电子测量-第5章-时频测量(新).ppt

5.1频率与时间的原始基准,5.1.1时频关系,“周期”是指同一事件重复出现的时间，如T。,“频率”是单位时间（1秒）内周期性事件重复的次数，单位是赫兹Hz。,电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器.设石英晶体振荡器日频率稳定度为10-6,则日误差：,5.1.2时频基准,时间的单位是秒。随着科学技术的发展，“秒”的定义曾作过三次重大的修改：,1.世界时秒（UT）,由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（UT）。定义地球自转周期的186400作为世界时的1s，零类世界时（UT0），其准确度在10-6量级。,校正后的世界时称为第二类世界时（UT2）,其准确度在310-8量级。,历书时秒(ET)是以地球绕太阳公转定义的时间，作为时间单位提高到十亿分之一秒，即110-9量级。世界时秒是与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。,从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。1967年10月第13届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒”是Cs133原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF=0和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续9192631770个周期的时间”,2.原子时秒（AT）,为原子时秒(记作AT)。并自1972年1月1日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，,其准确度可达510-14，是所有其它物理量标准远远不及的。,3.协调世界时秒（UTC）,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，而世界时考虑了时刻（年月日时分秒）和时间间隔。,协调世界时秒（UTC）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高45个数量级。现在各国标准时发播台所发送的就是世界协调时UTC，其准确度优于210-11。我国的中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原子时（TAI）200多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国时间标准由中央人民广播电台发布。,7年来首次闰秒2005年底实施2005年7月4日，国际地球自转服务组织（IERS）发布C公报，协调世界时（UTC）将在2005年底实施一个正闰秒，即增加1秒。届时，所有的时钟将拨慢1秒。具体实施步骤如下：UTC协调世界时：23时59分59秒（2005年12月31日）23时59分60秒（2005年12月31日）00时00分00秒（2006年1月1日）相应地，北京时间：7时59分59秒（2006年1月1日）7时59分60秒（2006年1月1日）8时00分00秒（2006年1月1日）世界时是基于地球自转的一种时间计量系统，原子时是基于原子物理技术的一种更加均匀的时间系统。由于两种时间尺度速率上的差异，一般来说12年会差1秒。我们日常生活所用的时间是协调世界时（UTC），它是一种折衷的时间尺度，用原子时的速率，而在时刻上逼近世界时，所用方法就是“闰秒”，也就是协调世界时和世界时之差即将超过0.9秒时，就对协调世界时作一整秒的调整。,由于地球自转变慢，而引起到2005年底协调世界时和世界时之差即将越限，因此，国际地球自转服务组织宣布此次闰秒。上一次闰秒发生在7年之前的1999年1月1日。国家授时中心在时间频率公报中提前数月向全国时间用户通知了这一消息。我们日常所用的北京时间既不是原子时（TAI），也不是世界时(UT1)，而是协调世界时(UTC)。相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要，但世界时时刻反映了地球在空间的位置，这也是需要的。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。协调世界时（UTC）尽量靠近世界时(UT1)的意思是：必要时对协调世界时作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的时刻之差保持在0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒（或跳秒），增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或负跳秒）。是否闰秒，由国际地球自转服务组织（英文缩写为IERS）决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分59秒后插入1秒，插入后的时序是：58秒，59秒，60秒，0秒，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：57秒，58秒，0秒，这一天是86399秒。最近的一次跳秒日是1999年1月1日。国家授时中心（陕西天文台）在1998年11月的时间频率公报中通知了这一消息，使BPM、BPL时号用户周知。国际地球自转服务组织（IERS）如通知跳秒，该通知至少要提前8周发出。