第三章 时间频率计量

第三章时间频率测量（电子计数法）3.1概述一、基本概念

时间是一个基本的物理量，单位是秒（s）。在单位时间内周期运动重复、循环、振动的次数称为频率，单位是赫兹（Hz）。

时间间隔是连续流逝的时间中两个瞬时之间的间隔，可用时间坐标轴上的线段来表示。作为线段中任何一点的瞬间称为时刻。

时标是能给各个事件赋予时刻的时间参考标尺的简称。二、时标的沿革（1）世界时以地球的自转运动为基础。时间单位是平太阳秒，等于一个平太阳日的1/86400。（2）历书时以地球绕太阳的公转运动周期为基础。时间单位是历书秒，它是从1899年12月31日12时起始的回归年的1/31556925.9747。（3）国际原子时时间单位是原子秒，等于铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。国际原子时与世界时之差，正以每年大约1s的速度不断扩大。（4）协调世界时其时刻尽量和世界时一致，时间间隔秒与原子秒保持严格一致。通过增减一整秒（闰秒）的办法进行协调。三、频率标准1、原子频标原理根据量子理论，原子或分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，只能跃迁。当由一个能级向另一个能级跃迁时，会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其频率f取决于两能级之间的能量差，即:f=

/h。式中，h为普朗克常数；

为跃迁能级间的能量差。从高能级向低能级跃迁，辐射能量；反之，则吸收能量。与此相对应，原子频标亦可分为激射型和吸收型两类。该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。2、原子频率标准原子频率标准可分为主动型(有源)和被动型(无源)两种。主动型的有氢激射器、铷激射器等，由量子振荡器直接输出标准频率信号；被动型的有铯原子束频率标准、气泡型铷原子频率标准和吸收型氢原子频率标准等，它们的量子系统不能直接输出标准频率信号，而是通过量子系统的受激跃迁吸收程度（谐振与否）得到误差信号，去修正压控晶体振荡器的频率，由晶体振荡器输出标准频率信号。（1）磁选态热束型铯原子时间频率基准（2）激光冷却铯原子喷泉钟（3）晶体振荡器利用石英晶体谐振器的压电效应制成。四.时间频率量值的传递1、直接检定2、搬运钟比对3、利用电磁波信号接收比对（1）利用电视信号（2）利用卫星GPS全球定位系统俄全球卫星导航系统伽利略计划北斗导航计划我国陕西天文台是规模较大的现代化授时中心，它有发播时间和频率的专用电台。台内有氢原子钟和铯原子钟，成为我国原子时间标准。它能够保持三万年以上1s的偏差。中央人民广播电台的北京时间报时声，是由陕西天文台授时给北京天文台，再通过中央人民广播电台播发的。图3.1时基的产生3.2电子计数法测量频率一、时间基准的产生频率是每秒内信号变化的次数。要准确测量频率必须首先要确定一个准确的时间间隔。一般选用高稳定度石英晶体谐振器来产生时间基准。设石英晶体振荡器产生的脉冲周期为T0，经过一系列分频后可得到基准标准的时基，如10ms,0.1s,1s,10s等。如图所示，T＝N0T0，N0是时基T内含有晶振本身振荡周期的整数倍数。fx=N/T图3.2计数式频率计测频原理图二.频率计数器的组成将被测信号通过放大、整形，形成可以计数的方波，然后根据门控信号的作用时间通过闸门计数。在计数器中闸门称为主门。进行脉冲计数，它是一个二－十进制计数器，以十进制方式显示。控制计数器的工作程序时基产生与变换单元由石英晶振产生标准频率，经放大、整形和分频后，得到不同的时标，通过“闸门时间”选择开关S，选出需要的时标加到门控电路，形成门控信号。三.高精度10MHz频率计图3.4(a)频率计主电路产生10MHz基准频率，R2用来给内部振荡电路提供直流反馈偏置，用来微调晶体振荡频率经放大和限幅后的输入信号闸门选择显示关闭，即数码管全灭，但仍存储数码信号，低功耗模式显示测试，检查LED模式，即数码管全亮位驱动线段驱动线LPF,以防止IC1的1脚引入大电流，产生噪声放大及限幅电路图3.4(b)双向限幅电路使输入脉冲能安全地加到F1输入端。反相器F1起放大作用。当输入信号幅度高于2Upp时，它起缓冲器的作用。当数字输入信号低于－0.6V或高于+5.6V时，对输入信号限幅在6Upp上四.误差分析第一项称为计数误差，也称为1误差；第二项是闸门时间相对误差，这项误差取决于石英晶体振荡器所提供的标准频率的准确度。t门控信号N＝7N＝6图3.5测频时的波形图1、计数误差（1误差）特点：不管计数值N为多少，最大误差总是1个量化单位。最大计数误差的相对值为：，其中T为闸门时间，fx为被测频率。选择闸门时间的原则：既不使计数器产生溢出，又使测量准确度最高2、闸门时间误差闸门时间的相对误差为：，其中，fc为石英晶体振荡器的频率。3、总测量误差

由右图知：fx一定时，闸门时间越大，测量精确度越高；T一定时，fx越大，测量精确度越高；但以标准频率误差为极限T=0.1sT=1sT=10sfx/fxfx(Hz)fc/fc=5*10-9图3.9测频时的误差曲线测量低频时，由于量化误差产生的测量误差很大，所以测量低频时不宜采用直接测频方法，宜采用测周期的方法，再换算成被测信号的频率，从而提高测量的精确度五、外差法扩大频率测量范围fxfc倍频fL=mfcfA3.3电子计数法测量周期1、测量原理

Tx=NTc=N/fc为了提高测量准确度，可经过分频电路增大闸门开启时间，这也称为“周期倍乘”法