《时频测量》课件.ppt

1、第四章时频测量，本章的重点：时频关系、时频标准和频率测量方法，电子计数法频率和周期测量的原理和误差分析，通用计数器的功能和应用及其性能改进方法，频率稳定性的概念和表征方法，时域和频域测量的原理和应用，4.1概述，4.1.1时频关系，“周期”是指同一事件的重复发生，“频率”是指单位时间内周期性事件的重复次数(1秒)，单位电子表走时的精度取决于作为振荡器的应时晶体。如果应时晶振的日频率稳定性为10-6，则日误差为4.1.2时频参考，时间单位为秒。随着科学技术的发展，“第二”的定义被大大修改了三次：1 .世界第二时间是通过天文观测获得的，以地球自转周期为标准进行测量，被称为世界时。地球自转周期的18

2、6，400年被定义为世界时的1，UT0，其精度在10-6的数量级。修正后的世界时被称为第二世界时(UT2)，它的精度在310-8的数量级。作为时间单位，历书的秒时间增加到十亿分之一秒，即110-9。世界上的秒与年、月、日、时、分、秒有关，属于历书计时。从宏观世界到微观世界，使用原子能级跃迁频率作为计时标准。1967年10月，第13届国际计量会议正式采用了秒的定义：“秒”是指在Cs133原子基态下，两个超精细结构能级F=4、mF=0和F=3之间具有相应跃迁频率的束的9192631770个周期的时间。2.原子时间和秒(AT)是原子时间和秒(表示为AT)。自1972年1月1日00: 00以来，时间单

3、位秒已从天文秒变为原子秒。这样，时间标准改为频率标准，其精度可达510-14，远远落后于所有其他物理量标准。协调世界时、世界时和原子时是相互关联的，可以精确计算，但不能相互替代，各有各的用途。原子时只能提供精确的时间间隔，而世界时则考虑时间(年、月、日、小时、分钟和秒)和时间间隔。协调世界时(UTC)是原子时和世界时之间的折衷，也就是说，天文时间通过闰秒来校正。这样，在国际上，协调世界时可以用来发送时间标准，这不仅摆脱了天文定义，而且提高了45个数量级的精度。现在，世界协调时(UTC)是由国家标准时间广播站发送的，其准确度优于210-11。中国计量科学研究院、陕西天文台和上海天文台建立了本地原

4、子时，并参与了由中国国家广播电台发布的作为中国时间标准的国际原子时中200多个原子钟的加权平均校正。4.1.3测频法，4.2电子计数法测频，4.2.1电子计数法测频原理，1。基本原理，根据频率的定义，如果一个信号在t秒内重复变化n次，该信号的频率为：(4.2)，考察门电路：或门和与非门的方式相同。从图中可以看出，因此，测频的原理：“计时计数”，其实质是：比较法，重点掌握，2构成一个框图，图4.4是用计频器测频的框图。它主要由以下四个部分组成。(1)时基电路，它有两个特点：(1)标准门的时间精度应比测量频率高一个数量级以上，因此晶振频率的稳定性通常要求达到10-610-10。(恒温不好)，(2)

5、多值门时间t不一定是1秒，所以用户应根据不同的频率测量精度和速度要求自由选择。例如，1k Hz 100hz 10hz 1hz 0.1hz 1 ms 10ms 0.1s，1s，10s等。选通(双稳态)电路：2)输入电路，由放大整形电路组成它一般由计数电路、逻辑控制电路、解码器和显示器组成。4)控制电路，其功能是产生各种控制信号来控制各电路单元的工作，使整机能够按照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“归零、测量、显示”的程序自动进行，其工作流程如图4.6所示。4.2.2。误差分析和计算，从第二章的误差传递公式(2.45)中，我们可以得到(4.2)、(4.

