聲電平限制，激勵電平也不能過小由于噪聲電平限制，激勵電平也不能過小高精密晶振激勵電流一般小于高精密晶振激勵電流一般小于70uA70uA核輻射及加速度影響：核輻射及加速度影響：軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用A AG GC C放放大大器器溫溫度度控控制制隔隔離離放放大大器器加加熱熱器器傳傳感感器器輸輸出出頻頻率率調(diào)調(diào)整整晶晶體體電電路路絕絕熱熱層層溫補(bǔ)晶振（溫補(bǔ)晶振（TCXO）：）：1010-6-6- 10- 10-7-7恒溫晶振（恒溫晶振

12、（ OCXO ）：優(yōu)于）：優(yōu)于1010-8-8 三類晶振三類晶振普通晶振：普通晶振：1010-5-5測量方法分類測量方法分類不同的實(shí)現(xiàn)原理，不同的準(zhǔn)確度和適用范圍差頻法拍頻法示波法諧振法電橋法比較法直讀法李沙育圖形法測周期法模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法 4.3 4.3 時間與頻率測量原理時間與頻率測量原理 利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來測量頻率值，分為利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來測量頻率值，分為諧振法和電橋法諧振法和電橋法兩種。兩種。（1 1）諧振法諧振法 調(diào)節(jié)可變電容器調(diào)節(jié)可變電容器C使回路發(fā)生諧振，此時回路電流達(dá)到最大使回路發(fā)生諧振，此時回路電流達(dá)到最大(高頻電壓表高頻電

13、壓表指示指示) 。 可測量可測量1500MHz以下的頻率，準(zhǔn)確度以下的頻率，準(zhǔn)確度(0.25(0.251)%1)%。 f fx xM ML LI IC C012xffLC 利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來進(jìn)行頻率測量利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來進(jìn)行頻率測量, 文氏電橋，調(diào)文氏電橋，調(diào)節(jié)節(jié)R1、R2使電橋達(dá)到平衡。使電橋達(dá)到平衡。R R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2 2f fx x1212122xxfRRCCx1x2jjCC143211（R +）R （）R1R12xfRCR1=R2=R, C1=C2=C受元件精度、判斷電橋平衡的準(zhǔn)確程度（取決受元件精度

14、、判斷電橋平衡的準(zhǔn)確程度（取決于橋路諧振特性的尖銳度即指示器的靈敏度）于橋路諧振特性的尖銳度即指示器的靈敏度）和被測信號的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，和被測信號的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，一般約為一般約為(0.5(0.51)%1)%。基本原理：基本原理：利用標(biāo)準(zhǔn)頻率利用標(biāo)準(zhǔn)頻率f fs s和被測量頻率和被測量頻率f fx x進(jìn)行比較來進(jìn)行比較來測量頻率。有拍頻法、外差法、示波法等。測量頻率。有拍頻法、外差法、示波法等。xsfN f拍頻法拍頻法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率疊加，由指示器（耳機(jī)或：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率疊加，由指示器（耳機(jī)或電壓表）指示。適于音頻測量（很少用）。電壓表）指示。適于音頻測量

15、（很少用）。【差拍差拍 】干涉波被接收輸出后的聽覺反映干涉波被接收輸出后的聽覺反映, ,當(dāng)當(dāng)f20hzf20hz時時, ,呈現(xiàn)為連續(xù)的差頻叫聲呈現(xiàn)為連續(xù)的差頻叫聲, ,所以被稱所以被稱為差拍。兩個不同頻率的聲音相互作用而形成的周期性變化，幅值按兩個頻率之差周期為差拍。兩個不同頻率的聲音相互作用而形成的周期性變化，幅值按兩個頻率之差周期性地增減，出現(xiàn)聲音音量幅度調(diào)制、上下起伏。性地增減，出現(xiàn)聲音音量幅度調(diào)制、上下起伏。 外差法外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率混頻，取出差頻并測量。：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率混頻，取出差頻并測量?？蓽y量范圍達(dá)幾十可測量范圍達(dá)幾十MHz（外差式頻率計）。（外差式頻率計）。示波

