第2章 時(shí)頻測量

第2章時(shí)頻測量2.1概述2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.4高分辨力時(shí)間測量2.5調(diào)制域測量2.6小結(jié)哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院梁軍第2章時(shí)頻測量2.1概述2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.4高分辨力時(shí)間測量2.5調(diào)制域測量2.6小結(jié)2.1概述2.1.1問題的提出2.1.2時(shí)頻關(guān)系2.1.3頻率測量方法第2章時(shí)頻測量2.1概述2.1.1問題的提出2.1.2時(shí)頻關(guān)系2.1.3頻率測量方法第2章時(shí)頻測量時(shí)間或頻率是電子測量的基本參量時(shí)間是國際單位制中7個(gè)基本物理量之一時(shí)頻測量精度高、范圍寬，許多物理量測量可轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測量為什么首先學(xué)習(xí)時(shí)頻測量？2.1概述2.1.1問題的提出2.1.2時(shí)頻關(guān)系2.1.3頻率測量方法第2章時(shí)頻測量周期T：同一事件重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔時(shí)間t：“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”

tU0t1t2t3t4T頻率f：單位時(shí)間內(nèi)周期信號的重復(fù)次數(shù)時(shí)間與頻率的關(guān)系晶振頻率準(zhǔn)確決定時(shí)間準(zhǔn)確晶振215Hz液晶屏分頻計(jì)數(shù)譯碼振蕩驅(qū)動(dòng)電子表互為倒數(shù)、互相轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)等同時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)：原理準(zhǔn)確度計(jì)時(shí)系統(tǒng)特點(diǎn)天文時(shí)標(biāo)基于天體運(yùn)動(dòng)周期10－710－9（天文秒）天文時(shí)（世界時(shí)歷書時(shí)）宏觀計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)提供時(shí)刻和時(shí)間間隔準(zhǔn)確度低原子時(shí)標(biāo)基于原子輻射電磁波周期10－14（原子秒）原子時(shí)微觀計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)提供時(shí)間間隔準(zhǔn)確度高2.1概述2.1.1問題的提出2.1.2時(shí)頻關(guān)系2.1.3頻率測量方法第2章時(shí)頻測量頻率測量的方法直讀法比較法諧振法電橋法拍頻法差頻法示波法電子計(jì)數(shù)器法計(jì)數(shù)法電容充放電計(jì)數(shù)法李沙育圖形法測周期法第2章時(shí)頻測量2.1概述2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.4高分辨力時(shí)間測量2.5調(diào)制域測量2.6小結(jié)2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.2.1測頻原理2.2.2誤差分析第2章時(shí)頻測量頻率定義：信號在Ts秒內(nèi)重復(fù)變化N次，則該信號的頻率fx門電路復(fù)習(xí)：

與門A1/0B1/0C1/0同理“或”門、與非、或非門等也有類似功能。A0011B0101C0001計(jì)數(shù)器嚴(yán)格按照頻率定義實(shí)現(xiàn)頻率測量與門ABC閘門信號測頻原理：“定時(shí)計(jì)數(shù)”在已知標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)被測信號的脈沖數(shù)脈沖數(shù)=N計(jì)數(shù)法測頻組成框圖

計(jì)數(shù)

放大整形分頻顯示

晶振

門控

閘門控制電路

uxBCDE輸入電路TC時(shí)基電路時(shí)基電路分頻晶振

門控

BCTC時(shí)基電路tBCtTStTC閘門信號

閘門信號的標(biāo)準(zhǔn)性和多值性輸入電路

放大整形uxD輸入電路輸入電路的工作波形tttt放大整形微分uxD符合要求的計(jì)數(shù)脈沖信號閘門電路

閘門CDECtTSDtTXtENTXTS時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)N計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)

顯示

ETStENTX對TS時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)備期（復(fù)零，等待）顯示期（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）測量期（開門，計(jì)數(shù)）

電子計(jì)數(shù)器的工作控制流程控制電路

時(shí)基電路計(jì)數(shù)

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晶振

門控

閘門控制電路

uxBCDE輸入電路計(jì)數(shù)法測頻00tBCttTSDEtTXNtTXuxTC2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.2.1測頻原理2.2.2誤差分析第2章時(shí)頻測量測頻誤差項(xiàng)量化誤差也稱±1誤差測頻誤差