6、3)，计数误差，时基误差，1。量化误差、计数误差和1误差。当测量频率时，主门开启时间和计数脉冲之间的时间关系是不相关的，也就是说，它们在时间轴上。这样，即使在相同的主门打开时间t，计数器计数的数字也不一定相同。可能有一个或多或少的1误差，这是由频率量化引起的误差，所以它被称为量化误差，也称为脉冲计数误差或1误差。8个脉冲用于黑门，7个脉冲用于红门，误差合成定理，2。闸门时间误差(时基误差、标准时间误差)、闸门时间不准确，导致主闸门启闭时间变长或变短，明显导致频率测量误差。门极信号t通过晶体振荡器信号的分频获得。如果晶体振荡器的频率为fc(周期为Tc)，则有，=110-7110-10，4.2.3

7、。结论：1 .计数器直接测频有两个主要误差，即1误差和标准频率误差，一般总误差可由部分误差的绝对值合成，即(4.9)，2。测量低频时，它是由1个误差引起的4.3电子计数法用于测量时间。本节介绍的时间量测量主要是指与频率相对应的周期、相位、时间间隔等时间参数，重点是周期的测量。4.3.1。电子计数法测量周期的原理可从右图4.3.2中获得。电子计数器测量周期误差分析，1。量化误差和参考频率误差类似于用电子计数器分析频率测量的误差。这里，根据误差传递公式，可以得到(4.11)。根据图4.10所示的测量周期原理，用公式表示。图4.12(a)显示了一个简单的情况，即干扰是尖峰Un，UB是施密特电路的接触

8、电平。可以看出，施密特电路将在，提前触发，使方波周期，即误差，这被称为“转换误差”(或触发误差)。可以从图(4.13)中获得，其中无干扰或噪声幅度。假设被测信号为正弦波，将上述公式代入(4.13)。事实上，(4.14)，公式中Um信号的幅度。类似地，干扰可能存在于正弦信号的下一个上升沿(图中A2点附近)，也就是说，也可能出现触发误差。因为干扰或噪声是随机的，并且是随机误差，所以我们可以根据合成它们，所以我们可以得到，(4.15)，2。多周期测量。进一步分析表明，多周期测量可以减少转换。我们可以用图4.13来说明。以10的周期乘系数为例，即测量10个周期。从图中可以看出，两个相邻周期由转换误差引

9、起，例如，第一个周期T1x结束，因此10个周期引起的总误差与测量一个周期引起的总误差相同。除以10后，一个周期的误差为，相互抵消，可以看出它减少了10倍。此外，由于计数器计数的次数在周期相乘后增加到10n次，所以由1次误差引起的测量误差也可以减少，倍。图4.11中的10Tx和100Tx曲线说明了这一结果。因此，在多周期测量模式中，应该修改周期误差表达式，使得周期乘法系数为k=，然后(4.12)和(4.15)可以一起写，(4.16)和(4.16)。结论：1)用计数器直接测量周期有三个主要误差，即量化误差、转换误差和标准频率误差。合成误差可以根据以下公式计算(4.16中的k被，(4.17)，2)多

10、周期测量可以提高测量精度；3)提高标准频率可以提高圆周测量的分辨率；4)在测量过程中尽可能提高信噪比。4.3.3。研究了量化误差(1误差)对频率测量和周期测量的影响。测量频率和测量周期误差相等的频率称为中间边界频率。可以同时获得(4.6)和(4.12)中的定量误差表达式、为中频、为标准频率，t为门时间。在图4.14中，给出了不同门时间：0.1秒、1秒、10秒和不同标准频率：10兆赫兹、100兆赫兹、1000兆赫兹的交叉曲线。以T=1s、=100MHz为例，我们可以发现，=10kHz。因此，建议在以下情况下测量频率：何时，何时，应该测量周。这给使用带来了不便。当前通用计数器的缺点是在使用状态下找

11、出中频。下面将介绍采用双向计数器的方法，它可以同等精度地测量频率或周期。4.3.4时间间隔测量，1。基本原理，可调触发电平和极性。相位测量和相位差测量，如图4.16所示。然后，可以计算相应的相位，相位测量需要两个信号：相同的频率和相同的幅度，3。脉冲时间参数测量，4.4通用计数器，4.4.1概述，电子计数器于20世纪50年代初问世，是发展最早、最快的数字化仪器。与早期相比，今天的电子计数器有了新的面貌。4.4.2通用计数器的功能通用计数器有许多系列，但大部分都有测量频率、周期、多周期平均、时间间隔、自检、频率比、累计计数和计时的功能。这些功能大部分都已经介绍过了，这里只补充自检、频率比、累计计