16、法示波法：李沙育圖形法：李沙育圖形法：將將fx和和fs分別接到示波器分別接到示波器Y軸和軸和X軸（軸（X-Y圖示方式），當(dāng)圖示方式），當(dāng)fxfs時顯示為斜線（橢圓或園）。時顯示為斜線（橢圓或園）。測周期法：測周期法：根據(jù)顯示波形由根據(jù)顯示波形由X通道掃描速率得到周期。通道掃描速率得到周期。 頻率測量：確定一個取樣時間頻率測量：確定一個取樣時間T，在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計，在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù)數(shù)(N)，根據(jù)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。得到頻率值。 時間間隔測量：將被測時間按盡可能小的時間單位（時標(biāo)）進(jìn)行量化，時間間隔測量：將被測時間按盡可能小的時間單位（時標(biāo)）進(jìn)行量化，累

17、計被測時間內(nèi)所包含的時間單位數(shù)。累計被測時間內(nèi)所包含的時間單位數(shù)。 “閘門閘門”控制：將需累加計數(shù)的信號（頻率測量時為被測信號，時間測控制：將需累加計數(shù)的信號（頻率測量時為被測信號，時間測量時為時標(biāo)信號），由一個量時為時標(biāo)信號），由一個“門控門控”信號控制。信號控制。與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C測頻時，閘門時間即測頻時，閘門時間即為采樣時間。為采樣時間。測時時，閘門開啟時測時時，閘門開啟時間即為被測時間。間即為被測時間。十進(jìn)制計數(shù)器，閘門時間設(shè)定為十進(jìn)制計數(shù)器，閘門時間設(shè)定為10的冪次方的冪次方，直接顯示計數(shù)結(jié)果，直接顯示計數(shù)結(jié)果，移動小數(shù)點(diǎn)和單位

18、的配合，得到被測頻率。移動小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，得到被測頻率。測量速度與分辨力測量速度與分辨力：閘門時間：閘門時間Ts為頻率測量的采樣時間，為頻率測量的采樣時間，Ts愈大，愈大，測量時間愈長，但計數(shù)值測量時間愈長，但計數(shù)值N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。TB放大、整形放大、整形閘閘門門門控電路門控電路計數(shù)計數(shù)顯示顯示Afx分頻電路分頻電路時基時基TsBAABTfNTf “時標(biāo)計數(shù)法時標(biāo)計數(shù)法”,在在Tx內(nèi)計數(shù)器對時標(biāo)計數(shù)。內(nèi)計數(shù)器對時標(biāo)計數(shù)。頻率高者頻率高者A通道通道頻率低者頻率低者B通道通道B通道擴(kuò)展通道擴(kuò)展 時間間隔的兩個時刻點(diǎn)由兩個時間間隔的兩個時刻點(diǎn)由兩個事件事件確定。如確定。如同

19、一波形上兩個不同點(diǎn)同一波形上兩個不同點(diǎn)脈沖信號參數(shù)脈沖信號參數(shù)；手動觸發(fā)；手動觸發(fā)定時、累加計數(shù)。定時、累加計數(shù)。 兩個事件觸發(fā)得到起始信號和終止信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到兩個事件觸發(fā)得到起始信號和終止信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門控信號門控信號”，采用，采用“時標(biāo)計數(shù)時標(biāo)計數(shù)” 觸發(fā)極性觸發(fā)極性選擇和選擇和觸發(fā)電平觸發(fā)電平調(diào)節(jié)：靈活完成各種時間間隔的測量。如各調(diào)節(jié)：靈活完成各種時間間隔的測量。如各種種脈沖參數(shù)測量脈沖參數(shù)測量、相位差測量相位差測量。 （1 1）量化誤差）量化誤差量化誤差：截斷誤差，量化誤差：截斷誤差，1 1誤差誤差 產(chǎn)生原因：閘門與被測信號不同步產(chǎn)生原因：閘門與被測信號不

