第四章 频率和时间的测量技术.ppt

第四章频率和时间的测量技术 直接法电桥法模拟法谐振法差频法比较法拍频法示波法计数法电容充放电法电子计数式 4 1标准频率源 1 原子频标的基本原理根据量子理论 原子或分子当由一个能级向另一个能级跃迁时 就会以电磁波的形式辐射或吸收能量 其频率严格地决定于两能级之间的能量差 这种现象是微观原子或分子所固有的 非常稳定 若能设法使原子或分子受到激励 便可得到相应的稳定而又准确的频率 1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义 秒是铯原子 133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期的持续时间 原子时的时刻起点为1958年1月1日0时 铯原子钟精度达10 13 10 14量级2003年中国计量科学研究院 冷铯原子喷泉钟 4 1标准频率源 2 氢原子钟 亦称为氢原子激射器 它从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔 当原子从高能级跃迁到低能级时 辐射出频率准确的电磁波 精度10 12量级 3 铷原子钟 体积小 重量轻 便于携带的原子频标 精度10 11量级 4 离子储存频标 亦称为离子阱频标 预计其精度可达10 15 10 16量级 4 2电子计数法测量频率 一 测频原理 被测信号T秒时间内重复变化了N次 图4 1测频原理框图 一 时基T 闸门时间T 产生电路 作用 提供准确的计数时间T 二 计数脉冲形成电路 作用 把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲 三 计数显示电路 作用 计数被测周期信号重复的次数 并显示被测信号的频率测频原理的实质 以比较法为基础 把被测信号频率与已知信号的频率相比 将比较的结果以数字的形式显示出来 图4 2频率计数器组成原理框图 二 误差分析1 误差来源 1 时基T是否准确 2 计数值N是否准确2 量化误差 1误差结论 1 不论N值为多少 其最大误差总是 1个计数单位 故称 1误差 2 脉冲计数相对误差与被测信号频率成反比 与闸门时间成反比 图4 3T 7Tx的示意图 图4 4T 7 4Tx的示意图 3 闸门时间误差 标准时间误差 结论 闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差4 测频总误差 三 提高测频准确度应采取以下措施 1 提高晶振的准确度和稳定度 以减小闸门时间误差 2 扩大闸门时间或倍频被测信号 以减小 1误差 3 当频率较小时 应采用测周法 四 高精度10MHz频率计 图4 5频率计主电路 4 3电子计数法测量周期 一 测周的必要性及原理1 必要性2 基本原理 图4 6测周原理框图 二 误差分析 1 例1 某计数式频率计 若晶振的相对误差为2 10 7 在测量周期时 取晶振的周期为1 s 则当被测信号周期分别为1s 1ms 10 s时 引起的测量误差分别是多少 2 提高测量准确度措施 1 减小TC 但受到计数器速度的限制 2 周期倍乘 但受到显示位数和测量时间的限制 结论 结论 测周时 测量误差主要取决于量化误差 Tx越大 误差越小 3 触发误差结论 1 触发误差与信噪比成反比 2 门控信号周期扩大K倍 由随机噪声引起的相对误差可降为 3 在相同条件下 触发器灵敏度高 则引起的触发误差大 4 总误差 三 中界频率1 定义 对某信号使用测频法和测周法测量频率 两者引起的误差相等 则该信号的频率定义为 2 若测频时扩大闸门时间n倍 测周时周期倍乘k倍 例2 某频率计若可取的最大的T fc值分别为10s 100MHZ 并取k 104 n 102 试确定该仪器可选择的中界频率 4 4电子计数法测量时间间隔 一 时间间隔测量原理 1 功能 1 倍乘 衰减 器 将被测信号调节到触发电平允许的范围 2 触发电路 将输入信号与触发电平相比较 以产生启动和停止脉冲 3 门电路 选择触发电平的斜率 图4 7测时间间隔原理框图 2 测量类型 1 当开关K 1时 测量同一信号波形上的任意两点的时间间隔 2 当当开关K 2时 测量两信号间的时间间隔 二 误差分析1 表达式 2 减少测量误差应采取的措施 1 选用频率稳定性好的标准频率源 以减小标准频率误差 2 提高信噪比以减小触发误差 3 提高频率fc 以减小量化误差 不能采用被测时间TX扩大K倍法 例3 某频率计最高标准频率为10MHz 若忽略标准频率误差与触发误差 当被测时间间隔为50 s和5 s时 其测量误差多大 若最高标准频