第4章时间频率测量要点解析.ppt

第四章 时间与频率的测量 4.1 概述 4.2 时间与频率的原始基准 4.3 频率和时间的测量原理 4.4 电子计数器的组成原理和测量功能 4.5 电子计数器的测量误差 4.6 高分辨时间和频率测量技术 4.7 微波频率测量技术 4.8 频率稳定度测量和频率比对 4.9 时频测量技术 4.1 概述 4.1.1 时间、频率的基本概念 1.时间和频率的定义 时间:“时刻”、“时间间隔”. 7个基本国际单位之一 频率:周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则:f＝N/T 2.时频测量的特点 最常见和最重要的测量,很多测量转换为频率测量 测量准确度高:基准达10-14 自动化程度高 测量速度快 3.时间频率测量的意义 全球卫星定位系统(美GPS、俄GLONASS、北斗)。 GPS:24颗卫星, 任何地方任何时候都可以至少看到4-11颗卫星。 GPS定位原理：测距. 如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时刻信息确定，则可以通过在同一时刻tr同时接收3颗GPS星的发播信号，求解用户接收机的坐标位置。 实际上,用户接收机与卫星时钟存在 一定的时间差,需同时观测4颗GPS 卫星实现定位. 4.频率测量方法 不同的实现原理 不同的准确度和适用范围 4.1.2 电子计数器概述 1.电子计数器的分类 按功能： 通用计数器：测频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。测量功能可扩展。 频率计数器：测频和计数。但测频范围往往很宽。 时间计数器：以时间测量为基础，测时分辨力和准确度高。 特种计数器：特殊功能。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。 按用途： 测量用计数器和控制用计数器。 按测量范围： 低速（低于10MHz）、中速（10-100MHz） 高速（高于100MHz）、微波（1-80GHz） 2.主要技术指标 测量范围：毫赫~几十GHz。 准确度：可达10-9以上。 晶振频率及稳定度：内部基准，普通10-5，恒温10-7~10-9。 输入特性：耦合方式（DC/AC）、触发电平、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50 Ω和1M Ω//25pF）等。 闸门时间(测频)：如1ms、10ms、100ms、1s、10s。 时标(测周)：如10ns、100ns、1ms、10ms。 显示能力：显示位数及显示方式等。 3.电子计数器的发展 模拟?数字技术?智能化 准确度和频率上限提高：12位，150ps 功能扩展和完善 脉冲参数、处理能力 4.2 时间与频率标准 4.2.1 时间与频率的原始标准 原始标准应具有恒定不变性。 宏观标准：基于天文观测。设备庞大、操作麻烦、观测时间长、准确度有限。 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。 1.天文时标 世界时（UT,Universal Time）:以地球自转为依据。1/(24×60×60)=1/86400天为1秒，10－7量级。 平太阳时：自转不均匀性，以假想平太阳作为基本参考点。 零类世界时（UT0 ）：以平太阳的子夜0时为参考。 第一类世界时（UT1）：修正极移效应（自转轴微小位移）。 第二类世界时（UT2）：修正季节性变化。准确度3×10－9 。 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为依据，1/31 556 925.9747年为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义），准确度1×10－9 。1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。 2.原子时标 （1）原子时标（AT）的量子电子学基础 原子(分子)在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。 hfn-m=En-Em （h=6.6252×10-27普朗克常数） （2）原子时标的定义 1967年10月，第13届国际计量大会，“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”。 1972年起实行。天文实物标准?原子自然标准，准确度提高4-5个量级，达5×10-14(相当于62万年±1秒)，并仍在提高。 （3）原子钟 原子时标的实物仪器，用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟:10-13~10-14。大铯钟,专用高稳基准；小铯钟,工作基准。 铷原子钟: 10-11，体积小、重量轻，工作基准。 氢原子钟:短期稳定度高(10-14~10-15 ) ，准确度较低(10-12)。 4.2.2 石英晶体振荡器 常用的工作基准，电子计数器内部基准:晶振。 压电效应，易受温度影响，普通晶体频率准确度为10-5。 温补晶振（10-6） 恒温晶振（恒定在拐点处的温度，可优于10-