20、同步, , 時間零頭時間零頭（2 2）觸發(fā)誤差）觸發(fā)誤差 輸入信號輸入信號脈沖信號，脈沖信號，“轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差”（3 3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差時基準(zhǔn)確度和測量時間之內(nèi)的短期穩(wěn)時基準(zhǔn)確度和測量時間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度直接影響測量結(jié)果。定度直接影響測量結(jié)果。要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測量誤差的一要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測量誤差的一個數(shù)量級。個數(shù)量級。外部基準(zhǔn)源。外部基準(zhǔn)源。（1 1）誤差表達(dá)式）誤差表達(dá)式 fx=N/Ts=NfsxsxsffNfNf1xcxsxcfffT ff （2 2）量化誤差）量化誤差（3 3）觸發(fā)誤差）觸發(fā)誤差 尖峰脈沖的干擾尖峰脈沖的干擾: 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變，對計數(shù)影響不大。引起

21、觸發(fā)點(diǎn)的改變，對計數(shù)影響不大。高頻疊加干擾高頻疊加干擾:產(chǎn)生錯誤計數(shù)。產(chǎn)生錯誤計數(shù)。措施措施:增大觸發(fā)窗或減小信號幅度增大觸發(fā)窗或減小信號幅度; 輸入濾波。輸入濾波。 00TTNNTTxx0 xTN TccxxccxccTfTkkTT fTT ff 測頻時，測頻時，fx愈低，量化誤差愈大；愈低，量化誤差愈大； 測周時，測周時，fx愈高，量愈高，量化誤差愈大。在測頻與測周之間，存在一個中界頻率化誤差愈大。在測頻與測周之間，存在一個中界頻率fm，當(dāng)當(dāng)fxfm時，應(yīng)采用測頻；當(dāng)時，應(yīng)采用測頻；當(dāng)fxfm時，應(yīng)采用測周。時，應(yīng)采用測周。01msfT T例：若例：若Ts=1s,T0=1us，則，則fm=

22、1kHz,在該頻率上在該頻率上,測頻與測測頻與測周的量化誤差相等。周的量化誤差相等。尖峰脈沖的干擾對測量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。尖峰脈沖的干擾對測量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。 設(shè)輸入為正弦波：設(shè)輸入為正弦波： ,干擾幅度為干擾幅度為Vn。 對觸發(fā)點(diǎn)對觸發(fā)點(diǎn)A1作切線作切線ab，其斜率為，其斜率為sinxmxvVttanxBxvVdvdttannVT觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。22)(12sin12cosmBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBxta n2nxnmVTVTV（如選擇過零觸發(fā)）22122xnnmTVTTTV測周時為減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比。測周時為

23、減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比。（考慮開始和結(jié)束都存在觸發(fā)誤差）按功能：按功能： 通用計數(shù)器：測頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)等。測量功能可擴(kuò)展。 頻率計數(shù)器：測頻和計數(shù)。但測頻范圍往往很寬。 時間計數(shù)器：以時間測量為基礎(chǔ)，測時分辨力和準(zhǔn)確度高。 特種計數(shù)器：特殊功能。包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預(yù)置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控。按用途：按用途： 測量用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。按測量范圍：按測量范圍： 低速（低于10MHz）、中速（10-100MHz） 高速（高于100MHz）、微波（1-80GHz）測量范圍：毫赫測量范圍：毫赫幾十幾十GHz。準(zhǔn)確度：可達(dá)準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。以上。晶振頻率及

24、穩(wěn)定度：內(nèi)部基準(zhǔn)，普通晶振頻率及穩(wěn)定度：內(nèi)部基準(zhǔn)，普通10-5，恒溫，恒溫10-710-9。輸入特性：耦合方式（輸入特性：耦合方式（DC/AC）、觸發(fā)電平、靈敏度）、觸發(fā)電平、靈敏度（10100mV）、輸入阻抗（）、輸入阻抗（50 和和1M /25pF/25pF）等。）等。閘門時間閘門時間(測頻測頻)：如：如1ms、10ms、100ms、1s、10s。時標(biāo)時標(biāo)(測周測周)：如：如10ns、100ns、1ms、10ms。顯示能力：顯示位數(shù)及顯示方式等。顯示能力：顯示位數(shù)及顯示方式等。輸入通道輸入通道：通常有多個，預(yù)定標(biāo)器可擴(kuò)展測量范圍。：通常有多個，預(yù)定標(biāo)器可擴(kuò)展測量范圍。主門電路主門電路：閘門

