【正文】 電子測量原理 第 1頁 第四章 時(shí)間與頻率的測量 概述 時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn) 頻率和時(shí)間的測量原理 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測量功能 電子計(jì)數(shù)器的測量誤差 高分辨時(shí)間和頻率測量技術(shù) 微波頻率測量技術(shù) 頻率穩(wěn)定度測量和頻率比對 時(shí)頻測量技術(shù) 電子測量原理 第 2頁 概述 時(shí)間、頻率的基本概念 1）時(shí)間和頻率的定義 2）時(shí)頻測量的特點(diǎn) 3）測量方法概述 電子計(jì)數(shù)器概述 1）電子計(jì)數(shù)器的分類 2）主要技術(shù)指標(biāo) 3）電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展 電子測量原理 第 3頁 時(shí)間、頻率的基本概念 1）時(shí)間和頻率的定義 ◆ 時(shí)間有兩個(gè)含義： “ 時(shí)刻 ” ： 即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生； “ 時(shí)間間隔 ” ： 即某個(gè)時(shí)間相對于某一時(shí)刻持續(xù)了多久。 ◆ 頻率的定義： 周期信號在單位時(shí)間（ 1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定 時(shí)間間隔 T內(nèi)周期信號重復(fù)變化了 N次 ，則頻率可表達(dá)為： f＝ N/T ◆ 時(shí)間與頻率的關(guān)系： 可以互相轉(zhuǎn)換。 電子測量原理 第 4頁 2) 時(shí)頻測量的特點(diǎn) ◆ 最常見和最重要的測量 時(shí)間是 7個(gè)基本國際單位之一，時(shí)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(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動化等 民用和軍事方面都存在時(shí)頻測量。 ◆ 測量準(zhǔn)確度高 時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（ 可達(dá) 1014），校準(zhǔn)（比對）方便，因而數(shù)字化時(shí)頻測量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此， 許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測量。 ◆ 自動化程度高 ◆ 測量速度快 電子測量原理 第 5頁 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(jì)數(shù)器法 電子測量原理 第 6頁 ? 各種測量方法有著 不同的實(shí)現(xiàn)原理 ，其復(fù)雜程度不同。 ? 各種測量方法有著 不同的測量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍 。 ? 數(shù)字化 電子計(jì)數(shù)器法 是時(shí)間、頻率測量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。 電子測量原理 第 7頁 電子計(jì)數(shù)器概述 1）電子計(jì)數(shù)器的分類 ◆ 按功能可以分為如下四類： （ 1） 通用計(jì)數(shù)器 ： 可測量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。其測量功能可擴(kuò)展。 （ 2） 頻率計(jì)數(shù)器 ： 其功能限于測頻和計(jì)數(shù)。但 測頻范圍往往很寬。 （ 3） 時(shí)間計(jì)數(shù)器 ： 以時(shí)間測量為基礎(chǔ)，可測量周期、脈沖參數(shù)等，其測時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高。 （ 4） 特種計(jì)數(shù)器 :具有特殊功能的計(jì)數(shù)器。 包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測控。 電子測量原理 第 8頁 1）電子計(jì)數(shù)器的分類 ? 按用途可分為： 測量用計(jì)數(shù)器和控制用計(jì)數(shù)器。 ? 按測量范圍可分為： （ 1） 低速計(jì)數(shù)器 （ 低于 10MHz） （ 2） 中速計(jì)數(shù)器 （ 10~100MHz） （ 3） 高速計(jì)數(shù)器 （ 高于 100MHz） （ 4） 微波計(jì)數(shù)器 （ 1~80GHz） 電子測量原理 第 9頁 2）主要技術(shù)指標(biāo) （ 1）測量范圍： 毫赫 ~幾十 GHz。 （ 2）準(zhǔn)確度： 可達(dá) 109以上。 （ 3）晶振頻率及穩(wěn)定度： 晶體振蕩器是電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求高于所要求的測量準(zhǔn)確度的一個(gè)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(dá) 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(shí)間 (測頻 )：有 1ms、 10ms、 100ms、 1s、 10s。 （ 6）時(shí)標(biāo) (測周 )：有 10ns、 100ns、 1ms、 10ms。 （ 7）顯示： 包括顯示位數(shù)及顯示方式等。 