電子測量第三章

1、第三章 頻率時間測量第第3章頻率時間測量章頻率時間測量3.1 概述概述3.2 電子計數(shù)法測量頻率電子計數(shù)法測量頻率3.3 電子計數(shù)法測量周期電子計數(shù)法測量周期3.4 電子計數(shù)法測量時間間隔電子計數(shù)法測量時間間隔3.5 減小計數(shù)器減小計數(shù)器1誤差的方法誤差的方法3.6 模擬法測頻模擬法測頻思考與練習思考與練習第三章 頻率時間測量3-1概述一、時間和頻率的定義1、時間有兩個含義、時間有兩個含義：“時刻”：即某個事件何時發(fā)生；“時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久。2、頻率的定義、頻率的定義：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T內(nèi)周期信號重復變化了N次，則

2、頻率可表達為：fN/T3、時間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。第三章 頻率時間測量二、第三章 頻率時間測量第三章 頻率時間測量第三章 頻率時間測量n原子鐘原子鐘n原子時標的實物儀器，可用于時間、頻率標準的發(fā)布和比對。原子時標的實物儀器，可用于時間、頻率標準的發(fā)布和比對。n銫原子鐘銫原子鐘n準確度：準確度：10-1310-14。n大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準；小銫鐘，頻率工作基準。大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準；小銫鐘，頻率工作基準。n銣原子鐘銣原子鐘n準確度：準確度： 10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準。，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準。n氫原子鐘氫原子鐘n短

3、期穩(wěn)定度高：短期穩(wěn)定度高：10-1410-15，但準確度較低（，但準確度較低（10-12）。）。3、協(xié)調(diào)世界時（、協(xié)調(diào)世界時（UTC）基于原子時又參考世界時基于原子時又參考世界時第三章 頻率時間測量n電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準采用石英晶體振蕩器（簡稱“晶振”）為基準信號源。n基于壓電效應產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點，在拐點處最平坦），普通晶體頻率準確度為10-5。n采用溫度補償或恒溫措施（恒定在拐點處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準確的頻率輸出。電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準第三章 頻率時間測量差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測周期法

4、模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法三、第三章 頻率時間測量下面介紹電子計數(shù)器的分類按功能可以分為如下四類： （1）通用計數(shù)器： （2）頻率計數(shù)器： （3）時間計數(shù)器： （4）特種計數(shù)器:五、頻率測量的數(shù)字方法電子計數(shù)式是目前最好的測頻方法 第三章 頻率時間測量多功能計數(shù)器第三章 頻率時間測量函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器第三章 頻率時間測量頻率計第三章 頻率時間測量電子計數(shù)器面板及控鍵示意圖第三章 頻率時間測量通用電子計數(shù)器的組成框圖：第三章 頻率時間測量n通用計數(shù)器包括如下幾個部分n輸入通道輸入通道：通常有A、B、C多個通道，以實現(xiàn)不同的測量功能。輸入通道電路對輸入信號進行放大、整形等（但

5、保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。n門控電路門控電路：完成計數(shù)的閘門控制作用。n計數(shù)與顯示電路計數(shù)與顯示電路：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果（反映測量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來n時基產(chǎn)生電路時基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機內(nèi)時間、頻率測量的基準，即時間測量的時標和頻率測量的閘門信號。n控制電路控制電路：控制協(xié)調(diào)整機工作，即準備測量顯示。第三章 頻率時間測量TNf實質(zhì)：比較法-fx與時基信號頻率相比A一、測量原理3-2、電子計數(shù)器測量頻率第三章 頻率時間測量TNf第三章 頻率時間測量二、誤差分析由TNfx誤差傳遞公式：TTNNTTfNNffxlnln兩個因素： NN1數(shù)

6、字化儀器特有的誤差 TT2閘門時間的相對誤差1、基本誤差第三章 頻率時間測量（1）、1誤差： 取決于閘門開啟時刻與第一個計數(shù)脈沖的時間關(guān)系可知：提高被測信號的頻率，或增大主門開啟時間，都可降低量化誤差的影響12tt、12tt T=NxT+t1t2 =N+xTtt21xT N=xTtt21 N1第三章 頻率時間測量（2）、標準頻率誤差閘門T的準確度決定于石英振蕩器提供頻率的準確度TkffcccCfKKTTccffTT（注意負號的意義）ccffTkkTTTlnlnccccfffkkkfk)ln(ln)ln(lnccff第三章 頻率時間測量)1(ccsxfffTf第三章 頻率時間測量（P106，3-

