第3章 时间频率测量

第三章时间与频率的测量3.1概述3.2频率和时间的测量原理3.3电子计数器的组成原理和测量功能3.4电子计数器的测量误差3.5高分辨时间和频率测量技术3.6频率稳定度测量和频率比对一、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。§3.1概述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：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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。二、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。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（50Ω低阻和1MΩ//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。三、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,UniversalTime）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10－6量级。秒的第一次严格定义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参考点。零类世界时（UT0）：以平太阳的子夜0时为参考，准确度约为10－6。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，准确度约为10－7。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31556925.9747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。秒的第二次定义365天5小时48分45.9747秒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。秒的第三次定义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：10-13~10-14。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）。四、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（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）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: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晶振类型输出频率(MHz)日稳定度准确度普通1，1010-5~10-610-5温度补偿1，5，1010-6~10-710-6单恒温槽1，2.5，5，1010-7~10-910-6~10-8双恒温槽2.5，5，1010-9~10-11优于10-8§3.2时间和频率的测量原理一、模拟测量原理1、直接法2、比较法二、数字测量原理1、门控计数法测量原理2、通用计数器的基本组成一、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可用于测量高频(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＋R令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：，于是，被测信号频率为：通常取R1=R2=R,C1=C2=C，则测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为±(0.5～1)%。312214RRCRCR1x22x110RCRC1212122xxfRRCC12xfRC主要用于测量低频2、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。（1）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）。当标准频率fs和被测量频率fx相差很大时，耳机中能听到两个高低不同的音调；当频率逐渐接近，差几个频率时，音调差别消失，能听到声音响度做周期性变化；当fs=fx时，合成信号的强度保持不变。（2）外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计），是计数式频率计问世之前测量高频的主要方法，准确度可达10-5～10-6。混频低通滤波器晶振本机振荡器Axfbf校准1MHz接收装置差频f1bf2bfxf20Hz20kHzbxfff122bbxfff（3）示波法李沙育图形法将fx和fs分别接到示波器Y轴和X轴（X-Y图示方式），当fx＝fs时显示为斜线（椭圆或圆）；测周期法直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周期，进而得到频率。二、数字测量原理1、门控计数法测量原理◆时间、频率量的特点频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N)，根据fx=N/T得到频率值。为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。◆测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。闸门可由一个与（或“或”）逻辑门电路实现。这种测量方法称为门控计数法。其原理如下图所示。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）。◆测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间”）即为采样时间。测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。与门TATBTATBABC2、通用计数器的基本组成通用电子计数器的组成框图如下图所示：通用计数器包括如下几个部分输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。主门电路：完成计数的闸门控制作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路：控制协调整机工作，即准备测量显示。§3.3电子计数器的组成原理和测量功能一、电子计数器的组成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、控制电路二、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、自检一、电子计数器的组成电子计数器整机框图1、输入通道A、B◆作用：它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发（包括触发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。◆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。通道组合可完成不同的测量功能：被计数的信号（常从A通道输入）称为计数端；控制闸门开启的信号通道（常从B、C通道输入）称为控制端。从计数端输入的信号有：被测信号(fx);内部时标信号等;从控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号(Tx)等；序号计数端信号控制端信号测试功能计数结