电子测量原理古天祥第4章节.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 2）时频测量的特点 3）测量方法概述 4.1.2 电子计数器概述 1）电子计数器的分类 2）主要技术指标 3）电子计数器的发展 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) 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： 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 ◆按功能可以分为如下四类： （1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。 （2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。 （3）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。 （4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。 1）电子计数器的分类 按用途可分为： 测量用计数器和控制用计数器。 按测量范围可分为： （1）低速计数器（低于10MHz） （2）中速计数器（10~100MHz） （3）高速计数器（高于100MHz） （4）微波计数器（1~80GHz） 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）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。 （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 2）原子时标 4.2.2 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标 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。 ◆频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。 ◆宏观标准和微观标准 宏观标准：基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。 ◆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。 1）天文时标 ◆为世界时确定时间观测的参考点，得到 平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的平太阳作为基本