,Jobs关于时间的哲学,Yourtimeislimited,sodontwasteitlivingsomeoneelseslife.Dontbetrappedbydogma-whichislivingwiththeresultsofotherpeoplesthinking.Dontletthenoiseofothersopinionsdrownoutyourowninnervoice.Andmostimportant,havethecouragetofollowyourheartandintuition.Theysomehowalreadyknowwhatyoutrulywanttobecome.Everythingelseissecondary.你的时间是有限的，不要浪费在重复别人的生活上。不要被教条束缚，那意味着会和别人思考的结果一块儿生活。不要被其他人的喧嚣观点掩盖自己内心真正的声音。你的直觉和内心知道你想要变成什么样子。所有其他东西都是次要的。,5.1.3频率测量方法,5.2电子计数法测量频率,5.2.1.电子计数法测频原理,1.基本原理,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：,（5-1）,门电路复习：,同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。,由图可见：,因此,实现了测频原理：“定时计数”,实质：比较法,重点掌握,2组成框图,下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。,1)输入单元,由放大整形电路和主门电路组成。,被测输入周期信号（频率为fx，周期为Tx）经放大、整形、微分得周期Tx的窄脉冲，送主门的一个输入端。,2)时基（T）电路,两个特点：,(1)标准性闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常晶振频率稳定度要求达10-610-10。（恒温糟）,(2)多值性闸门时间T不一定为1秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如（教材p191,图4-3）,1kHz100Hz10Hz1Hz0.1Hz1ms10ms0.1s、1s、10s等。,门控（双稳）电路：,3)计数显示电路,这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。,4)控制电路,控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照“复零一测量显示”的程序自动地进行，其工作流程如图4.6所示。,请注意：测频模式显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频率测量的分辨力。例如：闸门时间Ts=1s，若计数值N=10000，则显示的fx为“10000”Hz，或“10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s，则计数值N=1000，则显示的fx为“10.00”kHz。,5.2.2.测频模式误差分析,由第二章误差传递公式（2-28，教材p46）,可对式,求得,计数误差,时基误差,公式推导过程：,1.量化误差计数误差、1误差,在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。可能多1个或少1个的1误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲计数误差或1误差。,黑门进8个脉冲,红门进7个脉冲,教材p194,2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）,闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为Tc），则有,=110-7110-10,为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，振荡器的输出频率稳定度应比1误差引起的测频误差低一个数量级,5.2.3.结论,1.计数器直接测频的误差主要有两项,即1误差和标准频率误差一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即,（4-5）,2.测量低频时，由于1误差产生的测频误差大得惊人,例如，fx=10Hz，T=1s，则由1误差引起的测频误差可达10，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。,5.3电子计数法测周,5.3.1.电子计数法测量周期的必要性如前所述，当被测频率fx较低时，利用计数器直接测频的1误差所引起的测频误差将会达到不可允许的程度。所以可以先测周期Tx，然后计算fx=1/Tx。测量原理是以Tx（被测信号）作为门控信号对时标信号（晶振分频）进行计数，基本原理与测频模式正好相反，本质也是比较法。因为fx越低，Tx越大，计数器计得的数N越大，1误差对测量结果的影响自然减小。,5.3电子计数法测周,5.3.2.电子计数法测量周期的原理（参见p158图5-3),由右图可得,5.3.3.电子计数器测量周期的误差分析,1.量化误差和基准频率误差,与分析电子计数器测频时的误差类似，这里,，根据,误差传递公式可得,根据图5-3所示的测周原理，可得,，而N=1,多周期测量,2.触发转换误差,测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。下图给出了一个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲Un，UB为施密特电路触发电平。可见，施密特电路将提前在,触发，于是形成的方,波周期为,，即产生,的误差，称“转换误差”(或触发误差)。,从图可得,式中Un干扰或噪声幅度。,设被测信号为正弦波,将上式代入，实际上,，得,式中Um信号振幅。