电子测量技术第4章

时间频率测量及调制域分析第4章2第4章时间频率测量及调制域分析4.1时间频率测量4.2电子计数器4.3电子计数器测量误差分析4.4电子计数器性能的改进4.5调制域测量4.1时间频率测量44.1.1时间和频率的基本概念时间是国际单位制中七个基本物理量之一,它的基本单位是秒(s)。时间有两种含义：时刻：回答某事件或现象何时发生t1间隔：两个时刻之间的间隔,回答某事件或现象持续多久“时刻”“间隔”二者测量方法是不同的。tU0t1t2t3t4T5时频关系频率标准←→时间标准频率是时间的导出量，在法定计量单位中，是具有专门名称的导出量。频率表征在1秒的时间间隔内，周期现象重复出现的次数，出现1次，称为1Hz。在时间t内，周期现象重复出现n次时，则频率定义为f=n/t(Hz)。时间准确度取决于频率准确度,其标准相同整个电磁频谱有各种各样的划分方式。在微波技术中，通常按波长划分为米、分米、厘米、毫米、亚毫米波。在无线电广播中，则划分为长、中、短三个波段。在电视中，把48.5~223MHz按每频道占据8MHz范围带宽划分为1~12频道。总之，频率的划分完全是根据各部门、各学科的需要来划分的。在电子测量技术中，常以100kHz为界，以下称低频测量，以上称高频测量。时频关系时频关系84.1.2时间频率基准UT：以地球自转周期为标准测定的时间UT0(零类世界时)：直接通过天文观察求得的时间秒1秒=地球自转周期1/84600准确度10-6UT1(第一类世界时)：地球自转受极运动的影响,校正了这个偏差而得到世界时UT2(第二类世界时)：再把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时准确度3×10-8ET(历书时)：1900回归年(太阳连续两次经过春分点所经历的时间)长度的1／31556925.9747为1s。准确度1×10-99时间频率基准近来引进了微观计时标准,这就是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。1967年10月13届国际计量大会正式通过了秒的定义AT(原子时)：“秒是Cs133原子基态的两个超精细能极之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。准确度10-13~10-1410时间频率基准世界时和原子时之间互有联系,可以精确运算，但不能彼此取代,各有各的用处。原子时：只能提供准确的时间间隔世界时：考虑了时刻和时间间隔。目前国际上已应用经过原子标准修正过的时间来发送标准,用原子时来对天文时进行修正。UTC(协调世界时)：以原子秒定义为秒长,但通过闰秒方法使其时刻与世界时UT1接近的时间尺度。协调世界时是原子时和世界时UT1的一种折衷产物。11频率标准原子频率标准(原子频标)一级原子频标有许多种,高标准的频率标准源大多采用铯束原子频标,它的稳定性、制作重复性较好。原子频标的准确度可达10-13。高精度石英晶体振荡器二级石英有很高的机械稳定性和热稳定性,它的振荡频率受外界因素的影响小,因而比较稳定,频率稳定度可达到10-10。时间标准和频率标准具有同一性。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。晶体振荡器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。13标准时频的传递本地比较法：用户把自己要核准的装置搬到拥有标准源的地方,或者由有标准源的主控室通过电缆把标准信号送到需要的地方,然后通过中间测试设备进行比对。14标准时频的传递发送—接收标准电磁波法拥有标准源的地方通过发射设备将标准电磁波发送出去,用户用相应的接收设备将标准电磁波接收下来,便可得到标准时频信号,并与自己的装置进行比对测量。用标准电磁波传送标准时频,是时频量值传递与其他物理量传递方法显著不同的地方,它极大地扩大了时频精确测量的范围,大大提高了远距离时频的精确测量水平。154.1.3时间频率测量的特点和方法测量精度高频率(时间)测量所达到的分辨率和准确度是最高的10-14测量范围广0.01Hz以下~1012Hz以上，都可以做到高精度的测量频率(时间)的测量具有动态性质,即时间频率总在改变着。必须依靠信号源和钟的稳定性,期望后一周期是前一周期的准确复现信号可以通过电磁波传播,扩大了时间频率的比对和测量范围如GPS卫星导航系统,可实现全球范围最高准确度的时频比对和测量16频率测量方法模拟法直读法比较法电桥法谐振法拍频法差频法示波法李沙育图形法测周期法计数法电容充放电式电子计式17频率测量方法概述由于频率是时间的倒数,时间和频率共用一个标准源,并由频率导出时间,所以在实际中往往更多的讨论频率测量。直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率电桥法和谐振法18频率测量方法概述利用标准频率和被测频率进行比较来测量频率拍频法、外差法、示波器法以及计数器测频由于数字电路的发展和数字集成电路的普及,利用电子计数器测量时间和频率具有精度高,使用方便,迅速以及便于实现测量过程自动化等一系列突出优点,成为近代频率测量的重要手段。4.2电子计数器204.2.1电子计数器的功能与组成计数器通常具有三种主要功能累计计数—对输入信号连续地计数频率测量—在确定的时间内对输入信号计数时间测量—对周期准确的时标信号计数在三种主要功能的基础上,可扩展多种功能测脉冲宽度测时间差测相位测频率比自检21电子计数器的基本原理电子计数器的基本原理是基于比较法进行测量根据频率(时间)的A/D转换原理来构成一个数字仪器,应包含：实现量化的比较电路——主门被转换量的输入电路量化单位fc(Tc)的产生电路转换结果N的计数与显示电路控制电路22主门主门也称为闸门功能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。