时间、频率测量.ppt

第五章 时间、频率测量 5.1 时间的原始基准和标准 5.2 通用电子计数器 5.3 计数器的改进和工作频率的扩展 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10-13），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。 5.1 时间的原始基准和标准 时间与频率的原始标准 1）天文时标 2）原子时标 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标 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。 ◆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）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。 第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为3×10－8 。 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1×10－9 。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。 2）原子时标 ◆ 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。 ◆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 式中，h=6.6252×10-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。 原子时标的定义 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”。 1972年起实行，为全世界所接受。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。 原子钟 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟 准确度：10-13~10-15。 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。 铷原子钟 准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。 氢原子钟 短期稳定度高：10-14~10-15，但准确度较低（10-12）。 石英晶体振荡器 电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。 基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响，普通晶体频率准确度为10-5。 采用温度补偿或恒温措施可得到高稳定、高准确的频率输出。 下图为恒温晶振的组成。 (1)组成 (2)指标 ◆晶体振荡器的主要指标有: 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)。 ◆几种不同类型的晶体振荡器指标 5.2 通用电子计数器 1 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