電子測量原理 第 10頁 3）電子計(jì)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(zhǔn)確度和頻率上限 是電子計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要指標(biāo)，電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個(gè) 指標(biāo)的不斷提高 及 功能的擴(kuò)展和完善 。 ◆ 例子： ●通道： 兩個(gè) 225MHz通道，也可 選擇第三個(gè) 。 ●每秒 12位的頻率分辨率、 150ps的時(shí)間間隔分辨率。 ● 測量功能：包括頻率、頻率比、時(shí)間間隔、上升時(shí)間、下降時(shí)間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時(shí)間間 隔平均和時(shí)間間隔延遲。 ●處理功能： 平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。 電子測量原理 第 11頁 時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn) 1）天文時(shí)標(biāo) 2）原子時(shí)標(biāo) 石英晶體振蕩器 1）組成 2）指標(biāo) 電子測量原理 第 12頁 時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn) 1）天文時(shí)標(biāo) ◆ 原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有 恒定不變性 。 ◆ 頻率和時(shí)間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性。 ◆宏觀標(biāo)準(zhǔn)和微觀標(biāo)準(zhǔn) 宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測； 微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確。 ◆ 世界時(shí) （ UT,Universal Time） :以 地球自轉(zhuǎn)周期 (1天 )確定的時(shí)間，即 1/(24 60 60)=1/86400為 1秒。其誤差約為 10－ 7量級。 電子測量原理 第 13頁 1）天文時(shí)標(biāo) ◆ 為世界時(shí)確定時(shí)間觀測的 參考點(diǎn) ，得到 ? 平太陽時(shí) ：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(diǎn)。 ? 零類世界時(shí)（ UT0 ） ：以平太陽的子夜 0時(shí)為參考。 ? 第一類世界時(shí)（ UT1） ：對地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。 ? 第二類世界時(shí)（ 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(zhǔn)確度為 3 10－ 8 。 ? 歷書時(shí)（ ET） ： 以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn) ，即公轉(zhuǎn)周期（ 1年）的 31 556 1秒。參考點(diǎn)為1900年 1月 1日 0時(shí)（國際天文學(xué)會定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1 10－ 9 。 于 1960年第 11屆國際計(jì)量大會接受為 “ 秒 ” 的標(biāo)準(zhǔn)。 電子測量原理 第 14頁 2）原子時(shí)標(biāo) ◆ 基于天文觀測的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測試計(jì)量中的不足 ? 設(shè)備龐大、操作麻煩； ? 觀測時(shí)間長； ? 準(zhǔn)確度有限。 ◆ 原子時(shí)標(biāo)（ AT） 的量子電子學(xué)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(gè)能級， fnm為吸收或輻射的電磁波頻率。 電子測量原理 第 15頁 2）原子時(shí)標(biāo) ? 原子時(shí)標(biāo)的定義 1967年 10月，第 13屆國際計(jì)量大會正式通過了秒的新定義： “ 秒是 Cs133原子 基態(tài)的兩個(gè)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)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間 ” 。 1972年起實(shí)行，為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了 4~5個(gè)量級，達(dá) 5 1014(相當(dāng)于 62萬年 177。 1秒 )，并仍在提高。 電子測量原理 第 16頁 2）原子時(shí)標(biāo) ? 原子鐘 ? 原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器，可用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對。 ? 銫原子鐘 ? 準(zhǔn)確度： 1013~1014。 ? 大銫鐘，專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率工作基準(zhǔn)。 ? 銣原子鐘 ? 