【正文】 106~108 雙恒溫槽 ， 5， 10 109~1011 優(yōu)于 108 電子測量原理 第 20頁 時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）門控計數(shù)法測量原理 2）通用計數(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，其又可細分為 諧振法和電橋法 兩種。 日波動 :2 1010 ；日老化 :1 1010；秒穩(wěn) :5 1012。 ? 下圖為恒溫晶振的組成。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(zhǔn)確度為 105。 電子測量原理 第 17頁 石英晶體振蕩器 ? 電子計數(shù)器 內(nèi)部時間、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。 ? 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)。 ? 銫原子鐘 ? 準(zhǔn)確度： 1013~1014。 1秒 )，并仍在提高。 1972年起實行，為全世界所接受。 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。 電子測量原理 第 14頁 2）原子時標(biāo) ◆ 基于天文觀測的宏觀標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度有限。準(zhǔn)確度達1 10－ 9 。 ? 歷書時（ 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。 ? 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。 ? 零類世界時（ UT0 ） ：以平太陽的子夜 0時為參考。其誤差約為 10－ 7量級。 ◆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。 電子測量原理 第 11頁 時間與頻率標(biāo)準(zhǔn) 時間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn) 1）天文時標(biāo) 2）原子時標(biāo) 石英晶體振蕩器 1）組成 2）指標(biāo) 電子測量原理 第 12頁 時間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn) 1）天文時標(biāo) ◆ 原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有 恒定不變性 。 ● 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(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時間間 隔平均和時間間隔延遲。 ◆ 例子： ●通道： 兩個 225MHz通道，也可 選擇第三個 。 電子測量原理 第 10頁 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。 （ 6）時標(biāo) (測周 )：有 10ns、 100ns、 1ms、 10ms。 （ 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。 （ 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(zhǔn)，一般要求高于所要求的測量準(zhǔn)確度的一個數(shù)量級（ 10倍）。 ? 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） 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。用于工業(yè)測控。 （ 4） 特種計數(shù)器 :具有特殊功能的計數(shù)器。但 測頻范圍往往很寬。其測量功能可擴展。 ? 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。 ◆ 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 不同的實現(xiàn)原理 ，其復(fù)雜程度不同。 ◆ 測量準(zhǔn)確度高 時間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（ 可達 1014），校準(zhǔn)（比對）方便，因而數(shù)字化時頻測量可達到很高的準(zhǔn)確度。如果在一定 時間間隔 T內(nèi)周期信號重復(fù)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。電子測量原理 第 1頁 第四章 時間與頻率的測量 概述 時間與頻率的原始基準(zhǔn) 頻率和時間的測量原理 電子計數(shù)器的組成原理和測量功能 電子計數(shù)器的測量誤差 高分辨時間和頻率測量技術(shù) 微波頻率測量技術(shù) 頻率穩(wěn)定度測量和頻率比對 時頻測量技術(shù) 電子測量原理 第 2頁 概述 時間、頻率的基本概念 1）時間和頻率的定義 2）時頻測量的特點 3）測量方法概述 電子計數(shù)器概述 1）電子計數(shù)器的分類 2）主要技術(shù)指標(biāo) 3）電子計數(shù)器的發(fā)展 電子測量原理 第 3頁 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)）。 電子測量原理 第 4頁 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(xué)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。因此， 許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量。 ? 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 。 電子測量原理 第 7頁 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。 （ 2） 頻率計數(shù)器 ： 其功能限于測頻和計數(shù)。 （ 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(zhǔn)確度很高。 