7、6）解：710)1(ccxxxffTfffsfTx11017不能用910T第三章 頻率時間測量除了固有誤差外， fx受噪聲和干擾影響引起測量誤差Tx1t觸發(fā)電平Tx2t觸發(fā)電平Tx3(a)無噪聲干擾的計數(shù)脈沖(b) 有噪聲干擾的計數(shù)脈沖2、觸發(fā)誤差的影響措施： （1）、減小增益（使噪聲幅度同時減小，小于觸發(fā)窗寬度）（2）、調(diào)整觸發(fā)窗位置（3）、盡可能加寬施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口第三章 頻率時間測量三、測量頻率范圍的擴大三、測量頻率范圍的擴大圖3-4 外差法擴頻測量原理框圖第三章 頻率時間測量第三章 頻率時間測量一、測周原理Tx內(nèi)脈沖數(shù)sxTTN 3.3 電子計數(shù)法測量周期電子計數(shù)法測量周期第三章

8、 頻率時間測量Tx內(nèi)脈沖數(shù)sxTTN 第三章 頻率時間測量TcTNX1NccXCCCXCXXffTTTTTTTT)(ccCCffTT1（1）、Tx增大，誤差減小ccffXXTT（2）、有限，使也有最小值二、誤差分析SXNTT SSSSXXXXTTNNTTTNNTTTlnln1、基本誤差第三章 頻率時間測量例如， 某計數(shù)式頻率計， |fc|/fc=210-7，在測量周期時， 取Tc1 s，則當Tx1 s時676102 . 11021101xxTT當Tx1 ms(fx1000 Hz)時， 測量誤差為%1 . 0102101101736xxTT%101021010101766xxTT當Tx10s(f

9、x100 kHz)時ccXCCCXCXXffTTTTTTTT第三章 頻率時間測量sinxmxvVt無干擾：有干擾：TxTxTxmVVnTxT21下一個mVVnTxT22法法為為隨隨機機的的，按按幾幾何何合合成成XT2221TTTn第三章 頻率時間測量10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A10mVVnTxTn21措施： 提高信噪比，以及多周期測量法22122xnnmTVTTTV多周期測量法12TT、第三章 頻率時間測量結(jié)論：（1）誤差組成：量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差、標準頻率誤差（2）多周期測量提高了測量準確度（3）選用小的時標可提高測周分辨力（4）應盡可能提

10、高信噪比12xncxxcmcTVfkTmT fVfm 第三章 頻率時間測量三、中界頻率三、中界頻率sxTNT0 xTNT0smmTTTT0msTTT01msfTT第三章 頻率時間測量 m：測周時的周期倍乘。 n:測頻時的閘門時間擴大倍數(shù)osmTnTmf【例例3-1】 某電子計數(shù)器在測頻時， 若可取的最大的閘門寬度T=10 s，并選擇n102； 在測周期時， 若可取的最小時標Tc=0.01s，并選擇周期倍乘m=104。 試確定該儀器可以選擇的中界頻率fz為多大。 解解： 將題目中的條件代入式(3-37)， 得kHz 62.311001. 0101001064czTnTmf第三章 頻率時間測量一、

11、時間間隔測量原理3.4 電子計數(shù)法測量時間間隔電子計數(shù)法測量時間間隔第三章 頻率時間測量觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器起始起始觸發(fā)器觸發(fā)器終止終止觸發(fā)器觸發(fā)器1MHz石英石英振蕩器振蕩器門控門控電路電路主門主門時基分頻器時基分頻器十進計數(shù)器十進計數(shù)器輸入輸入B輸入C觸發(fā)沿選擇觸發(fā)沿選擇1 s 10 s 10s+S時間間隔測量模式工作波形圖：時間間隔測量模式工作波形圖：輸入輸入B起始起始輸入輸入C終止終止門控信號門控信號時標時標被計時標數(shù)被計時標數(shù)第三章 頻率時間測量VBVc起始起始停止停止閘門時間閘門時間C(50%)B(50%)起始起始停止停止閘門時間閘門時間VBVcB(50%)C- (50%)(5

12、0%) B B+ (50%) C +(50%) (50%) C(90%)閘門信號閘門信號關(guān)門信號關(guān)門信號開門信號開門信號B (10%) 為完成各種時間間隔的測量，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。如下圖的脈沖參數(shù)測量。1、脈沖參數(shù)的測量第三章 頻率時間測量2、相位差的測量T1T2tV1V2相位差的測量圖221tt 第三章 頻率時間測量二、誤差分析二、誤差分析與測周期時類似mncccUUffTfTT211Um被測信號的幅值Un 噪聲的幅值【例例3-2】某計數(shù)器最高標準頻率fc max10 MHz。 若忽略標準頻率誤差與觸發(fā)誤差， 當被測時間間隔T50 s時， 其測量誤差？%

13、2 . 0101010501166cTfTT討論如何減少誤差？第三章 頻率時間測量【例例3-3】 某計數(shù)器最高標準頻率fc max10 MHz，要求最大相對誤差max1，若僅考慮量化誤差， 試確定用該計數(shù)器測量的最小時間間隔Tmin。 解解： 將已知條件代入式(3-39)， 得s 1001. 01010116maxmaxmincfT第三章 頻率時間測量減小1誤差對測量結(jié)果的影響是提高測量準確度的關(guān)鍵3.5 減小計數(shù)器減小計數(shù)器1誤差的方法誤差的方法主要有平均法、 多周期法、 采用模擬計數(shù)的內(nèi)插法、 采用數(shù)字技術(shù)的游標法等一、平均法一、平均法01liminn考慮到誤差的隨機性， 按隨機誤差的積累

