第三章频率测量.

电子测量授课教师：路辉联系电话：82316487电子邮件：[e-mail]北京航空航天大学第三章频率测量技术3.1概述3.2电子计数器测频率3.3电子计数器测周期3.4电子计数器测时间间隔3.5电子计数器的其它测量功能北京航空航天大学3.1概述15~1210频率与电压一样，是最基本参数，精度最高，的量级；时间的倒数，与之同等精度。定义：频率是指周期性信号在单位时间(秒)内变化的次数。•频率定义•频率测量的特点测量精度高应用范围广自动化程度高测量速度快北京航空航天大学3.1概述•标准频率源天文时标地球自转的确定的时间计量系统——世界时根据太阳确定的时间计量系统——平太阳时系统1952年9月，国际天文学会第八次大会通过了历书时的正式定义。这种计时系统采用1900年1月1日0时（UT）起的回归年长度作为计量时间的单位，定义“秒是按1900年起始时的地球公转平均角速度计算出的一个回归年的31，556，925，974，7分之一”，称之为历书秒。它在1960年的第十一届计量大会上得到认可。北京航空航天大学3.1概述北京航空航天大学“红巨星”“白矮星”“黑矮星”3.1概述北京航空航天大学世界时-UniversalTime（UT）UT0--meansolartimeontheGreenwichmeridianobtainedfromdirectastronomicalobservation.Thetime00hoursbeingatGreenwichmeanmidnight.UT1--UT0correctedforpolarmotion(widelyused).UT2--UT1correctedforseasonalvariationintheEarth'srotation(asmoothedscalethatdoesnotreflecttherealperiodicvariationsintheEarth'sangularposition).UTC--civilatomictimescaleonorabouttheGreenwichmeridiankeptwithin0.9secondsofUT13.1概述北京航空航天大学14~1310如铯原子钟精度达氢原子钟短期稳定度，离子阱频标更高一数量级。15~1410陕西天文台氢、铷原子钟，误差三万年正负一秒。波段划分：30khz、10倍频程，低、中、高、甚高、---本课程：100khz为界分高、低频。对频率源的主要要求:准、稳原子频标原子时利用原子从某种能量状态转变到另一种能量状态时，辐射或吸收的电磁波的频率作为标准频率来计量时间。它们受宏观世界的影响较小，因此频率准确度和稳定度都十分高，远远超过了天文标准。1967年10月的第十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”。这个定义已为全世界所接受，并且自1972年1月1日零时起，时间单位“秒”由天文秒改为原子秒。3.1概述北京航空航天大学1×10-15秒几分钟3.1概述北京航空航天大学3.1概述000fffffAx＝(1)频率准确度(2)频率稳定度：指在一定时间间隔内频率准确度的变化。即频率的不稳定度。A、长期稳定度：按年或月范围内的频率变化。变化率：一定时间间隔内频率的平均相对漂移。标称值0f实际测量值xf1020012fffffffKB、短期稳定度：日或小时范围内频率值最大变化(日波动)C、瞬时稳定度：秒或毫秒范围内频率波动。•标准频率源北京航空航天大学3.1概述•常用的频率测量方法电子计数法－－适于全频带精确测频，直接用数字显示结果。谐振法－－适于测量1500MHz以下的频率。外差法－－可测量3000MHz的微弱信号。示波法－－用李沙育图形法测量频率比。LCfx21北京航空航天大学3.2电子计数器测频率北京航空航天大学3.2电子计数器测频率北京航空航天大学3.2电子计数器测频率电子计数器是一种多功能的测量仪器：测周、测频、测相差、计时3.2.1电子计数器的测频原理一定时间间隔内测得某周期性信号的重复变化次数。TNf若T=1s,则f=N(hz)北京航空航天大学3.2电子计数器测频率xfxf定义：周期性信号在单位时间内变化的次数若T＝1S,若计得N＝100,000个数，则=100,000Hz。显示单位为“KHZ”，则显示100.000KHz。若T＝0.1s，计数值N为10,000，则=10,000*10=100,000Hz，则显示为100.00KHz。xf区别：记数周期不同，小数点向右移动一位。（误差将不同）北京航空航天大学3.2电子计数器测频率•3.2.2基本组成北京航空航天大学3.2电子计数器测频率北京航空航天大学3.2电子计数器测频率•3.2.3测频误差：包括量化误差和标准频率源误差nx、2x、1xf＝YnnxxxxxxfYY,,2211＝＋则nnnxxfxxfxxfxxxf221121,,2121222222222212122!21xxxxfxxfxxfxxfnnnnnxxfxxfxxfxxxf221121,,＝Yiniinnxxfxxfxxfxxf12211将y用泰勒级数展开舍弃高阶小量则总合绝对误差：上式即绝对误差传递公式，而为误差传递系数jxf根据误差传递公式：若附近各阶偏导数存在，北京航空航天大学将上式两边除以y=f(x1------),则相对误差的表达式3.2电子计数器测频率jnjjxfxfyyy1此式即相对误差表达式，是误差理论的基本公式。