电子测量第4章-时间频率测量.ppt

1、第4章时间和频率的测量，4.1概要4.2时间和频率的原始基准4.3频率和时间的测量原理4.4电子计数器的构成原理和测量功能4.5电子计数器的检验误差4.6高极限分辨率时间和频率测定技术4.7微波频率测定技术4.8频率稳定度测量和频率比较4.9小时频率测定技术， 4.1概要4.1.1小时，频率的基本概念1 )时间和频率的定义2 )时间频率测定的特征3 )测量方法概要4.1.2电子计数器概要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，4.1.1小时，频率的基本概念“时间间隔”:表示对于某个时间持续了多久。 频率的定义：周期信号在单位时间(1s )内的变化次数(周期数)。 当周期

2、信号以一定时间间隔t反复变化n次时，频率能够表现为fN/T时间与频率的关系：相互变换。 2 )时间频率测定的特征、最常见的测量时间和最重要的测量时间是7个基本的国际单位之一，时间、频率是极其重要的物理量，在通讯、航空宇宙、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民间和军事方面存在时间频率测定。 测量精度高的时间-频率基准具有最高精度(10-14 )，容易校正(对照)，因此数字化时频率测定能够实现高精度。 因此，许多物理量的测量被转换为时间频率测定。 自动化程度高，测量速度快，3 )测量方法概述、频率测量方法，各自测量方法具有不同的实现原理，其复杂性不同。 各种测量方法的测量精度和适用的频率范围不

3、同。 数字化电子计数器法是时间频率测定的主要方法，是本章的要点。 4.1.2电子计数器概要，1 )电子计数器的分类按功能可分为(1)通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累计计数等4种。 那个测定功能可以扩展。 (2)频率计数器：其功能仅限于频率测定和计数。 但是，频率测定范围大多很广。 (3)时间计数器：能够以时间校正测量为基础校正测量周期、脉冲残奥仪表等，其校正测量时极限分辨率和精度高。 (4)具有特殊计数器：特殊功能的计数器。 包括可逆计数器、顺序计数器、预定径套计数器等。 用于工业测量。 1 )电子计数器的分类按用途分为测定用计数器和控制用计数器。 根据测定范围，可达到(1)

4、低速计数器(低于180GHz )、(2)中速计数器(10100 MHz )、(3)高速计数器(180GHz以上)、(4)微波计数器(180GHz以上)、(2)准确度： 10-9以上。 (3)水晶振动频率以及稳定度：石英谐振器是电子计数器的内部基准，一般要求比要求的测量精度更高的数量级(10倍)。 输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶体振动稳定度可达10-5，恒温晶体振动可达10-710-9。 (4)输入特性：包括耦合方式(DC、AC )、触发电平(可调整)、灵敏度(10100mV )、输入阻抗(50低电阻和1M /25pF高电阻)等。 (5)男同性恋时间(频率测定)

5、 :有1ms、10ms、100ms、1s、10s。 (6)时间尺斯坦共和国(测量周) :有10ns、100ns、1ms、10ms。 (7)显示：包括显示位数和显示方式等。 3 )电子计数器的发展、测量方法的发展：模拟计程仪数字技术的智能化。 测量精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些个两个指标的提高和功能的扩展和完善。 范例：您可以选取两个225MHz或第三个12.4GHz频道。 每秒12二进制位的频率分辨率，150ps的时间间隔极限分辨率。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、总和、尖峰电压、时间间隔平均

6、、时间间隔延迟。 处理能力：平均、最小、最大和标准离差。4.2小时和频率的标准、4.2.1小时和频率的原始标准1 )天文时间斯坦共和国类型2 )原子时间斯坦共和国类型4.2.2石英谐振器1 )组成2 )指标、4.2.1小时和频率的原始标准、1 )天文时间斯坦共和国类型的原始标准应具有一定不变性的频率和时间互为倒数，其标准一致宏命令标准和微观标准宏命令标准：基于天文观测的微观标准：基于量子电子学的化学基，更加稳定、更加准确。 世界时：将由地球自转周期(1天)决定的时间，也就是说，1/(246060)=1/86400设为1秒。 其误差约为107个数量级。 1 )天文时间斯坦共和国在世界时中定义了时