25、控制。：閘門控制。計數(shù)與顯示電路計數(shù)與顯示電路：時基產(chǎn)生電路時基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生時標(biāo)和頻率測量的閘門信號。：產(chǎn)生時標(biāo)和頻率測量的閘門信號?？刂齐娐房刂齐娐罚簻?zhǔn)備：準(zhǔn)備測量測量顯示。顯示。數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制計數(shù)器 A通道(放大、整形)B 通 道 ( 放大、整形) 主 門功能開關(guān)閘門選擇、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1) 時標(biāo)選擇12345332112445時基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時序電路開門鎖存復(fù)位控制時序電路波形序號計數(shù)端信號(A)控制端信號(B、C

26、)測試功能計數(shù)結(jié)果1內(nèi)時鐘（T0）內(nèi)時鐘（T）自檢自檢N=T/T02被測信號（fx）內(nèi)時鐘（T）測量頻率（A）fxN/T3內(nèi)時鐘（T0）被測周期（Tx）測量周期（B）TxNT04被測信號（fA）被測信號（fB）測量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時鐘（T0）被測信號相應(yīng)間隔tB-C測量時間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（TA）被測信號相應(yīng)間隔tB-C測量外控時間間隔B-CtB-C=NTA7外待測信號（Nx）手控或遙控累加計數(shù)（A）NxN8內(nèi)時鐘（秒信號）手控或遙控計時 N（秒）“門控信號”還可手動操作，如實(shí)現(xiàn)手動累加計數(shù)。與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA A

27、B BC C十進(jìn)制計數(shù)電路，十進(jìn)制計數(shù)電路，最高計數(shù)頻率最高計數(shù)頻率主要由個位計數(shù)器決定主要由個位計數(shù)器決定中小規(guī)模計數(shù)器中小規(guī)模計數(shù)器IC如：如：74LS90（MC11C90）十進(jìn)制計數(shù)）十進(jìn)制計數(shù)器；器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計數(shù)器。為雙十進(jìn)制計數(shù)器。可編程計數(shù)器可編程計數(shù)器IC如：如：Intel8253/8254等。等。LED、LCD 、熒光（、熒光（VFD）顯示。）顯示。顯示電路包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。顯示電路包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。專用計數(shù)與顯示單元電路：如專用計數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。產(chǎn)生測頻時的產(chǎn)生測頻時的“門控信號門控信號”（

28、閘門時間）及時間測量時的（閘門時間）及時間測量時的“時標(biāo)時標(biāo)”信號。信號。由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號門控信號”。準(zhǔn)備期準(zhǔn)備期 （ 復(fù)零，等待）復(fù)零，等待） 測量期測量期 （開門，計數(shù)）（開門，計數(shù)） 顯示期顯示期（關(guān)門，停止計數(shù)）（關(guān)門，停止計數(shù)）控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按“復(fù)零測量顯示復(fù)零測量顯示”的工作的工作程序完成自動測量的任務(wù)程序完成自動測量的任務(wù)減小量化誤差和觸發(fā)誤差減小量化誤差和觸發(fā)誤差12xncxxc

29、mcTVfkTmT fVfm 閘門時間閘門時間=被測信號整周期數(shù)。被測信號整周期數(shù)。 被測信號計數(shù)被測信號計數(shù)Nx 同步閘門的測量同步閘門的測量N0 Nx無無1誤差，誤差， N0存在存在1誤誤差，但一般差，但一般N0較大，較大，1/N0較較小。小。 實(shí)現(xiàn)不同閘門時間內(nèi)的實(shí)現(xiàn)不同閘門時間內(nèi)的等精度等精度測量測量。0000 xxxxsNNNffTN TN開門脈沖發(fā)生器計數(shù)器AAxNfT計數(shù)器B0BNfT運(yùn)算電路0AxBNffNDQC時鐘發(fā)生器放大整形顯示閘門A閘門B同步電路Pfxf0輸入fx 減小量化誤差受時基和計數(shù)器工作頻率、計數(shù)容量限制。減小量化誤差受時基和計數(shù)器工作頻率、計數(shù)容量限制。 內(nèi)插