準(zhǔn)確度： 1011，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。 ? 氫原子鐘 ? 短期穩(wěn)定度高： 1014~1015，但準(zhǔn)確度較低（ 1012）。 電子測量原理 第 17頁 石英晶體振蕩器 ? 電子計(jì)數(shù)器 內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn) 采用 石英晶體振蕩器（簡稱 “ 晶振 ” ） 為基準(zhǔn)信號源。 ? 基于壓電效應(yīng)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(diǎn)，在拐點(diǎn)處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為 105。 ? 采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施 （恒定在拐點(diǎn)處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。 ? 下圖為恒溫晶振的組成。 電子測量原理 第 18頁 1）組成 A G C 放大器溫度控制隔離放大器加熱器 傳感器輸出頻率調(diào)整晶體電路絕熱層電子測量原理 第 19頁 2）指標(biāo) ◆ 晶體振蕩器的主要指標(biāo)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(fù)載 50Ω)。 ◆幾種不同類型的晶體振蕩器指標(biāo) 晶振類型 輸出頻率 (MHz) 日穩(wěn)定度 準(zhǔn)確度 普通 1， 10 105~106 105 溫度補(bǔ)償 1， 5， 10 106~107 106 單恒溫槽 1， ， 5， 10 107~109 106~108 雙恒溫槽 ， 5， 10 109~1011 優(yōu)于 108 電子測量原理 第 20頁 時(shí)間和頻率的測量原理 模擬測量原理 1）直接法 2）比較法 數(shù)字測量原理 1）門控計(jì)數(shù)法測量原理 2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成 電子測量原理 第 21頁 模擬測量原理 1）直接法 直接法是利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來測量頻率值，其又可細(xì)分為 諧振法和電橋法 兩種。 （ 1） 諧振法： 調(diào)節(jié)可變電容器 C使回路發(fā)生諧振 ，此時(shí)回路電流達(dá)到最大 (高頻電壓表指示 )，則 可測量 1500MHz以下 的頻率，準(zhǔn)確度 177。 (～ 1)%。 fxMLIC012xff LC???0 12xff LC???電子測量原理 第 22頁 ( 2） 電橋 法： 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 ,通常采用如下圖所示的 文氏電橋 來進(jìn)行測量。 調(diào)節(jié) R R2使電橋達(dá)到平衡，則有 R3R4R1R2C1C2fx1 2 1 212 2xxf R R C C?? ???x1 x2j jC C? ?1 4 3211（ R+ ） R ＝ （ ） R1 ＋R電子測量原理 第 23頁 令平衡條件表達(dá)式兩端實(shí)虛部分別相等，得到： 和 于是，被測信號頻率為： 通常取 R1=R2=R, C1=C2=C，則 測量準(zhǔn)確度 ： 受橋路中各元件的精確度、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）和被測信號的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，一般約為 177。 (～ 1)%。 3122 1 4RRCR C R??1 x 2 2 x 11 0RCRC? ???1 2 1 212 2xxf R R C C?? ???12xf RC??電子測量原理 第 24頁 2）比較法 ◆ 基本原理 利用 標(biāo)準(zhǔn)頻率 fs和被測量頻率 fx進(jìn)行比較 來測量頻率。有拍頻法、外差法、示波法以及計(jì)數(shù)法 等。 數(shù)學(xué)模型為： ◆拍頻法： 將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率 疊加 ，由指示器（耳機(jī)或電壓表）指示。適于 音頻測量 （很少用）。 ◆外差法： 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 MHz（外差式頻率計(jì)）。 ◆示波法： 李沙育圖形法 ：將 fx和 fs分別接到示波器 Y軸和 X軸（ XY圖示方式），當(dāng) fx＝ fs時(shí)顯示為斜線（橢圓或園）； 測周期法 ：直接根據(jù)顯示波形由 X通道 掃描速率 得到周期，進(jìn)而得到頻率。 xsf N f?電子測量原理 第 25頁 數(shù)字測量原理 1）門控計(jì)數(shù)法測量原理 ◆時(shí)間、頻率量的特點(diǎn) 頻率 是在時(shí)間軸上無限延伸的 ，因此，對頻率量的測量需確定一個(gè) 取樣時(shí)間 T，在該時(shí)間內(nèi)對被測信號的周期累加計(jì)數(shù) (若 計(jì)數(shù)值為 N)，根據(jù) fx=N/T得到頻率值。 為實(shí)現(xiàn) 時(shí)間 （這里指時(shí)間間隔）的數(shù)字化測量，需將被測時(shí)間按盡可能小的 時(shí)間單位（稱為時(shí)標(biāo)） 進(jìn)行量化，通過 累計(jì)被測時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)（計(jì)數(shù)）