积函数的合成误差：设Y=A*B,A与B的误差为ΔA与ΔB,则BAyjjBBAAABBAAByyBAABBBABAAABxxfynj)()(1上式说明：积函数的总相对误差等于各分项误差之和同理商--------------------------------差北京航空航天大学21xxxffNNTfNTNTffNTTTNTccxxxffTfff1TTNNffxxccffTT即ccccccffTffkTfkkTT2NNccff-----量化误差，也叫1误差-----标准频率源误差xTfN11闸门时间准度=标准频率准度K=常数由上式可得测频相对误差：测频误差：cxNfTNffx=f(N、T)因为3.2电子计数器测频率北京航空航天大学(一)量化误差(±1误差，数字式仪器的固有误差)xxTTTfN（首先忽略频率源误差）由：可以看出：频率测量是以比较法为基础，把fx和时基信号频率相比较，相比的结果以数字形式显示的过程。该过程有两种情况：TNTTx1:2:T=NTxxNTT第一种情况：xNTT非整量化（因被测信号与钟源不同步）有以下两种可能：(a)：TTttx21xTt2xTt1计数N2t2t1txNTT1t(b)：xTt1计数N’xTt2Ttt213.2电子计数器测频率北京航空航天大学(a),(b)测量的是同一频率，T固定相等：TTNTNTxx11NN计数值只能是或NN在这种情况下，产生的测量误差如下：当计数值为N时（a)，测量误差为xNTTxxTTTTN－10xTT可以是之间任意一个数。最大误差-101，－TNTTxTTNTx1从量化的角度看，此误差是量化误差。(a)(b)3.2电子计数器测频率北京航空航天大学当计数值为时(b)，测量误差为10xTTNxxTTTTN1－第二种情况：整量化xNTT＝只有下列三种可能：xNTT1txT2tcbaabc1＋＝NN11N不能通过闸门，＋可以通过，xNTT1其最大值趋于＋1个字。3.2电子计数器测频率上述两种误差是由量化过程产生的非整量化误差,最大取值北京航空航天大学测量误差：0xTTN－xNTT＝不存在量化误差。其测量误差等于＋1个字。xTNTN1－＝时，误差为计数值为1xTTN0T0xTT综上所述：一台正常的数字频率计，它的个字误差其最大值趋近于个字。11举例：由量化误差造成的示值变化只能是+1或-1，而不能同时存在。个字时等于＋＝1xNTT计数值为N时3.2电子计数器测频率北京航空航天大学xTfNN1＝闸门时间T被测频率xf由此可知，不管计数值N为多少，其最大误差总是个计数单位，故称“个字误差”，简称“误差”。111误差对测频相对误差的影响与N值有关，为减少相对误差，可增大总计数值N。例如，将倍频至，也可将闸门时间延长至，这样量化误差变为xfgTgKT11xgNmKfTxmf(二)标准频率误差若在计数器设计和制造中尽可能地消除了整形，分频和闸门开关电路速度及其不稳定性等因素的影响，则闸门开启的误差就只与时基晶振的准确度有关。（忽略量化误差）3.2电子计数器测频率北京航空航天大学ccffTT＝－“－”：由引起的闸门时间的误差为－cfT即：闸门时间的准确度在数值上等于标准频率的准确度。一般比误差引起的测频误差小一个量级。Eg：E312A型通用计数器的最高测量频率为10MHz，具有八位十进制数码显示，在闸门时间为T＝1s时，其最小量化单位为1Hz,因此，误差为，则晶振频率误差应在量级。为了使被测频率得到最高测量准确度，当低于仪器最高测量频率时，应使仪器满位显示。若＝5MHz，应选闸门时间T＝10s17101－810－xfxf3.2电子计数器测频率1北京航空航天大学•3.2.4计数器直接测频计数器直接测频的误差主要是误差。1910176104105.2111ccxxxffTfffEg：一台标准频率为2.5MHz的石英振荡器，用计数器直接测频，若提供计数器的时基信号频率准确度为,则当T＝1s时的测频误差为若取T=10s,其误差为81041从上例可见，计数器直接测频的测量准确度，主要受到误差的限制。为什么？3.2电子计数器测频率xcff（物理意义:fc---晶振频率；）北京航空航天大学测频误差主要有两项，误差和标准频率源误差。1ccxxxffTfff1测频误差与及T的关系曲线如右图xxffxf(1)随着升高、T的增大，测频误差减少。(2)当误差的影响足够小时，测量精确度实际上受到时基晶振准确度的限制，并以为极限。(3)越低时，误差越大。且起决定性作用。9105ccff1xfccff1xfsT10＝Hzfx5%2%1005101NN3.2电子计数器测频率Eg：显示只能2位北京航空航天大学减少测频误差的方法：(1)将被测信号倍频，闸门时间分频。(2)提高晶振稳定度。TfKmN11＝3.2电子计数器测频率北京航空航天大学3.3电子计数器测周期•3.3.1测周期原理Tx=NTsN=Tx/Tseg:Tx=10msTs=1us则N＝10000Tx=10.000ms显示10.000ms周期为Tx的被测信号经B通道处理后再经门控双稳输出作为主门启闭的控制信号，使主门仅在被测周期Tx时间内开启。同时，晶体振荡器输出经倍频和分频得到了一系列的时标信号，通过时标选择开关，所选时标即经A通道送往主门。在主门开启时间内，时标进入计数器计数。若所选时标为Ts，计数器计数值为N，则被测信号的周期为：Tx＝N×Ts北京航空航天大学nsxN