




版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、 第1页2.3 时间与频率的测量2.3.1概述2.3.2时间与频率的原始基准2.3.3频率和时间的测量原理2.3.4电子计数器的组成原理和测量功能2.3.5电子计数器的测量误差2.3.6高分辨时间和频率测量技术2.3.7微波频率测量技术 第2页2.3.1概述2.3.1.1 时间、频率的基本概念1时间和频率的定义2时频测量的特点3测量方法概述2.3.1.2 电子计数器概述1电子计数器的分类2主要技术指标3电子计数器的发展2.3.1.1 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
2、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。第3页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第4页第5页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直读法李沙育图形法测周期法
3、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,是本节的重点。 第6页2.3.1.2 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。第7页 第8页
4、1电子计数器的分类按用途可分为: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(10100MHz (3高速计数器(高于100MHz (4微波计数器(180GHz 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10-710-9。(4输入特性:包括耦合方式(DC、AC、触发电平(可调、灵敏度(10100mV、输入阻抗(50 低
5、阻和1M /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。第9页3电子计数器的发展测量方法的不断发展:模拟Æ数字技术Æ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
6、、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。第10页 第11页2.3.2 时间与频率标准2.3.2.1 时间与频率的原始标准1天文时标2原子时标2.3.2.2 石英晶体振荡器1组成2指标2.3.2.1 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,Universal Time: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10-7量级。第12页1
7、天文时标为世界时确定时间观测的参考点,得到¾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。¾零类世界时(UT:以平太阳的子夜0时为参考。¾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。¾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。¾历书时(ET:以地球绕太阳公转为标准,即公转周期(1年的31 556 925.9747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
8、会接受为“秒”的标准。第13页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¾设备庞大、操作麻烦;¾观测时间长;¾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。第14页2原子时标原子时标的定义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9,1
9、92,631,770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45个量级,达5×10-14(相当于62万年±1秒,并仍在提高。第15页2原子时标原子钟¾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¾准确度:10-1310-14。¾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¾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¾短期稳定度高:10-1410-15,但准确度较低(10-12。第16页2.3
10、.2.2 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。OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator恒温晶体振荡器第17页第18页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第19页2指标晶体振荡器的主要指标有:输出频率:1MHz 、2.5MHz 、5MHz 、1
11、0MHz 。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50。几种不同类型的晶体振荡器指标10-610-810-710-91,2.5,5,10优于10-810-910-112.5,5,1010-610-610-71,5,1010-510-510-61,10准确度日稳定度输出频率(MHz第20页2.3.3 时间和频率的测量原理2.3.3.1 模拟测量原理1直接法2比较法2.3.3.2 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第21页2.3.3.1 模拟测量原理1直接法直接法是
12、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,此时回高频电压表指示,则1500MHz 以下的频率,准确度±(0.251%。I C012x f f L C=012x f f LC=(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R4R2C21212122xxfRRCC=x1x2j jC C143211(R+R=(R1+R第22页第23页令平衡条件表达式两端实虚部分别相等,得到:和于是,被测信号频率为:受桥路中各元件的精确度、判断
13、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1%。312214R R C R C R +=1x 22x 110R C R C =1212122x x f R R C C =RC第24页2比较法基本原理利用标准频率f s 和被测量频率f x 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: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。示波法:李沙育图形法:将f x 和f s 分别接到示波
14、器Y 轴和X 轴(X -Y 图示方式,当f x =f s 时显示为斜线(椭圆或园;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。x s f N f = 第25 页不同频率比和相位差的李沙育图形2.3.3.2 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=N/T得到频率值。加计数(若计数值为N,根据fx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
15、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。第26页第27页2.3.3.2 数字测量原理闸门可由一个与(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。逻辑门作为闸门,其门控信号为1时闸门开启(允许时闸门关闭(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。T A T B T AT B C第28页2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: 2通用计数器的基本组成通用计数器包括如下几个部分¾输入通道:通常有A、
