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第四章 频率与时间的测量 目的与要求:频率与时间的测量是最基本的测量之一,是到目前为止测量精度最高的测量。 本章重点要求掌握利用电子计数器测量频率与时间的测量原理和正确使用方法。 本章主要任务 任务1:了解时间和频率的定义 任务2:了解时间与频率的原始基 准 任务3:了解电子计数器的分类 任务4:掌握电子计数器技术指标 任务5: 掌握电子计数器工作原理 任务6:掌握电子计数器基本组成 本章主要任务 任务7:掌握电子计数器测量功能 任务8:掌握电子计数器测量误差 任务9:了解游标法 任务10:掌握E312B型通用电子计数器 任务11:了解微波频率测量技术 任务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: 任务2:时间与频率的原始基准 时间与频率基准的精确度是所有计量基准中最高的一种,也是复制得最精确,保持得最稳定的一个物理量。 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。 任务2:时间与频率的原始基准 要点1.世界时(UT时) 最初的时间(频率)标准是由天文观测得到的。 以地球自转周期为标准测定的时间称为世界时(UT时)。 ①零类世界时(UT0) 以地球自转周期的1/86400作为世界时的1秒,其准确度在1×10-6量级。 任务2:时间与频率的原始基准 要点1.世界时(UT时) ②第一类世界时(UT1) 地球自转受极运动(即极移动引起的经度变化)的影响,校正了这个偏差而得到的第一类世界时(UT1)。 ③第二类世界时(UT2) 在第一类世界时的基础上,把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时称为第二类世界时(UT2),其准确度在3×10-8量级。 任务2:时间与频率的原始基准 要点2.历书时ET 在1956年正式定义1899年12月31日12时起始的回归年(太阳连续两次经过春分点所经历的时间)长度的1/3556925.9747为1S,即历书时ET。 回归年不受地球自转速度的影响,使秒的准确度可达1×10-9 UT2、ET为宏观计时标准,它需要精密的天文观测,准确度有限。 任务2:时间与频率的原始基准 要点3.原子时(AT) ①一级原子频率标准 为了寻求更加稳定、又能迅速测定的时间标准,引进了微观计时标准。 利用原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率为基准来计量时间。 任务2:时间与频率的原始基准 要点3.原子时(AT) 能量与频率之间存在着如下的量子关系: E = h f 式中,h——普朗克常数。 当原子在E2、E1两个能级之间跃迁时,就会吸收或释放出一定频率的电磁振荡能量,其频率大小为: f = (E2-E1)/h 由于能级数值是高度准确的,因而所发出的频率也是十分准确的。 任务2:时间与频率的原始基准 要点3.原子时(AT) 1967年10月第10届国际计量大会正式通过了秒的定义:“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持续9192631770个周期的时间”。 以此为标准定出的时间标准称为原子时(记作AT),其准确度为10-13量级。 又被称作一级原子频率标准。 任务2:时间与频率的原始基准 要点3.原子时(AT) ②石英晶体振荡器 由于石英晶体具有很高的稳定性,它的振荡频率受外界因素的影响又较小,因而比较稳定。 采用了高品质因数的石英晶体和精密的恒温设备后,短期稳定性可达1×10-10~1×10-11/s,可作为二级频率标准。 任务3:电子计数器的分类 按功能的不同,电子计数器可以分为四大类: 1.通用计数器 具有测频、测周、测时间、测多周期平均、测频率比、测任意时间间隔内的脉冲个数及累加计数功能。 2.频率计数器 只具有测量频率单一功能,测频范围很宽。如Marconi公司的2240型微波频率计数器的测频范围达10Hz~20GHz。 任务3:电子计数器的分类 3.时间间隔计数器 测量两个电信号之间的时间间隔,也可以测量一个周期信号的周期、脉冲宽度、占空系数、上升时间和下降时间。 4.特种计数器 指具有特种功能的计数器。包括可逆计数器、预置计数器、序列计数器以及差值计数器等。 任务3:电子计数器的分类 按直接计数的最高频率可分为四类: 1. 低速计数器 最高计数频率小于10MHz。 2.中速计数器 计数频率范围在10MHz~1
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