7、间观测的基准点，获得平太阳时：因为地球自转周期有不均匀性，所以以虚拟的平太阳为基本基准点。 零类世界时(UT0 ) :以平太阳的子夜0点为参考。 第一类世界时(UT1 ) :修正地球自转的极移效应(自转轴微小位移)而得到。 第二类世界时(UT2 ) :修正地球自转的季节性变化(影响自转速度)而得到的。 精度是3108。 历时(ET ) :以地球绕太阳公转为基准，即轨道周期(一年)的31 556 925.9747分之一为一秒。 基准点为1900年1月1日0时(国际天文学会定义)。 精度是1109。 在1960年第11次国际订量大会上作为“秒”的标准被接受。 2 )根据原子时间斯坦共和国、天文观测

8、的宏命令标准，修正量中的不足设备庞大，用于测试操作麻烦的观测时间长的精度有限。 原子时间尺度(AT )的量子电子学的基础原子(分子)在能级迁移中吸收电磁波(从低能级到高能级)或辐射(从高能级到低能级)，其频率是一定的。 在hfn-m=En-Em式中，h=6.625210-27是普朗特数，En、Em是激发态的两个能级，fn-m是吸收或辐射的电磁波频率。 2 )原子时间斯坦共和国类型、原子时间斯坦共和国的定义1967年10月，第13次国际修正量大会正式通过了秒的新定义：“秒是根据Cs133原子基态的两个超微结构能级之间的跃迁频率，波束持续9、192、631、770周期的时间”。 从1972年开始实

9、施，为全世界所接受。 秒的定义从天文实物标准向原子自然标准转变，精度提高了45个等级达到了510-14 (相当于62万年1秒)，还在提高。 (2)原子时间斯坦共和国型、原子时修正原子时间斯坦共和国型的实物设备，可用于时间、频率基准的公布和核对。 铯原子时修正的精度： 10-1310-14。 大钟，专用实验室高稳定度频率标准小钟，频率动作标准。 注音字镭原子时修正的精度： 10-11，体积小轻量，携带方便，可以作为工作的基准。 氢原子时修正的短期稳定度高： 10-1410-15，但精度低(10-12 )。 4.2.2石英谐振器、电子计数器内部时间、频率基准以水晶石英谐振器(简称“水晶振动”)为基

10、准信号源。 根据逆压电效应产生稳定的频率输出。 但是，石英振动频率容易受到温度的影响(其频率-温度特性曲线具有拐点，在拐点处最平平整整)，通常的晶体频率精度为10-5。 采用温度补偿和恒温对策(拐点一定的温度)，可获得高稳定、高准确的频率输出。 下图为恒温水晶振动的组成。 (1)组成，(2)指标、石英谐振器的主要指标为：输出频率：1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日变动：210-10日老化：110-10秒稳定：510-12。 输出波形：正弦波输出放大：0.5Vrms (负载50 )。几种不同类型的石英谐振器指标，4.3小时和频率的测量原理，4.3.1天线计程仪测量原理1 )直接法

11、2 )比较法4.3.2数字测量原理1 )男同性恋计数法测量原理2 )通用计数器的基本组成，4.3.1天线计程仪测量原理，1 )。 (1)谐振法：调节可变电容器c使电路谐振，此时如果电路电流最大(射频波电压修正的指示)，则能够测量1500MHz以下的频率、精度(0.251)%。 (2)电桥法：利用电桥的平衡条件和频率的特性进行频率测定，通常使用下图所示的电桥进行测量。 当调节R1、R2以使得桥接器平衡时，平衡条件等式的两端的实数部分别相等，所以如果通常R1=R2=R，C1=C2=C，那么所测量的信号频率的测量精度：在接收电路中，2 )比较法将基本原理上是标准频率fs与所测量的频率fx进行比较差拍

12、频率法、外差法、示波圈套法及计数法等。 数学模型是拍频法：将标准频率和被测定频率重合，用指示器(耳机和电压修正)指示。 适用于语音测量(不太使用)。 外差法：将标准频率和被测定频率混合，取出差拍频率进行测定。 可测量范围为数十MHz (外差接收式频率修正)。 示波器尺圈套:李沙育图形法：将fx和fs分别与示波器的y轴和x轴(X-Y图示方式)连接，在fxfs时显示为斜线(椭圆或园)的测量周期法：从显示波形直接根据x通道的扫描速率得到周期，进而得到频率。 4.3.2数字校正预测原理，1 )男同性恋计数法校正预测原理时间、频率数量的特征频率在时间轴上无限延伸，因此，在频率数量的校正预测中决定采样时间