12、数等功能。1。自检，有自检的便利条件，仪器自检的重要性(如测量自装振荡器的频率)，实际原理框图：2。频率比的测量，即应用于甲乙信号源的频率比。根据频率和周期的测量原理，3。累计计数(测量A)，即记录一定时间内(通常是较长时间，如生产线上自动计数产品数量)整形后A信号(如产品通过时传感器产生的光电信号)的脉冲数。4.4.3单片机万能计数器，本专业第一个8024班的两名女生(张伟和杨琪)于1984年毕业于广州七所学院。E312A万能计数器的技术指标如下：频率测量范围：1Hz10MHz，最小输入电压：正弦波30mV，脉冲波0.1s(峰峰值)，选通时间：10ms周期测量范围：10s0.4s，乘以1，1

13、0，100，103，标准频率：5MHz晶振，倍频后10MHz，精度和稳定性：510-8，4.5*电子计数器性能提高。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。如何提高时间测量的分辨率；如何提高测频的频率范围，从而测量更高频段的频率。4.5.1多周期同步频率测量(智能计数器)，NxTx=N0T0，(4.19)，(4.20)，2。误差分析，从上述工作过程和波形图可以看出，Nx与门同步计数测量信号Tx，因此没有量化误差(1)。这样，当计数器用于测量频率时，其精度与频率无关。此时，错误仅发生在计数器2对f0的计数N0上。因为主门2和f0之间没有同步关系，所以仍然存在量化误差，但通

14、常是f0fx，所以1误差要小得多。在例4.1中，分别用通用计数器和多周期同步计数器测量50Hz正弦信号的频率，并计算其1误差。选通时间为1秒，晶体振荡器的标准频率为1兆赫。解决方案：通用计数器的频率测量误差，多周期同步计数器的频率测量误差，也称为多周期同步计数器，也称为等精度计数器因此，必须使用其他方法来提高时间分辨率。1.插值计数器，通过插值测量时间的原理，如图4.23所示。为了测量时间间隔，计数器实际上测量三个参数，即、和，其中，开始脉冲之后的第一个时钟脉冲和结束脉冲之后的第一个时钟脉冲之间的时间间隔；开始脉冲和第一个时钟脉冲之间的时间间隔；终止脉冲和紧接着的时钟脉冲之间的时间间隔。从图4

15、.23可以看出，测得的时间间隔与普通计数器的时间间隔相同，即在此时间间隔内出现的时钟脉冲数是累加的。两个“分数”时间和通过内插法测量，即首先，和通过两个内插器分别扩展1000倍，然后在扩展的时间间隔内计数相同的时钟脉冲，因此测量的时间间隔为(加权和)，(4.22)，模拟内插为T-T。物理思想：机械游标卡尺，数字游标卡尺，作业：4.10 4.12 4.18，练习4.18，重合点之前(即， 游标时钟信号刚好赶上主时钟信号的时刻)，两个时钟振荡器产生的脉冲数相等，即N1N2N，那么，(4.25)或，上述公式表明，当两个时钟的频率足够接近时，可以使量化分辨率非常高。 从等式(4.25)可以看出，游标法

16、实际上通过数字量化将测量的时间间隔扩展了k倍，k称为扩展比或插值系数，其值为(4.27)。游标法原理简单，但当用这种方法实现精确的时间间隔测量时，稳定性要求极高。为了实现膨胀系数为k的测量，考虑所有因素的频率稳定性(包括长期稳定性和短期稳定性)必须达到1K2的数量级，这可以从公式(4.27)中得到。如果值不超过一个字，即、必须达到1K2的数量级。2)当分辨率较高时，应非常小，因此两个时钟电路必须严格屏蔽，否则它们可能会因频率牵引而无法正常工作。3)为了实现高精度和高分辨率，重合电路的工作速度也应该很高。由于上面提到的一些技术困难，光标法在实践中已经很久没有应用了。近年来，锁相同步触发振荡器解决了上述一些困难。它巧妙地将触发振荡器与锁相环相结合，使脉冲振荡器的信号能够与外部触发信号同步，具有较高的频率稳定性。4.5.3微波计数器，最高计数频率，取决于计数器装置，CMOSTTLECL隧道二极管触发器。目前，通用计数器可以直接计数的频率低于fx1.5GHz，为了数字化测量微波频段的信号频率，有必要利用变频技术将微波频率转换为低于