30、法：測量量化單位以下的尾數(shù)內(nèi)插法：測量量化單位以下的尾數(shù)(零頭時間零頭時間)。Tx=TTx=T0 0+T+T1 1-T-T2 2輸輸入入信信號號起起始始終終止止時時鐘鐘脈脈沖沖xT1T0T2T 基本思路：對基本思路：對T T1 1和和T T2 2作時間擴(kuò)展作時間擴(kuò)展（放大）后測量。（放大）后測量。 三次測量三次測量 時間擴(kuò)展電路時間擴(kuò)展電路 校準(zhǔn)校準(zhǔn)整整形形、門門控控C C恒恒流流源源1kT1T起起始始控控制制信信號號游標(biāo)卡尺原理游標(biāo)卡尺原理，利用相差很微小的兩個量，對量化單位以下的差值，利用相差很微小的兩個量，對量化單位以下的差值進(jìn)行多次疊加，直到疊加的值達(dá)到一個量化單位為止，通過計算獲進(jìn)行

31、多次疊加，直到疊加的值達(dá)到一個量化單位為止，通過計算獲得較精確的差值。得較精確的差值。雙游標(biāo)法測量兩個零頭時間雙游標(biāo)法測量兩個零頭時間起起始始脈脈沖沖停停止止脈脈沖沖輸輸入入信信號號開開門門脈脈沖沖（Q Q1 1）( (R R- -S S觸觸發(fā)發(fā)器器) )開開門門脈脈沖沖（Q Q2 2）( (D D觸觸發(fā)發(fā)器器) )主主時時鐘鐘（F F0 01 1）游游標(biāo)標(biāo)脈脈沖沖1 1（F F0 02 2）游游標(biāo)標(biāo)脈脈沖沖2 2（F F0 02 2）x01 12 23 34 45 56 67 78 89 96 6N N2 2= =6 6N N0 0= =8 8N N1 1= =4 4T T0 01 1T T

32、0 02 2T T0 02 2符符合合點(diǎn)點(diǎn)2 2符符合合點(diǎn)點(diǎn)1 11 12 23 34 45 51 12 23 34 45 51211020110()N TTNT22020120()N TTNT011200112001()()xTNNN TNNNTKK01012()TN KNNK010100201TTKTTT00201011TTTTK分辨力由分辨力由T T0101提高到了提高到了T T0101/K/K。 多周期測量實(shí)際屬于硬件上的平均多周期測量實(shí)際屬于硬件上的平均。 多次測量取平均：利用隨機(jī)誤差的抵償性，減小測量誤差。多次測量取平均：利用隨機(jī)誤差的抵償性，減小測量誤差。11xxxxTfTfNn

33、 多次測量平均有效性的前提：多次測量平均有效性的前提：量化誤差的隨機(jī)性量化誤差的隨機(jī)性。 時基脈沖的隨機(jī)調(diào)相技術(shù)時基脈沖的隨機(jī)調(diào)相技術(shù)：采用齊納二極管產(chǎn)生噪聲對時基脈沖進(jìn)行：采用齊納二極管產(chǎn)生噪聲對時基脈沖進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，使時基脈沖具有隨機(jī)相位抖動。隨機(jī)相位調(diào)制，使時基脈沖具有隨機(jī)相位抖動。 基基 準(zhǔn)準(zhǔn)振振 蕩蕩 器器倍倍 頻頻 器器1 1 0 0 M M H H z z具具 有有 變變 容容 調(diào)調(diào) 相相 器器的的 1 1 0 0 M M H H z z 回回 路路K KA A G G C C放放 大大 器器 E E齊齊 納納噪噪 聲聲 源源5 5 0 0 0 0 M M H H z z已已