16、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。通过预定标器还可扩展频率测量范围。¾主门电路:完成计数的闸门控制作用。¾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。¾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。¾控制电路:控制协调整机工作,即准备Æ测量Æ显示。第29页第30页2.3.4 电子计数器的组成原理和测量功能2.3.4.1 电子计数器的组成1A 、B
17、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2.3.4.2 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自检第31页2.3.4.1 电子计数器的组成组成原理框图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、整形主门功能开关闸门选择、周期倍乘÷10÷10÷10÷1010s(×1041s(×103100ms(×10210ms(×101ms(×1时标选择12345332112445时基部分×10×10÷10÷10
18、÷101ms0.1ms10us1us 0.1us 10ns 控制时序电路开门锁存复位控制时序电路波形 第32页1 A 、B 输入通道作用:它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(包括出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。通过预定标器(外插件还可扩展频率测量范围。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。第33页1A 、B 输入通道通道组合可完成不同的测量功能:¾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。¾从计数端输入的信
19、号有:被测信号(fx ;内部时标信号等;¾从控制端输入的信号有:闸门信号;被测信号(Tx 等;测试功能计数结果自检N=T/T 0x 测量频率(A f x =N/T T 0被测周期(T x 测量周期(B T x =NT 0被测信号(f A 被测信号(f B 测量频率比(A/B f A /f B =N T 0被测信号相应间隔t B-C测量时间间隔(A-B t B-C =NT 0A 被测信号相应间隔t B-C 测量外控时间间隔B-C t B-C =NT A 外待测信号(N x 手控或遥控累加计数(A N x =N 内时钟(秒信号手控或遥控计时N (秒2主门电路功能:主门也称为闸门,通过“门
20、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:TC构成的主门,其“门控信号”为1时,允许计数脉或门”构成的主门,其“门控信号”为0时,允许计数脉冲通过。还可手动操作得到,如实现手动累加计数。第34页3计数与显示电路功能: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。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
21、率主要由个位计数器决定。不同电路具有不同的工作速度:如74LS(74HC系列为3040MHz;74S系列为100MHz;CMOS电路约5MHz;ECL 电路可达600MHz。第35页 第36页3计数与显示电路类型:单片集成与可编程计数器¾单片集成的中小规模IC 如:74LS90(MC11C90十进制计数器;74LS390、CD4018(MC14018为双十进制计数器。¾可编程计数器IC 如:Intel8253/8254等。显示器¾LED 、LCD 、荧光(VFD 等。显示电路:包括锁存、译码、驱动电路。¾如74LS47、CD4511等。专用计数与显示单元
22、电路:如ICM7216D 。 第37页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。4时基产生电路要求:¾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。¾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。¾
23、;常用“闸门时间”有:1ms、10ms、100ms、1s、10s。¾常用的“时标”有:10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。第38页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:测量期(开门,计数显示期(关门,停止计数第39页第40页2.3.4.2 电子计数器的测量功能1频率测量原理:计数器严格按照的定义实现频率测量。根据上式的频率定义,T 为采样时间,N 为T 内的周期数。采样时间T 预先由闸门时间Ts 确定(时基频率为fs 。则该式表明,在数字化频率测量中,可用计数值N 表
24、示fx 。它体现了数字化频率测量的比较法测量原理。闸门时间Ts=1s ,若计数值N=10000,则显示的fx 为或“10.000”kHz 。如闸门时间Ts=0.1s ,则计数值则显示的fx 为“10.00”kHz 。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(应等于时基频率fs 。TN =f x s x s f .T T T =第41页1频率测量原理框图和工作波形图(fx 由A 通道输入,内部时基为便于测量和显示,计数器通常为十进制计数器,多档闸门时间设定为10的幂次方,这样可直接显示计数结果,并通过移动小数点和单位的配合,就可得到被测频测量速度与分辨力:闸门时间Ts 为频率测量的
25、采样时愈大,则测量时间愈长,但计数值N 愈大,分辨力TB 放大、整形闸门门控电路计数显示A f x 时基T s第42页2.3.4.2 电子计数器的测量功能2频率比的测量原理:实际上,前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量:fx 对fs 的频率比。据此,若要测量f 对f 的频率比(假设f A >f B ,只要用f 时间内对f A 作周期计数即可。A B 两通道输入,如下图。B A A BT f N T f =第43页注意:频率较高者由A 通道输入,频率较低者由B 通道输入。提高频率比的测量精度:扩展B 通道信号的周期个数。个周期作为闸门信号,则计数值即计数值扩大了10倍,相应的测量
26、精度也倍。为得到真实结果,需将计数值N 缩小10倍(小数点左移1位,即可方便地测得电路的分频或倍频系数。10AB fN f =2频率比的测量第44页3周期的测量原理:“时标计数法”周期测量。对被测周期Tx ,用已知的较小单位时间刻度T 0(“时标”去量化,由Tx 所包含的“时标”数N 即可得到Tx 。即该式表明,“时标”的计数值N 可表示周期Tx 。也体现了时间间隔(周期的比较测量原理。实现:由Tx 得到闸门;在Tx 内计数器对时标计数。Tx 由B 通道输入,内部时标信号由A 通道输入(A 通道外部输入断开。2.3.4.2 电子计数器的测量功能x T NT =原理框图:例如:时标T0=1us,若计数值N=10000,则显示的Tx为“10000”us,或“10.000”ms。如时标T0=10us,则计数值N=1000,显示的Tx为“10.00”ms。请注意:显示结果的有效数字末位的意义,它表示了周期测量的分辨力(应等于时标T。为便
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 电子数码雷管培训课件
- 认识汉字四的课件
- 2025版汽车租赁电子支付服务协议
- 2025厂房买卖合同范本:工业地产交易合同审核要点
- 2025年度环保材料产品独家代理权转让合同
- 2025版贴吧搜索结果页面智能问答系统开发合同
- 2025年度山场林业资源保护与综合利用承包合同
- 2025年度商业综合体亮化照明工程合同下载
- 2025年宠物猫寄养与宠物美容美甲服务合同
- 2025版全新跨境电商劳务派遣合作协议
- 2025年学历类自考专业(学前教育)学前儿童发展-学前教育原理参考题库含答案解析(5套)
- 日本设备销售合同范本
- (2024)大学生宪法知识竞赛题库及答案
- 2025年芜湖市鸠江区医院招聘16名工作人员笔试参考题库附答案解析
- T-CBDA 86-2025 建筑幕墙、采光顶及金属屋面工程质量验收标准
- 厨房消防安全培训
- 小陈 税务风险应对常见指标与答复思路
- 2025云南昭通昭阳区住房和城乡建设局招聘编外工作人员5人笔试备考题库及答案解析
- 2025年《中华人民共和国档案法》知识培训试题及答案
- 新高一数学暑假检测卷(学生版)-2025年新高一数学暑假衔接讲练 (人教A版)
- 2025至2030年中国建筑膜行业市场调查研究及发展趋势预测报告
评论
0/150
提交评论