14、定律來求平均測量的誤差限：nNTTnii121第三章 頻率時間測量對于1字量化誤差來說： (3-42) 2111NNNNn11故式(3-4)可改寫為 NnTT11必須使閘門開啟時刻和被測信號脈沖的關(guān)系是隨機的第三章 頻率時間測量二、多周期同步法二、多周期同步法前面周期測量時，多周期測量減小量化誤差和觸發(fā)誤差12xncxxcmcTVfkTmT fVfm 多周期同步測量法？倒數(shù)計數(shù)器就是采用多周期同步測量原理的典型方法第三章 頻率時間測量圖3-12 倒數(shù)計數(shù)器原理電路框圖0fNNfBAx第三章 頻率時間測量主門I 與計數(shù)器I ：測周模式主門 II 與計數(shù)器II： 測頻模式CXTTNcxnCnCff

15、fNTTN1010（倒數(shù)計數(shù)器）觸觸 發(fā)發(fā) 器器主主 門門I I時時 鐘鐘 f fc c計計 數(shù)數(shù) 器器 I I定定 標標 器器計計 數(shù)數(shù) 器器I II I主主 門門I II I門門 I II II I時時 基基 分分 頻頻 器器CTxTxcTNT預預 置置 到到 1 10 05 5 N NcfN10ncTfx第三章 頻率時間測量準確的Tx為：Tx=T0+T1-T2實現(xiàn)T1-T2的測量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三、模擬內(nèi)插擴展法內(nèi)插法目的：測量出量化單位以下的尾數(shù)(零頭時間)一般時間間隔測量的局限性：為減小量化誤差，需減小時標以增大計數(shù)值，但：1、時標的減

16、小受時基電路和計數(shù)器最高工作頻率限制， 2、計數(shù)器也有最大計數(shù)容量的限制（最大計數(shù)值）。第三章 頻率時間測量若T1、T2均擴展k倍，采用同一個時標（設(shè)為 ）分別測量T0、kT1、kT2，設(shè)計數(shù)值分別為：N0、N1、N2，則：01201200 xNNTTTTNkTx=T0+T1-T2由于T1和T2均很?。ㄐ∮跁r標），采用普通的“時標計數(shù)法”難以實現(xiàn)（需要非常小的時標）。實現(xiàn)的基本思路是：對T1和T2作時間擴展（放大）后測量。1、模擬內(nèi)插法原理n三次測量000TN0/kn意義：上式由于 不存在量化誤差，總量化誤差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相當于用 時標的普通時間測量。第三章 頻率時間測量2

17、、時間擴展電路時間擴展電路如右圖所示：工作原理以恒流源對電容器C充電，設(shè)充電時間為T1，而以(k-1)T1（可近似為kT1）時間緩慢放電，當放電到原電平時，所經(jīng)歷的時間為： T1=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍時間擴展。在kT1時間內(nèi)對時標計數(shù)。整整形形、門門控控C C恒恒流流源源1k T1T起起始始控控制制信信號號第三章 頻率時間測量圖3-13 內(nèi)插測量的信號關(guān)系第三章 頻率時間測量例如，擴展器控制的開門時間為T1的1000倍，即：T11000T1在T1時間內(nèi)對時標 計數(shù)得N1，則類似地： T21000T2在T2時間內(nèi)對時標 計數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測量分辨力提高了1000

18、倍。1011 0 0 0NT2021 0 0 0NT12x00)1000NNTN（00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第三章 頻率時間測量由此可見， 雖然在測T1、T2時依然存在1誤差， 但其相對大小可縮小1000倍， 使計數(shù)器的分辨力提高了三個數(shù)量級。 例如： 若標準時鐘的周期T0100ns， 則普通計數(shù)器的分辨力不會超過100 ns， 內(nèi)插后其分辨力提高到0.1 ns， 這相當于普通計數(shù)器用10 GHz時鐘時的分辨力， 測量準確度大大提高。 12x00)1000NNTN（第三章 頻率時間測量計數(shù)器的發(fā)展趨勢簡介第三章 頻率時間測量R R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2 2f fx x1212122xxfR R C C3.6 模擬法測頻模擬法測頻第三章 頻率時間測量2 2、諧振法諧振法LCffx210 適用于：適用于： f f 粗測、大功率信號以及設(shè)備附屬單元的測量粗測、大功率信號以及設(shè)備附屬單元的測量( (因為誤差較大因為誤差較大) )(a) 串聯(lián)諧振電路; (b) 并聯(lián)諧振電路第三章 頻率時間測量3 3、差頻法差頻法混