包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預(yù)置計數(shù)器等。 電子測量原理 第 8頁 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。 （ 2）準(zhǔn)確度： 可達 109以上。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。 （ 5）閘門時間 (測頻 )：有 1ms、 10ms、 100ms、 1s、 10s。 （ 7）顯示： 包括顯示位數(shù)及顯示方式等。 ◆ 測量準(zhǔn)確度和頻率上限 是電子計數(shù)器的兩個重要指標(biāo)，電子計數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個 指標(biāo)的不斷提高 及 功能的擴展和完善 。 ●每秒 12位的頻率分辨率、 150ps的時間間隔分辨率。 ●處理功能： 平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。 ◆ 頻率和時間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性。 ◆ 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。 電子測量原理 第 13頁 1）天文時標(biāo) ◆ 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。 ? 第一類世界時（ 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。準(zhǔn)確度為 3 10－ 8 。參考點為1900年 1月 1日 0時（國際天文學(xué)會定義）。 于 1960年第 11屆國際計量大會接受為 “ 秒 ” 的標(biāo)準(zhǔn)。 ◆ 原子時標(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。 電子測量原理 第 15頁 2）原子時標(biāo) ? 原子時標(biāo)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(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個周期的時間 ” 。秒的定義由天文實物標(biāo)準(zhǔn)過渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了 4~5個量級，達 5 1014(相當(dāng)于 62萬年 177。 電子測量原理 第 16頁 2）原子時標(biāo) ? 原子鐘 ? 原子時標(biāo)的實物儀器，可用于時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對。 ? 大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率工作基準(zhǔn)。 ? 氫原子鐘 ? 短期穩(wěn)定度高： 1014~1015，但準(zhǔn)確度較低（ 1012）。 ? 基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。 ? 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(zhǔn)確的頻率輸出。 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。 輸出波形 :正弦波；輸出幅度 :(負(fù)載 50Ω)。 （ 1） 諧振法： 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。 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)的特性來進行頻率測量 ,通常采用如下圖所示的 文氏電橋 來進行測量。 (～ 1)%。有拍頻法、外差法、示波法以及計數(shù)法 等。適于 音頻測量 （很少用）。可測量范圍達 幾十 MHz（外差式頻率計）。 xsf N f?電子測量原理 第 25頁 數(shù)字測量原理 1）門控計數(shù)法測量原理 ◆時間、頻率量的特點 頻率 是在時間軸上無限延伸的 ，因此，對頻率量的測量需確定一個 取樣時間 T，在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù) (若 計數(shù)值為 N)，根據(jù) fx=N/T得到頻率值。 ◆測量原理 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 “閘門”（主門） 控制，并由一個 “門控” 信號控制閘門的開啟（計數(shù)允許）與關(guān)閉（計數(shù)停止）。這種測量方法稱為 門控計數(shù)法 。 上圖為由“與”邏輯門作為閘門，其門控信號為‘ 1’時閘門開啟（允許計數(shù)），為‘ 0’時閘門關(guān)閉（停止計數(shù)）。 測時間（間隔）時，閘門開啟時間即為 被測時間 。輸入通道電路對輸入信號進行 放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。 ? 主門電路 ：完成計數(shù)的 閘門控制 作用。 ? 時基產(chǎn)生電路 ：產(chǎn)生 機內(nèi)時間、頻率測量的基準(zhǔn) ，即時間測量的時標(biāo)和頻率測量的閘門信號。 電子測量原理 第 29頁 電子計數(shù)器的組成原理和測量功能 電子計數(shù)器的組成 1） A、 B輸入通道 2）主門電路 3）計數(shù)與顯示電路 4）時基產(chǎn)生電路 5）控制電路 電子計數(shù)器的測量功能 1）頻率測量 2）頻率比測量 3）周期測量 4）時間間隔測量 5）自檢 電子測量原理 第 30頁 電子計數(shù)器的組成 ? 組成原理框圖 數(shù)字顯示器 寄存器 十進制 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 247。 10 247。 10 10s( 104) 1s( 103) 100ms ( 102) 10ms( 10) 1ms( 1) 時標(biāo)選擇 1 2 3 4 5 3 3 2 1 1 2 4 4 5 時基部分 10 10 247。 10 247。其作用是 對輸入信號處理以產(chǎn)生符合計數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖信號 。 ◆斯密特觸發(fā)電路： 利用 斯密特觸發(fā)器 的 回差特性 ，對輸