由“与门”构成的主门,其“门控信号”为‘1’时,允许计数脉冲通过；由“或门”构成的主门,其“门控信号”为‘0’时，允许计数脉冲通过。“门控信号”还可手动操作得到,如实现手动累加计数。23输入通道组成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作用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。输入电路工作波形图ust0放大ttt000整形微分A输入(T0或Fx)24输入通道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；25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。26时基产生电路要求：标准性:“门控信号”和“时标”作为计数器频率和时间测量的本地工作基准,应当具有高稳定度和高准确度。多值性：为了适应计数器较宽的测量范围,要求“闸门时间”和“时标”可多档选择。27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。电子计数器的工作流程图准备期复零，等待测量期开门，计数显示期关门,停止计数28计数与显示电路计数电路对通过主门的脉冲进行计数(计数值代表了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路29计数与显示电路计数电路的重要指标：最高计数频率计数电路一般由多级双稳态电路构成,受内部状态翻转的时间限制,使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器,最高计数频率主要由个位计数器决定。显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。304.2.2.电子计数器测量频率和周期根据频率的定义,若某一信号在T秒时间内重复变化了N次,则该信号的频率为：门电路复习：与门A1/0B1/0C1/0同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。A0011B0101C0001TNfx31电子计数器测量频率计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成,由于其开启时间为T,所以称为“闸门时间”。闸门时间通常以秒为单位,一般有10s,1s,0.1s,0.01s等几种,为了获得较多的测量位数及测量精度,较长的闸门时间一般用来测量较低的频率32电子计数器测量频率由于计数器的位数总是有限的,对于较高频率,则应选用较小的闸门时间,以免使测量数据溢出当被测信号的频率太低时,闸门时间(测量时间)将会长到测量者无法忍受的程度。例如,测量1Hz左右的信号频率,位数需达到6位,则闸门时间至少应为105s(约1个月),这显然是不可行的33电子计数器测周基本原理对于较低频率信号宜采取先测量其周期T,然后再根据fx=1/Tx的关系求得其频率电子计数器测量周期的原理ccxfNNTT34脉冲的宽度的测量将测周原理中门控电路稍加改变,可测量多种时间下图为脉冲宽度测量的原理图。它既可测正脉冲宽度,又可测负脉冲宽度。输入的被测信号首先进入整形电路,该电路除将被测信号整形为陡峭方波外,还通过倒相输出一对极性相反的信号,即图(b)中a,b点的信号。35时间间隔的测量周期的测量,本质上也是时间间隔的测量测量一个周期信号波形上两相邻同相位点之间的时间间隔。我们还可把它扩展到同一信号波形上两个不同点之间的时间间隔的测量。36时间间隔的测量37时间间隔的测量时间间隔的测量有两种工作方式：S断开,两个通道是完全独立的,来自两个信号源的信号控制计数器工作；用于测量两个信号的时间差两个独立的输入通道(B、C)可分别设置触发电平和触发极性(触发沿)B为起始通道,用来开启主门C的信号为计数器的终止信号38时间间隔的测量S闭合,两个输入端并联,仅一个信号加到计数器,但可独立地选择触发电平和触发极性,以完成起始和终止功能。用于测量一个信号任意两点间的时间间隔。39相位的测量相位的测量实际是指两个同频周期性信号的相位差的测量先将S闭合，选择相同极性，测出一路信号周期T。再将S断开，分别输入两路被测信号，选择相同极性触发，测出两路信号相同边沿穿过触发电平的时间差Tx2xTT相位差的测量tφφ··T360ºt40测量频率比频率比f1／f2是加于A、B两路的信号源的频率比值nNff1021自检41实际原理框图：42累计计数累计计数——对输入信号连续地计数传送带上的成品计数剪票口、百货商店、展览会的入场人数统计行人、自行车、船舶等交通量的测量电线、钢板之类物体的长度测量距离测量流量测量重量测量液面位置测量传送带上的物品43频率测量频率测量——在确定的时间内对输入信号计数频率测量(RC振荡器、信号发生器等)转速测量(内燃机、电动机、滚筒)机械振动流量测量产速率测量44时间测量时间测量——对周期准确的时标信号计数快门时间测量继电器动作时间测量体育运动比赛的计时速度测量（汽车或火车等运动中的物体、飞行中的物体、坠落的物体、流体）水位、距离测量粘度、力矩、功率的测量相位差测量化学试剂反应时间的测量电子计数器的应用45距离的计数测量用计数法测量子弹的飞行速度46电子自动裁判装置的显示精度虽然不超过百分之一秒,但是它能够鉴别五千分之一秒的时间差,能够极精确地判断到达终点的先后次序,能够清楚地区别出利用摄影技术也很难鉴别的时间差。电子裁判4.3电子计数器测量误差分析计数误差测频时,主门的开启时刻与计数脉冲间的时间关系是不相关的,即它们在时间轴上的相对位置是随机的计数器值NT通常不是Tx的整数倍 xTNT频率量化时带来的误差称量化误差,又称脉冲