34、 調(diào)調(diào) 制制 時時 基基 脈脈 沖沖 5 5 0 0變頻法（外差法）變頻法（外差法）：將被測微波信號經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號，：將被測微波信號經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號，再由電子計數(shù)器計數(shù)。再由電子計數(shù)器計數(shù)?；祛l器差頻放大器電子計數(shù)器諧波濾波器（YIG電調(diào)濾波器）諧波發(fā)生器（階躍恢復(fù)二極管）輸入fxfI 輸入fs 輸出Nfs掃描捕獲電路檢波器fI （fx-Nfs）xsIfN ff 諧波諧波Nfs幅度低，靈幅度低，靈敏度低敏度低 fI跟蹤跟蹤fx變化，直接變化，直接測量測量fI ，分辨力高，分辨力高當(dāng)中頻信號落在差頻放大器的通頻帶內(nèi)時，檢波器輸出信號停止掃描電路掃描。利用一個頻率較低

35、的置換振蕩器的利用一個頻率較低的置換振蕩器的N N次諧波，與被測微波頻率次諧波，與被測微波頻率f fx x進(jìn)行進(jìn)行分頻分頻式鎖相，式鎖相，把把f fx x轉(zhuǎn)換到較低的頻率轉(zhuǎn)換到較低的頻率f fL L（100MHz100MHz以下）。以下）。主通道：主通道： f fI I=fx-Nf=fx-NfL L=fs=fs fx = fs+ Nffx = fs+ NfL L固定中頻，差頻放大器固定中頻，差頻放大器放大倍數(shù)高，鎖相環(huán)路放大倍數(shù)高，鎖相環(huán)路增益高，靈敏度高。增益高，靈敏度高。測量量為測量量為f fL L，VCOVCO輸出，輸出，置換振蕩器法，置換振蕩器法，fxfx分辨分辨力降低力降低N N倍。

36、倍。輔助通道：確定輔助通道：確定N N。 晶振的晶振的老化與漂移老化與漂移，需要，需要定期校準(zhǔn)定期校準(zhǔn)（微調(diào)）。（微調(diào)）。 “頻率計量頻率計量”主要內(nèi)容為主要內(nèi)容為“頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度”。1 1、頻率準(zhǔn)確度：、頻率準(zhǔn)確度：實(shí)際頻率值實(shí)際頻率值fxfx對其標(biāo)稱值對其標(biāo)稱值f f0 0的相對頻率偏差。的相對頻率偏差。00,xfffff 2 2、頻率穩(wěn)定度：、頻率穩(wěn)定度：頻率準(zhǔn)確度隨時間的變化頻率準(zhǔn)確度隨時間的變化 頻率穩(wěn)定度引入時間概念，在一定時間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度引入時間概念，在一定時間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度 長期長期年、月、日；年、月、日；短期短期秒級穩(wěn)定度秒級穩(wěn)定度。 長期穩(wěn)定度長期

37、穩(wěn)定度是指石英諧振器老化引起的振蕩頻率在其平均值上的緩是指石英諧振器老化引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。慢變化，即頻率的老化漂移。 多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時間的預(yù)熱后，頻率多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時間的預(yù)熱后，頻率老化漂移往老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性往呈現(xiàn)良好的線性( (增加或減少增加或減少) )。2010210000021ffffffffKfffff 日老化率日老化率 最小二乘擬合，計算斜率最小二乘擬合，計算斜率 日波動日波動老化漂移老化漂移 + + 隨機(jī)起伏隨機(jī)起伏f f1 1f f2 21 1天天tf210ffKff fm mi in nf fm

