时间频率测量

第四章时间与频率的测量4.1概述4.2时间与频率标准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高分辨力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调制域测量技术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◆测量精度高◆应用范围广◆自动化程度高◆测量速度快3频率测量方法概述◆频率的测量方法可以分为：差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法图4-1频率测量方法分类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2主要技术指标（1）测量范围（2）晶体振荡器的频率稳定度（3）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平及特性（可调）、输入电压范围（10~100mV）、输入阻抗、波形适应性（4）测量时间：闸门时间和显示时间（5）显示：包括显示位数及显示方式等。（6）其他4.2.1时间与频率的原始标准1天文时标2原子时标设备庞大，操作麻烦观测时间长准确度有限图4-2高稳定度晶体振荡器结构组成AGC放大器温度控制隔离放大器加热器传感器输出频率调整晶体电路绝热层2指标◆晶体振荡器的主要指标有:输出频率:10MHz、5MHz、1MHz、100MHz各两路日波动: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)4.3.1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，其又可细分为谐振法和电桥法两种。（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)%。fxMLIC012xffLC012xffLC4.3时间和频率的测量原理(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R3R4R1R2C1C2fx1212122xxfRRCCx1x2jjCC143211（R+）R＝（）R1＋R2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。有拍频法、外差法、示波法以及计数法等数学模型为：拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频测量（很少用）外差法示波法计数法xsfNf上图为由“与”逻辑门作为闸门，其门控信号为‘1’时闸门开启（允许计数），为‘0’时闸门关闭（停止计数）。与门TATBTATBABC4.3.2数字测量原理图4-6主门电路2通用计数器的基本组成组成部分：主门计数电路数字显示器两个放大整形电路门控双稳触发器图4-8电子计数器整机框图频标选择、周期倍乘÷10÷10÷10÷100.1Hz(×104)1Hz(×103)10Hz(×102)100Hz(×10)1KHz(×1)时基部分×10×10÷10÷10÷101ms0.1ms10us1us0.1us10ns开门锁存复位控制时序电路波形数字显示器寄存器十进制计数器A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主门功能开关时标选择12345332112445控制时序电路4.4电子计数器的组成原理和测量功能4.4.1电子计数器的组成框图1）A、B输入通道2）主门电路3）计数与显示电路4）时基产生电路5）控制电路1）A、B输入通道◆斯密特触发电路：利用斯密特触发器的回差特性，对输入信号具有较好的抗干扰作用。2）主门电路◆功能：主门也称为闸门，通过“门控信号”控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数。◆电路：由“与门”或“或门”构成。其原理如下图：与门TATBTATBABC11NffNTTBAAB3）计数与显示电路4）时基产生电路◆功能：产生测频时的“门控信号”（多档闸门时间可选）及时间测量时的“时标”信号（多档可选）。◆实现：由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。如，若fc=1MHz,经106分频后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的时基信号，经过门控双稳态电路得到宽度为Ts=1s的门控信号5）控制电路◆功能：产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，使整机按“复零－测量－显示”的工作程序完成自动测量的任务。如下图所示：准备期（复零，等待）测量期（开门，计数）显示期（关门，停止计数）图4-9电子计数器的工作流程4.4.2电子计数器的测量功能1）频率测量2）频率比测量3）周期测量4）时间间隔测量5）自检TB放大、整形闸门门控电路计数显示Afx分频电路时基Ts1.频率测量图4-10测频原理框图图4-11工作波形图TNfxsxsf.TTT＝N4.4.2电子计数器的测量功能2.频率比的测量BAABTfNTf图4-12频率比的测量原理3.周期的测量0xTNT图4-13测周期的原理框图4.时间间隔的测量原理框图欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B、C通道输入。时标由机内提供。如下图:图4-14时间间隔测量原理VBVc起始停止开门时间C＋(50%)B＋(50%)起始停止开门时间VBVcB＋(50%)C-(50%)(50%)－B+(50%)C+(50%)－(50%)C＋(90%)闸门信号关门信号开门信号B＋(10%)4）时间间隔的测量(续)图4-15时间间隔的测量波形图a.两信号之间时间间隔的测量一b.两信号之间时间间隔的测量二c.脉冲宽度的测量d.