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差也稱標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差量化誤差N=7閘門信號N=8計(jì)數(shù)

閘門CDE脈沖信號與閘門信號時(shí)間不相關(guān)零頭時(shí)間零頭時(shí)間零頭時(shí)間

TX

TSNTXΔt1Δt2量化誤差

：結(jié)論：被測頻率越高，閘門時(shí)間越寬，誤差越小標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差tBCtTStA分頻晶振

門控

BCA時(shí)基電路TCTSTS晶振信號分頻得到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差

:fC結(jié)論：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差等于晶振頻率的誤差測頻誤差合成（1）計(jì)數(shù)器直接測頻的總誤差：TS越長、fx越高、標(biāo)頻精度越高，誤差越小（2）測量低頻時(shí)，1誤差較大，不宜采用此方法第2章時(shí)頻測量2.1概述2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.4高分辨力時(shí)間測量2.5調(diào)制域測量2.6小結(jié)、思考題2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.3.1測量周期原理2.3.2誤差分析2.3.3時(shí)間間隔測量第2章時(shí)頻測量2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.3.1測量周期原理2.3.2誤差分析2.3.3時(shí)間間隔測量第2章時(shí)頻測量閘門被測周期測周原理：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔量化被測周期

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔被測周期內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N閘門測頻、測周原理比較閘門待測的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的待測的

放大整形分頻

晶振

門控

閘門ux輸入電路時(shí)基電路計(jì)數(shù)法測頻率

放大整形時(shí)標(biāo)信號發(fā)生器

門控

閘門ux輸入電路放大整形時(shí)基電路計(jì)數(shù)法測周期交換待測信號、標(biāo)準(zhǔn)信號通道

計(jì)數(shù)

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標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器

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閘門控制電路

uxCDE輸入電路放大整形時(shí)基電路B計(jì)數(shù)法測周期組成框圖A時(shí)基電路放大整形標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器

閘門CD時(shí)基電路0DttCTC符合要求的計(jì)數(shù)脈沖信號輸入電路

門控

閘門ux輸入電路放大整形BA閘門信號tTXuxBtTXtA閘門電路

閘門BDE00BttDEtNTCTXTCTXTX時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)N

計(jì)數(shù)

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時(shí)標(biāo)信號發(fā)生器

門控

閘門控制電路

uxCDE輸入電路計(jì)數(shù)法測周期00B0ttDEtNTC0t放大整形時(shí)基電路t0TXCuxBTXTCTX2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.3.1測量周期原理2.3.2誤差分析2.3.3時(shí)間間隔測量第2章時(shí)頻測量測周誤差項(xiàng)量化誤差，或±1誤差測周誤差

標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差測周誤差合成TX越長、fC越高、標(biāo)頻精度越高，誤差越小觸發(fā)誤差tTXuxBtTXtA

門控

閘門ux輸入電路放大整形BA施密特觸發(fā)器整形要求：閘門信號寬度嚴(yán)格等于被測信號周期關(guān)鍵：準(zhǔn)確觸發(fā)施密特觸發(fā)器：上升沿觸發(fā)電平下降沿觸發(fā)電平矩形信號周期等于輸入信號周期觸發(fā)器輸入觸發(fā)器輸出TX···觸發(fā)誤差觸發(fā)窗提高被測信號信噪比，可減小測周觸發(fā)誤差！ΔT1α切線被測信號：

觸發(fā)誤差1：同理，有觸發(fā)誤差2：觸發(fā)誤差合成：多周期法減小測周誤差減小測周的觸發(fā)誤差、±1誤差多周期測量求平均可減小觸發(fā)誤差隨機(jī)誤差中界頻率

fm測周誤差：測頻誤差：被測頻率高，量化誤差小被測頻率低，量化誤差小--測頻測周量化誤差相等的頻率中界頻率：結(jié)論：當(dāng)

，宜測頻

當(dāng)