38、 ma ax x1 1天天tfmaxmin0ffSf日老化率和日波動長期穩(wěn)定度1 1、短穩(wěn)的時域表征、短穩(wěn)的時域表征阿倫方差阿倫方差頻率穩(wěn)定度定義頻率穩(wěn)定度定義相對頻率起伏相對頻率起伏由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相，頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均為時間由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相，頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均為時間t t的的函數(shù)。將頻率源輸出信號作為隨機(jī)過程函數(shù)。將頻率源輸出信號作為隨機(jī)過程00( )sin2( )v tAf tt0( )( )( ),( )2tdtf tffftdt 00( )/ 2ftff( ) t為瞬時相位（起伏變化）瞬時頻率 相對頻率起伏相對頻率起伏標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差相對頻率起伏為隨機(jī)變

39、量，用取樣方差表示誤差相對頻率起伏為隨機(jī)變量，用取樣方差表示誤差2210011niifn ffffn對f(t)作n次測量，用貝塞爾公式計算其估計值。實(shí)際fi是平均值（P175） 廣義廣義阿侖方差阿侖方差當(dāng)存在當(dāng)存在閃爍相位噪聲閃爍相位噪聲（1/f1/f低頻噪聲低頻噪聲）時，上述標(biāo)準(zhǔn)偏差將發(fā)散。）時，上述標(biāo)準(zhǔn)偏差將發(fā)散。將上述將上述N N次測量重復(fù)多次（次測量重復(fù)多次（m m組），可以證明：組），可以證明：m m個標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值的個標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值的極限存在。極限存在。mTNTNmim)()(22lim、【閃變噪聲閃變噪聲】一種在低頻（一種在低頻（1kHz1kHz）下具有很大影響的噪聲，來源可

40、能是半導(dǎo)體內(nèi)）下具有很大影響的噪聲，來源可能是半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的各種雜質(zhì)、缺陷等所造成的一些不穩(wěn)定性因素，引起的噪聲電流均方值部或表面的各種雜質(zhì)、缺陷等所造成的一些不穩(wěn)定性因素，引起的噪聲電流均方值與交流信號頻率之間近似有反比關(guān)系，常常稱這種噪聲為與交流信號頻率之間近似有反比關(guān)系，常常稱這種噪聲為1/f 1/f 噪聲。噪聲。 :T采樣周期：采樣時間21012miiiafffmf fi i和和f fi i為相鄰（無間隙）兩次測量值，并將其作為一組，共為相鄰（無間隙）兩次測量值，并將其作為一組，共進(jìn)行進(jìn)行m m組測量得到組測量得到2m2m個數(shù)據(jù)。個數(shù)據(jù)。阿侖方差描述相鄰兩次頻率值的起伏變化。阿侖方

41、差描述相鄰兩次頻率值的起伏變化。1/f1/f噪聲在相鄰兩噪聲在相鄰兩次測量中無影響。次測量中無影響。秒級穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時間秒級穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時間1s1s，組數(shù)，組數(shù)100100。 阿倫方差阿倫方差 N=2, T= 時，為阿侖方差時，為阿侖方差22221122211()() 22()() ()22 2mmiiiiiiiiiammiiiiiiiiffffffmmffffffmm需要進(jìn)行相鄰兩次連續(xù)取樣。可需要進(jìn)行相鄰兩次連續(xù)取樣?？捎脙膳_計數(shù)器交替工作實(shí)現(xiàn)。用兩臺計數(shù)器交替工作實(shí)現(xiàn)。計計數(shù)數(shù)器器（1 1）門門控控2 2B B計計數(shù)數(shù)器器（2 2）A A通通道道閘閘門門時時間間晶晶振振時時標(biāo)標(biāo)B B通通道道門門控控 1 1A Aa ab bK K1 1a ab bK K2 21 12 23 34 4K1、K2接a，信號由A通道輸入，測頻方式。第一個閘門時間計數(shù)器1工作，測得f1；第二個閘門時間計數(shù)器2工作，測得f1。往復(fù)。開關(guān)K1、K2接b，計數(shù)器即工作在測周方式，信號由B通道輸入。 阿侖方差的局限性：較好地描述秒級頻率穩(wěn)定度。但對于更短時間（如阿侖方差的局限性：較好地描述秒級頻率穩(wěn)定度。但對于更短時間（如10ms以內(nèi)）的短期頻率穩(wěn)定