上升沿的测量4）时间间隔的测量(续)相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。两个信号分别由B、C通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。测量原理如图：为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，得到t1、t2再取平均，则221tt5）自检（自校）◆功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。放大、整形晶振放大、整形闸门计数器显示门控电路分频电路T0Tx图4-17电子计数器自校原理nN104.5电子计数器的测量误差4.5.1测量误差的来源1）量化误差；2）触发误差；3）标准频率误差4.5.2频率测量的误差分析4.5.3周期测量的误差分析4.6.1多周期同步测量技术4.6.2模拟内插法1）内插法原理2）时间扩展电路3）校准技术4.6.3游标法4.6.4平均法4.6高分辨力时间和频率测量技术4.6.1多周期同步测量技术倒数计数器采用多周期同步测量的原理，即测量输入信号的多个(整数个)周期值，再进行倒数运算而求得频率。0fNNfBAx4.6.2模拟内插法一般时间间隔测量的局限性：为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标的减小受时基电路和计数器最高工作频率限制，而计数器也有最大计数容量的限制（最大计数值）。内插法对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的尾数(零头时间)。如下图所示，则准确的Tx为：Tx=T0+T1-T2为实现T1-T2的测量，有模拟和数字两种方法。输入信号起始终止时钟脉冲xT1T0T2T4.6.2模拟内插法1模拟内插法原理由于T1和T2均很小（小于时标），采用普通的“时标计数法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：对T1和T2作时间扩展（放大）后测量。三次测量若T1、T2均扩展k倍，采用同一个时标（设为）分别测量T0、kT1、kT2，设计数值分别为：N0、N1、N2，则：意义：上式由于不存在量化误差，总量化误差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相当于用时标的普通时间测量。01201200xNNTTTTNk000TN0/k2）时间扩展电路整形、门控C恒流源1kT1T起始控制信号图4-25内插时间扩展示意图)214()1000(0210TNNNT4.6.3游标法◆数字式游标法实现的原理和游标卡尺的原理相似，是利用相差很微小的两个量，对其量化单位以下的差值进行多次的叠加，直到叠加的值达到一个量化单位为止，通过相关的计算便可以获得较精确的差值。◆设主时钟频率f01＝1/T01和游标时钟f02＝1/T02。f01f02(T01T02)且f01和f02非常接近。即差值ΔT0=T02－T01很小。如T01=10ns，T02=11ns，则ΔT0=T02－T01=1ns。起始脉冲停止脉冲输入信号开门脉冲（Q1）(R-S触发器)开门脉冲（Q2）(D触发器)主时钟（F01）游标脉冲1（F02）游标脉冲2（F02）x01234567896N2=6N0=8N1=4T01T02T02符合点2符合点1123451234512◆如图，设开门与关门时的两个“零头时间”为,开门后同时启动主计数器和游标脉冲1计数，由于T02T01，设经过N1个计数值后,游标脉冲与主脉冲重合(图中符合点1)。此时：即：12、1101102NTNT11020110()NTTNT图4-28游标法原理工作波形图4.6.4平均法1平均法原理随着测量次数的增加，其误差为单次误差的n12）时基脉冲的随机调相技术◆软件平均法依赖于各单次测量的量化误差的随机性，即要求闸门开启/关闭时刻和被测信号脉冲之间具有真正的随机性。否则，各单次测量的量化误差就不具有随机误差的抵偿性◆实现原理采用齐纳二极管产生的噪声对时基脉冲进行随机相位调制，使时基脉冲具有随机的相位抖动4.7微波频率测量技术4.7.1变频法4.7.2置换法电子计数器主机内送出的标准频率fs，经过谐波发生器产生高次谐波，再由谐波滤波器选出所需的谐波分量Nfs，它与被测信号fx混频出差频fI。若由电子计数器测出fI，则被测频率fx为：为适应fx的变化，谐波滤波器应能够选出合适的谐波分量NfsxsIfNff混频器差频放大器电子计数器谐波滤波器谐波发生器输入fxfIfs图4-29变频器原理框图4.7.1变频法举例微波计数器的显示当调谐成功（选择的谐波分量Nfs被确定）后，控制电路直接将Nfs在高位上显示。而fI=fx-Nfs则由计数器计数并显示在Nfs位之后。这样，便得到fx=Nfs+fI。例如：若fx=1234.567890MHz，标准频率fs=100MHz。则应调谐在N=12次谐波上，即Nfs=1200MHz，高位直接显示“12”。计数器再对差频信号fI=fx-Nfs=34.567890MHz计数，最后显示为“1234.567890”MHz。变频法特点：谐波Nfs幅度低，灵敏度低，但分辨力高。4.7.2置换法利用一个频率较低的置换振荡器的N次谐波，与被测微波频率fx进行分频式锁相，从而把fx转换到较低的频率fL（通常为100MHz以下）。原理框图如图：当环路锁定时，有：式中，fs为已知的标准频率，计数器直接对fL计数，但为得到fx，还需确定N值。混频器压控振荡器电子计数器鉴相器fx-NfLfsfLNfLxLsfNff图4-30置换法框图4.8频率稳定度测量和频率比对4.8.1频率稳定度的表征1.频率稳定度2.长期频率稳定度的表征3.短期频率稳定度的表征4.8.2频率稳定度的测量4.8.1频率稳定度的表征1频率稳定度◆频率准确度频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差。即：00,xfffff