，宜測周

100MHz圖測頻量化誤差與測周量化誤差1Hz1KHz1MHz10-810-710-610-510-410-310-210-11Ts=10STs=0.1Sfc=10MHzfc=1GHz測頻的量化誤差測周的量化誤差f100MHzTs=1Sfc=100MHz2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.3.1測量周期原理2.3.2誤差分析2.3.3時(shí)間間隔測量第2章時(shí)頻測量輸入C主門放大整形門控電路計(jì)數(shù)顯示輸入B放大整形C通道B通道時(shí)標(biāo)信號發(fā)生器A通道放大整形被計(jì)數(shù)時(shí)標(biāo)時(shí)標(biāo)門控信號輸入C終止輸入B起始第2章時(shí)頻測量2.1概述2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.4高分辨力時(shí)間測量2.5調(diào)制域測量2.6小結(jié)問題的提出：直接計(jì)數(shù)器中，為提高測時(shí)分辨力，必須提高基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率時(shí)鐘提高，計(jì)數(shù)速度必須相應(yīng)提高

如果時(shí)鐘為1GHz，分辨率也只能達(dá)到1ns

如何提高測時(shí)分辨力？

2.4高分辨力時(shí)間測量2.4.1內(nèi)插法測時(shí)間原理2.4.2模擬內(nèi)插法2.4.3數(shù)字內(nèi)插法—游標(biāo)法計(jì)數(shù)器第2章時(shí)頻測量時(shí)鐘脈沖輸入信號起始終止

τxτ0τ1τ2N0T0T0T0kτ1kτ2N1N2無1誤差1誤差縮小到原有的1/k，測時(shí)分辨力提高核心：測量出時(shí)間量化單位（

）以下的零頭時(shí)間（）T0τ1τ22.4高分辨力時(shí)間測量2.4.1內(nèi)插法測時(shí)間原理2.4.2模擬內(nèi)插法2.4.3數(shù)字內(nèi)插法—游標(biāo)法計(jì)數(shù)器第2章時(shí)頻測量控制門

起始脈沖控制信號C999τ1τ1內(nèi)插時(shí)間擴(kuò)展電路τ11000τ1充放恒流源或AABBK=1000，測時(shí)分辨力提高了1000倍2.4高分辨力時(shí)間測量2.4.1內(nèi)插法測時(shí)間原理2.4.2模擬內(nèi)插法2.4.3數(shù)字內(nèi)插法—游標(biāo)法計(jì)數(shù)器第2章時(shí)頻測量物理思想：機(jī)械游標(biāo)卡尺數(shù)顯游標(biāo)卡尺10mm05mm符合點(diǎn)定尺動(dòng)尺123450123459mm在5cm處讀5mm相當(dāng)刻度放大10倍0-0差5mm1-1差4mm2-2差3mm3-3差2mm4-4差1mm5-5差0mm定尺對前沿，動(dòng)尺對后沿，再找符合點(diǎn)原理：用兩個(gè)量化單位量形成差值，使被測量被差值量化，當(dāng)差值很小時(shí)測量分辨力很高10mm-9mm=1mmT1

>T2ΔT=T1－T2當(dāng)τX<T1

時(shí)τX=NΔT，τX被ΔT量化擴(kuò)展系數(shù)：k=T1/ΔTT10符合點(diǎn)定尺動(dòng)尺T12T1NT1τXT2τX主時(shí)鐘f1游標(biāo)時(shí)鐘f2τX+T2τX+NT2符合點(diǎn)脈沖起始脈沖停止脈沖0kτX被測時(shí)間被擴(kuò)展k倍……T10符合點(diǎn)定尺動(dòng)尺T12T1N1T1τXT2τX主時(shí)鐘f1游標(biāo)時(shí)鐘f2τX+T2τX+N2

T2符合點(diǎn)脈沖起始脈沖停止脈沖0kτX被測時(shí)間被擴(kuò)展k倍……N1

>N2T1

>T2ΔT=T1－T2當(dāng)τX>T1

時(shí)τX=（N1－N2）T1+N2ΔT，τX被ΔT量化擴(kuò)展系數(shù)：k=N1T1/（N1T1

－

N2T2

）要求：（1）時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度極高（2）兩個(gè)時(shí)鐘電路嚴(yán)格屏蔽（3）符合電路的工作速度很高門控沖擊振蕩器T2門控沖擊振蕩器T1起始輸入停止輸入輸入控制電路起始停止計(jì)數(shù)器N1計(jì)數(shù)器N2符合電路第2章時(shí)頻測量2.1概述2.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率2.3電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間2.4高分辨力時(shí)間測量2.5調(diào)制域測量2.6小結(jié)問題的提出