,同样，在正弦信号下一个上升沿上(图中A2点附近)也可能存在于扰，即也可能产生,触发误差,由于干扰或噪声都是随机的，所以,和,都属于随机误差，,我们可按,来合成，于是可得,（5-5b）,多周期测量,进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和1误差。我们可以利用下图,来说明，图中取周期倍增系数10为例，即测10个周期。从图可见，两相邻周期由于转换误差所产生的,比如，第一个周期T1x终了，这样10个周期引起的总误差与测个周期产生的误差一样，经除10，得一个周期的误差为,是互相抵消的，,，可见减小了10倍。,此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到10n倍，这样，由1误差所引起的测量误差也可减小,倍。图4-7中的10Tx,和100Tx两曲线说明这个结果。,结论,1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将上式中k换成,）：,（5-6b）,2)采用多周期测量可提高测量准确度；,3)提高标准频率，可以提高测周分辨力；,4)测量过程中尽可能提高信噪比VmVn。,5.3.4中界频率（补充内容）,研究量化误差（1误差）对测频和测周的影响。,测频、测周量化误差相等的频率称为中界频率。,将（4-5）和（4-7）式中,量化误差表达式联立可得,式中，,为中界频率，,为标准频率，T为闸门时间。,图4.14中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以T=1s，,=100MHz为例，可查知,=10kHz。,因此，当,宜测频；,当,，宜测周。,5.4时间间隔的测量（通用计数器的其他功能）,1.基本原理,触发电平、触发极性可调,2.相位测量,相位差的测量，见图4.16。,则,对应的相位可以计得,测相位要求两信号：同频同幅,3.脉冲时间参数测量,5.5电子计数器性能的改进,电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差，尤其是量化误差；如何提高测时间的分辨力；如何提高测频的频率范围，以至可测量更高波段的频率。,1.采用触发窗可以避免较小噪声波动的误触发,一、采用触发窗,2.触发窗的选择应避开噪声和毛刺,二、减小计数误差的电路改进措施,在直接计数器中，为了提高测时分辨力和精度，就必须提高基准时钟频率，但是，钟频的提高意味着计数速度的提高，即使采用1GHz钟频，测时分辨力也只能达到1ns。因此，必须用其它方法来提高测时分辨力。,1内插法扩展法,用内插法测时间的原理，如图5-15所示。为了测量时间间隔,计数器实际测量的是,和,等三个参数，其中,起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个,钟脉冲之间的时间间隔；,起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔；,一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。,由图4.23可知，被测时间间隔,为,例如，扩展器控制的开门时间为的1000倍(k取999)，即：9991000在T1时间内对时标计数得N1，则类似地：9991000在T2时间内对时标计数得N2，则于是：内插后测量分辨力提高了1000倍。,的测量与普通计数器相同，即累计该时间间隔内出现的钟脉冲数。两个“零头”时间,和,采用内插法来测量，,即先用两个内插器将,和,分别扩展1000倍，然后再在,扩展后的时间间隔内，对同一钟脉冲进行计数，故被测时间间隔,为（按权相加）,（5-13）,模拟内插：T-T：时间放大器,2.游标法计数器数字内插技术,物理思想：机械游标卡尺,数显游标卡尺,游标法目的是减小计数误差。,在闸门开启后立即开启游标计数脉冲，其周期略大于主计数脉冲周期。两个脉冲之间间隔逐渐缩小，直至重合。,三、倒数计数器(p178直接显示低频频率的电路),5.6调制域分析,5.6.1调制域测量1）调制域测量2）调制域测量的意义5.6.2时频测量原理1）瞬时频率测量原理2）无间隔计数器的实现3）调制域分析的应用4）发展动态,5.6.1调制域测量,1）调制域测量时域与频域分析的局限性一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时出现。调制域概念在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析即调制域分析。调制域即指由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域。,“调制域”是八十年代末提出的新概念。,调制域为人们观测信号提供了一个新的窗口,一些在时域和频域无法观察到的现象。,5.6.1调制域测量,2）调制域测量的意义调制域描绘出了频率、时间间隔或相位等随时间的变化曲线。方便地表达出频域和时域中难以描述的信号参数和信号特性。为人们对复杂信号的测试和分析提供了方便直观的方法，解决了一些难以用传统方法或不可能用传统方法解决的难题。,5.6.2时频测量原理,1）调制域分析仪工作原理（瞬时测频）,注意：实际采样点只是近似于预置值,2）无间隙计数器（零死区时间）的实现,调制域分析主要是研究频率随时间变化情况,因此其关键的技术是要实现动态连续地测量频率。而通用电子计数器：,5.6.2时频测量原理,2）无间隙计数器（零死区时间）的实现无间隙计数器通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用无间隙计数器方案。实现原理使用两组计数器交替工作，每一组都包括时间计数器（对时标T0）和事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计数器进行数据的显示等工作。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。,5.6.2时频测量原理,零死区计数器工作原理波形图,5.6.2时频测量