4时间频率测量.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 2) 时频测量的特点 ◆最常见和最重要的测量 时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。 ◆测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。 ◆自动化程度高 ◆测量速度快 3）测量方法概述 频率的测量方法可以分为：模拟法(差频法、示波器法)；电子计数器法． 各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度不同。 各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。 数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。 4.1.2 电子计数器概述 1）电子计数器的分类 通用计数器, 频率计数器, 时间计数器, 特种计数器. 2）主要技术指标 （1）测量范围：毫赫~几十GHz。 （2）准确度：可达10-9以上。 （3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10倍）。普通晶振稳定度为10-5. 4.1.1 时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义 ◆时间有两个含义： “时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。 ◆频率的定义：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，则频率可表达为： f＝N/T ◆时间与频率的关系：可以互相转换。 2）主要技术指标 （4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可调）、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50 Ω低阻和1M Ω//25pF高阻）等。 （5）闸门时间(测频)： 有1ms、10ms、100ms、1s、10s。 （6）时标(测周)： 有10ns、100ns、1ms、10ms。 （7）显示： 包括显示位数及显示方式等。 3）电子计数器的发展 ◆测量方法的不断发展：模拟?数字技术?智能化。 ◆测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断提高及功能的扩展和完善。 ◆ 例子： ●通道：两个225MHz通道，也可 选择第三个12.4GHz通道。 ●每秒12位的频率分辨率、150ps的时间间隔分辨率。 ●测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。 ●处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。 4.2 时间与频率标准4.2.1 时间与频率的原始标准 1）天文时标 ◆原始标准应具有恒定不变性。 ◆世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足 设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。 2）原子时标 ◆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。 1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“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”。 秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4~5个量级，达5×10-14(相当于62万年±1秒)，并仍在提高。 4.2.2 石英晶体振荡器 输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波动:2×10-10 ；日老化:1×10-10；秒稳:5×10-12。 输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)。 4.3 时间和频率的测量原理 4.3.1 模拟测量原理 1.直接法 直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值. （1）谐振法：调节可变电容器C使回路发生谐振，此时回路电流达到最大(高频电压表指示)，则 可测量1500MHz以下的频率，准确度±(0.25～1)%。 (2)电桥法： 利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量,通常采用如下图所示的文氏电桥来进行测量。 调节R1、R2使电桥达到平衡，则有 2.比较法 ◆基本原理 利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率。有外差法、示波法以及计数法等。 数学模型为： ◆