电子测量技术(5.0)

1、电子测量技术西南交通大学电气工程学院孙永奎Email: 5 时间和频率的测量电子测量技术5 时间和频率的测量5.1 概述5.2 频率和时间测量技术简述5.3 电子计数器5 时间和频率的测量电子测量技术5.5 电子计数器测量时间5.4 电子计数器测量频率5.6 提高电子计数器测频、测周 准确度的方法5 时间和频率的测量电子测量技术5.1 概 述时间和频率的基本概念时间和频率基准石英晶体振荡器5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.1 时间和频率的基本概念1. 时间的定义时间间隔u(t)0tt1t2t时刻基本单位：秒（s）5 时间和频率的测量电子测量技术2. 周期（T）基本单位：秒（s）Tf1 基

2、本单位：赫兹（Hz）3. 频率（f）ITNf 5 时间和频率的测量电子测量技术4.时频测量的特点v最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量v测量准确度高测量准确度高v自动化程度高自动化程度高v测量速度快测量速度快5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1. 时间基准时间基准宏观计时基准微观计时基准（原子时AT）零类世界时第一世界时第二世界时历书时世界时以太阳通过伦敦格林威治天文台的本初子午线为参考测得的平太阳时。5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1. 时间基准时间基准宏观计时基准历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）第二世界时通过多个天

3、文台观测的数据修正地轴运动对UT0的影响后，得到的时间基准。5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1. 时间基准时间基准宏观计时基准历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）第二世界时在UT1的基础上，改正了季节性，年度性的变化后，得到的时间基准。310-85 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1. 时间基准时间基准宏观计时基准历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）第二世界时以1900年回归年的1/31556925.9747作为历书秒 110-9310-85 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1. 时间基准

4、时间基准宏观计时基准历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）第二世界时定义铯133（Cs133）原子基态在二个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为1秒。510-14110-9310-85 时间和频率的测量电子测量技术2. 频率基准5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.3 石英晶体振荡器石英频率标准是目前最常用的工作频率标准，频率稳定度可以达到10-10数量级。5 时间和频率的测量电子测量技术5.2 频率和时间测量技术简述直读法比较法计数法5 时间和频率的测量电子测量技术5.2.1 直读法5 时间和频率的测量电子测量技术5.2.2 比较法5.2.3 计

5、数法5 时间和频率的测量电子测量技术5.3 电子计数器电子计数器的发展概述电子计数器的分类电子计数器的主要技术性能指标电子计数器的组成5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.1 电子计数器的发展概述5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.2 电子计数器的分类1.通用计数器2.频率计数器3.计算计数器5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.3 电子计数器的主要技术性能指标频率：上限和下限周期：最大值和最小值输入耦合方式：AC和DC触发电平及可调范围输入灵敏度最大输入电压输入阻抗：高阻和低阻5 时间和频率的测量电子测量技术显示位数显示时间（可调）显示方式：记忆和不记忆输出时标信号的种类输出数码的编

6、码方式输出电平5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器将输入信号进行放大、整形，使其变为标准脉冲。5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显

7、示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器在门控信号作用的有效期，允许计数脉冲通过进入计数器计数。5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十

8、进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器用于产生各种时标信号和门控信号。5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器能产生各种控制信号去控制和协调计数器各单元工作，使整机按一定工作程序自动完成测量任务。

9、5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器用于对主门输出的脉冲信号计数并显示十进制脉冲数。5 时间和频率的测量电子测量技术5.4 电子计数器测量频率电子计数器的测频原理电子计数器测频的最大允许误差分析频率比的测量5 时间和频率的测量电子测量技术5.4

10、.1 电子计数器的测频原理ITNf 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 B输入闸门输出测频测频测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 分频器 时标 产生器门控双稳 触发器fx 计数显示 控制逻辑电路ITITxTxTNcTcIKTT 5 时间和频率的测量电子测量技术5.4.1 电子计数器的测频原理cIKTNTNfx ITITNfx 计数脉冲（信号产生） 分频器输出（晶振 fc分频） 门控信号 主门输出主门时间应合理选择

11、。5 时间和频率的测量电子测量技术主门时间选择原则：在计数器不产生溢出的前提下，主门时间尽量取大一些。5 时间和频率的测量电子测量技术5.4.2 电子计数器测频的最大 允许误差分析)(IITTNNffxx 5 时间和频率的测量电子测量技术1. 量化相对误差量化误差（1误差） 量化误差的产生是不可避免的，是由于主门时间的开启时刻和被测计数脉冲的随机关系引起的。NN5 时间和频率的测量电子测量技术IT1t2txT设TI时间内计数值为N，则21ItNTtTx 21ttNTx xxTTttN 21NxTttN21 xTt 102 t1 N01 txTt 21 N1 NxnTT I5 时间和频率的测量电

12、子测量技术xfTNNNI11 量化相对误差计数值N越大时，量化相对误差就越小。当fx一定时，增大主门时间TI，可以减小量化相对误差。主门时间一定，被测信号的频率愈高，量化相对误差就越小。5 时间和频率的测量电子测量技术2. 主门时间误差（标准频率误差） 主门时间误差大小主要由石英晶体振荡器输出频率的准确度决定。5 时间和频率的测量电子测量技术设晶振频率为fc，分频系数为K，则主门时间为： ccfKKTT IccffKT2I ccffTTII 主门时间相对误差在数值上等于晶振输出标准频率的相对误差，只是符号相反。5 时间和频率的测量电子测量技术3. 最大允许误差)(IITTNNffxx )1(c

13、cIfffTx )1(ccIfffTffxxx 提高晶振频率的准确度和稳定性，增大主门时间。减小最大允许误差的方法：低被测信号频率低时，不宜采用测频法直接测量频率，而应采用测周期的方法间接测量频率。例5.15 时间和频率的测量电子测量技术5.4.3 频率比的测量BAABffTTN B输入 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 闸门输出测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 分频器 时标 产生器门控双稳 触发器

14、计数显示 控制逻辑电路fA放大整形fB5 时间和频率的测量电子测量技术5.5 电子计数器测量时间电子计数器测周的最大允许误差分析电子计数器的测周原理中界频率时间间隔的测量5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.1 电子计数器的测周原理sNTT NsTsNTTx cNKT 记忆控制 门控双稳触发器 复零脉冲 发生器 A 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 B 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 闸门输出外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器倍频器 分频器门控双稳 触发器 控制逻辑电路 计数显示cT时标信号的周

15、期A输入B输入sTxTxTfxxTsT5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.2 电子计数器测周的最大 允许误差分析)(ssxNxxTTTTNNTT NNN1 cxsxKTTTT NxcTKTNN ccccffTTTTss m2UUTTNxN 5 时间和频率的测量电子测量技术)21(mNccxcxxUUffTKTTT 大 周期较大的信号，应采用测周法测量。 周期较小的信号，应采用测频法测量。5 时间和频率的测量电子测量技术)21(mNccxcxxUUffTKTTT 减小时标信号的周期Ts，即减小K值。减小测周最大允许误差的方法：提高晶振频率的准确度和稳定度。利用周期倍乘法（将主门时间由Tx扩大为mTx ）。)21(mNccxcxxUUmffmTKTTT 5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.3 中界频率sTsfxfff 0 当被测频率高于中界频率时，应采用直接测频法测量频率；当被测频率低于中界频率时，应采用测周法测量频率。5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.4 时间间隔的测量IT晶振放大整形主门倍频器 分频器计数 显示 控制逻辑电路门控双稳 起始 触发器 终止