【正文】 時間、頻率的基本概念 1）時間和頻率的定義 ◆ 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。 ◆ 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 ，則頻率可表達為： f＝ N/T ◆ 時間與頻率的關(guān)系： 可以互相轉(zhuǎn)換。 2) 時頻測量的特點 ◆ 最常見和最重要的測量 時間是 7個基本國際單位之一，時間、頻率是極為重要的物理量，在通信、航空航天、武器裝備、科學試驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等 民用和軍事方面都存在時頻測量。 ◆ 測量準確度高 時間頻率基準具有最高準確度（ 可達 1014），校準（比對）方便，因而數(shù)字化時頻測量可達到很高的準確度。因此， 許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量。 ◆ 自動化程度高 ◆ 測量速度快 3）測量方法概述 ◆ 頻率的測量方法可以分為： 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 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 ? 各種測量方法有著 不同的實現(xiàn)原理 ，其復雜程度不同。 ? 各種測量方法有著 不同的測量準確度和適用的頻率范圍 。 ? 數(shù)字化 電子計數(shù)器法 是時間、頻率測量的主要方法，是本章的重點。 電子計數(shù)器概述 1）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 ： 可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)等。其測量功能可擴展。 （ 2） 頻率計數(shù)器 ： 其功能限于測頻和計數(shù)。但 測頻范圍往往很寬。 （ 3） 時間計數(shù)器 ： 以時間測量為基礎(chǔ)，可測量周期、脈沖參數(shù)等，其測時分辨力和準確度很高。 （ 4） 特種計數(shù)器 :具有特殊功能的計數(shù)器。 包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控。 1）電子計數(shù)器的分類 ? 按用途可分為： 測量用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。 ? 按測量范圍可分為： （ 1） 低速計數(shù)器 （ 低于 10MHz） （ 2） 中速計數(shù)器 （ 10~100MHz） （ 3） 高速計數(shù)器 （ 高于 100MHz） （ 4） 微波計數(shù)器 （ 1~80GHz） 2）主要技術(shù)指標 （ 1）測量范圍： 毫赫 ~幾十 GHz。 （ 2）準確度： 可達 109以上。 （ 3）晶振頻率及穩(wěn)定度： 晶體振蕩器是電子計數(shù)器的內(nèi)部基準，一般要求高于所要求的測量準確度的一個數(shù)量級（ 10倍）。輸出頻率為 1MHz、 、 5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為 105，恒溫晶振達 107~109。 （ 4）輸入特性： 包括耦合方式（ DC、 AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（ 10~100mV）、輸入阻抗（ 50 Ω低阻和 1M Ω//25pF高阻）等。 （ 5）閘門時間 (測頻 )：有 1ms、 10ms、 100ms、 1s、 10s。 （ 6）時標 (測周 )：有 10ns、 100ns、 1ms、 10ms。 （ 7）顯示： 包括顯示位數(shù)及顯示方式等。 3）電子計數(shù)器的發(fā)展 ◆ 測量方法的不斷發(fā)展： 模擬 ?數(shù)字技術(shù) ?智能化。 ◆ 測量準確度和頻率上限 是電子計數(shù)器的兩個重要指標，電子計數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個 指標的不斷提高 及 功能的擴展和完善 。 ◆ 例子： ●通道： 兩個 225MHz通道，也可 選擇第三個 。 ●每秒 12位的頻率分辨率、 150ps的時間間隔分辨率。 ● 測量功能：包括頻率、頻率比、時間間隔、上升時間、下降時間、相位、占空比、正脈沖寬度、負脈沖寬度、總和、峰電壓、時間間 隔平均和時間間隔延遲。 ●處理功能： 平均值、最小值、最大值和標準偏差。 時間與頻率標準 時間與頻率的原始標準 1）天文時標 2）原子時標 石英晶體振蕩器 1）組成 2）指標 時間與頻率的原始標準 1）天文時標 ◆ 原始標準應具有 恒定不變性 。 ◆ 頻率和時間互為倒數(shù)，其標準具有一致性。 ◆宏觀標準和微觀標準 宏觀標準：基于天文觀測； 微觀標準：基于量子電子學，更穩(wěn)定更準確。 ◆ 世界時 （ UT,Universal Time） :以 地球自轉(zhuǎn)周期 (1天 )確定的時間，即 1/(24 60 60)=1/86400為 1秒。其誤差約為 10－ 7量級。 1）天文時標 ◆ 為世界時確定時間觀測的 參考點 ，得到 ? 平太陽時 ：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的 平太陽 作為基本參考點。 ? 零類世界時（ UT0 ） ：以平太陽的子夜 0時為參考。 ? 第一類世界時（ UT1） ：對地球自轉(zhuǎn)的極移效應（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。 ? 第二類世界時（ UT2） ：對地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準確度為 3 10－ 8 。 ? 歷書時（ ET） ： 以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標準 ，即公轉(zhuǎn)周期（ 1年）的 31 556 1秒。參考點為1900年 1月 1日 0時（國際天文學會定義）。準確度達1 10－ 9 。 于 1960年第 11屆國際計量大會接受為 “ 秒 ” 的標準。 2）原子時標 ◆ 基于天文觀測的宏觀標準用于測試計量中的不足 ? 設(shè)備龐大、操作麻煩； ? 觀測時間長； ? 準確度有限。 ◆ 原子時標（ AT） 的量子電子學基礎(chǔ) 原子（分子）在能級躍遷中將吸收 (低能級到高能級 )或輻射（高能級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。 hfnm=EnEm 式中， h= 1027為普朗克常數(shù)， En、 Em為受激態(tài)的兩個能級， fnm為吸收或輻射的電磁波頻率。 2）原子時標 ? 原子時標的定義 1967年 10月，第 13屆國際計量大會正式通過了秒的新定義： “ 秒是 Cs133原子 基態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級之間躍遷頻率相應的射線束持續(xù)9,192,631,770個周期的時間 ” 。 1972年起實行，為全世界所接受。秒的定義由天文實物標準過渡到原子自然標準，準確度提高了 4~5個量級，達 5 1014(相當于 62萬年 177。 1秒 )，并仍在提高。 2）原子時標 ? 原子鐘 ? 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。 ? 銫原子鐘 ? 準確度： 1013~1014。 ? 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。 ? 銣原子鐘 ? 準確度： 1011，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準。 ? 氫原子鐘 ? 短期穩(wěn)定度高： 1014~1015，但準確度較低（ 1012）。 對頻率源的主要要求 : 準、穩(wěn) (1)頻率準確度 (2)頻率穩(wěn)定度：指在一定時間間隔內(nèi)頻率準確度的變化。即頻率 的不穩(wěn)定度。 A、 長期穩(wěn)定度：按年或月范圍內(nèi)的頻率變化。 變化率：一定時間間隔內(nèi)頻率的平均相對漂移。 000xff fAff? ??＝ 0f ? 標稱值xf ? 實際測量值210 0 021ff ffKf f f? ? ? ??? ? ?? ? ? ?? ? ? ?B、 短期穩(wěn)定度：日或小時范圍內(nèi)頻率值最大變化 (日波動 )。 C、瞬時穩(wěn)定度： 秒或毫秒范圍內(nèi)頻率波動。 石英晶體振蕩器 ? 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。 ? 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 105。 ? 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。 ? 下圖為恒溫晶振的組成。 2）指標 ◆ 晶體振蕩器的主要指標有 : 輸出頻率 :1MHz、 、 5MHz、 10MHz。 日波動 :2 1010 ；日老化 :1 1010；秒穩(wěn) :5 1012。 輸出波形 :正弦波；輸出幅度 :(負載 50Ω)。 ◆幾種不同類型的晶體振蕩器指標 晶振類型 輸出頻率 (MHz) 日穩(wěn)定度 準確度 普通 1， 10 105~106 105 溫度補償 1， 5， 10 106~107 106 單恒溫槽 1，