13、t，在该时间内对被校正预测信号的周期进行向上计数(计数值为n时)，fx=N/T的时间(这里是时间间隔) 为了实现下一次数字校正预测，以尽可能小的时间单位(称为时间斯坦共和国)对被测定时间进行量化，并累计被测定时间内包含的时间单位数(计数数)，由此得到。 校正预测原理用1个“男同性恋”(主男同性恋)控制递增计数的信号(频率校正预测时是被校正预测信号，时间校正预测时是时间斯坦共和国信号)，用1个“男同性恋”信号控制男同性恋的on (计数行政许可)和off (计数停止)。 4.3.2数字测量原理、男同性恋可通过and (或or )逻辑男同性恋电路实现。 这种测量方法称为男同性恋计数法。 其原理如下图

14、所示。 上图将“与”逻辑男同性恋设为男同性恋位，在其男同性恋位控制信号为1时男同性恋位打开(计数行政许可)，在为0时男同性恋位关闭(计数停止)。 测量频率时，男同性恋打开时间(称为“男同性恋时间”)为采样时间。 测量时间(间隔)时，男同性恋开始时间为被测量时间。 2 )通用计数器的基本构成、通用电子计数器的构成分块图如下图所示：2)通用计数器的基本构成、通用计数器通常有a、b、c的多个通道，实现不同的测量功能。 输入信道电路对输入信号进行放大、整形等(其中频率不变)，得到适合于计数的脉冲信号。 也可以使用指定的标记扩大频率测定范围。 主男同性恋电路：完成计数的男同性恋控制作用。 计数显示电路：

15、计数电路是通用计数器的核心电路，脉冲计数结束。显示电路数字显示计数结果(反映测量结果)。 时间轴发生电路：发生机内的时间、频率测定的基准，即时间测定的时间斯坦共和国和频率测定的男同性恋信号。 控制电路：控制协调用户针织面料整体的动作，即准备测量显示。4.4电子计数器的构成原理和测定功能，4.4.1电子计数器的构成1)A，b输入通道2 )主男同性恋电路3 )计数和显示电路4 )时间轴发生电路5 )控制电路4.4.2电子计数器的测定功能1 )频率比测定2 )频率比测定3 )。 构成原理分块图，1)A，b输入通道，作用：这些个主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(包括出发电平调节)等小区电路构成。 其

16、作用是处理输入信号，生成符合计数要求(波形、振幅)的脉冲信号。 也可以使用指定的标记(外置卡)扩大频率测定范围。 斯米尔触发电路：利用斯米尔触发的反向间隙特性，对输入信号具有良好的噪声耐受力。 1)A、b输入通道、通道的组合可实现不同的测量功能。 计数的信号(始终从a通道输入的信号)称为计数端。控制男同性恋打开的信号通道(始终从b、c通道输入)称为控制端。 从计数端子输入的信号是被测定信号(fx )和内部时间斯坦共和国整信号等； 从控制端输入的信号是男同性恋信号和被测定信号(Tx )等2 )主男同性恋电路，功能：主男同性恋也称为男同性恋，通过“男同性恋控制信号”控制进入计数器的脉冲，计数器仅计

17、数规定的“男同性恋时间”内的脉冲。 电路：由“与男同性恋”或“或男同性恋”构成。 其原理是，“与男同性恋”构成的主男同性恋在“男同性恋控制信号”为1时，行政许可计数脉冲的通过的或男同性恋构成的主男同性恋在“男同性恋控制信号”为0时，行政许可计数脉冲的通过。 “男同性恋控制信号”也可以在手动操作中得到，实际上手动递增计数。 3 )计数电路对通过主男同性恋的脉冲进行计数(计数值表示被测量频率和时间)，利用数字显示器直观显示测量结果的功能。 为了便于观察和读取，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触发电路构成，受内部状态反转时间的限制，计数电路具有最高计数

18、频率的限制。 此外，对于多二进制位计数器，最高计数频率主要由1二进制位计数器来决定。 动作速度因电路而异。 例如，74LS(74HC )系列是3040 MHz；74s系列是100MHz； CMOS电路约5MHz； ECL电路最多可以达到600MHz。 3 )计数和显示电路、类型：单片集成和可程序设计师计数器单片集成的中小规模IC示例： 74ls 90 (mc11c 90 )十进制计数器； 74LS390、CD4018(MC14018 )为双十进制计数器。 可程序设计师计数器IC示例：英特尔8253/8254等。 显视器LED、LCD、荧光(VFD )等。 显示电路：包括锁存器、解查询密码器、驱动电路。 例如74LS47、CD4511等。 专用计数和显示针织面料电路：例如ICM7216D。 4 )时间轴发生电路、功能：发生频率修正测量时的“男同性恋控制信号”(多级男同性恋时间选项)和时