第七章頻率和時間測量及儀器課件

第七章頻率和時間測量及儀器主講：張作狀第七章頻率和時間測量及儀器主講：張作狀1*教學目的：*教學重點：了解測頻的方法、電子計數(shù)器的組成、技術(shù)指標，理解其工作原理，掌握其使用方法。通用電子計數(shù)器的組成、測量原理、測量誤差的來源及減小措施，通用電子計數(shù)器的使用方法、擴頻方法，數(shù)字相位計的工作原理。*教學目的：*教學重點：了解測頻的方法、電子計數(shù)器的組成27.1概述*時間與頻率的原始基準一、天文時標1、世界時:2、平太陽時：二、原子時標(AT)第一世界時（UT1）第二世界時（UT2）零類世界時（UT0）準確度10-6量級準確度10-9量級(根據(jù)太陽計量時間的計時系統(tǒng))（根據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定的時間計量系統(tǒng)）7.1概述*時間與頻率的原始基準一、天文時標1、世界時3*時頻測量的特點2、應(yīng)用范圍廣3、自動化程度高4、測量速度快1、測量精度高（最高10-14）（從百分之一赫茲到1012赫茲以上）*時頻測量的特點2、應(yīng)用范圍廣3、自動化程度高4、測量速度4*頻率測量的方法模擬法無源測頻法（直讀法）比較法諧振法電橋法頻率—電壓變換法拍頻法差頻法示波法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法李沙育圖形法測周期法*頻率測量的方法模擬法無源測頻法比較法諧振法電橋法頻率—57.1.1無源測頻法1、諧振法：被測信號經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進行松耦合，改變可變電容C,使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流達到最大。fx=f0=1/2π

LCcfx~vfxML諧振法測頻原理C7.1.1無源測頻法1、諧振法：fx=f0=1/2π62、電橋法：平衡條件與頻率有關(guān)的電橋都可以用來測量頻率，電橋的頻率特性應(yīng)盡可能尖銳。常用的電橋有：文氏電橋、諧振電橋、雙T電橋。(R1+1/jωxc1)R4=R2/(1+jωxc2R2)R3取R1=R2=R，C1=C2=C，則由f=ω/2π得fx=1/2πRC~R3R4C1R1R2C2fx2、電橋法：平衡條件與頻率有關(guān)的電橋都可以用來測量(R1+7RCfxfx=ωx/2π=1/2πR1R2C1C2RCfxfx=ωx/2π=1/2πR1R2C83、頻率—電壓變換法：頻率—電壓變換法測頻就是先把頻率信號變換為電壓或電流信號，然后用帶有頻率刻度的電壓表或電流表直接得出被測頻率。ux脈沖形成A單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器B積分U03、頻率—電壓變換法：頻率—電壓變換法測頻就是先把頻率信號變97.1.2比較法1、拍頻法：將被測信號與標準信號經(jīng)線性元件直接進行疊加來實現(xiàn)頻率的測量。通常只用于音頻的測量。~~v耳機示波器fxfs拍頻法測頻原理圖7.1.2比較法1、拍頻法：將被測信號與標準信號經(jīng)線性元102、差頻法：利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來實現(xiàn)頻率的測量。適用于高頻段的測量。耳機~~混頻濾波放大器V差頻法測頻原理fsfx2、差頻法：利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來117.2電子計數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計數(shù)器2、頻率計數(shù)器3、計算計數(shù)器4、時間計數(shù)器5、特種計數(shù)器7.2電子計數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計數(shù)器2、127.2.2基本組成+12v1HZ與門4輸入單元主門十進制電子計數(shù)器fx門控電路邏輯控制單元10/110/110/110/110ms0.1s1s10s1KHZ100HZ10HZ與門1與門2與門3時標信號10/110/110/1石英振蕩器分頻器頻率計數(shù)器組成方框圖1HZ7.2.2基本組成+12v1HZ與門4輸入單元主門十進制137.2.3技術(shù)指標1、測試功能2、測量范圍3、輸入特性4、測量準確度5、閘門時間和時標6、顯示及工作方式7、輸出7.2.3技術(shù)指標1、測試功能2、測量范圍3、輸入特性4147.3通用電子計數(shù)器7.3.1測量頻率被測信號經(jīng)過放大整形，轉(zhuǎn)變?yōu)橛嫈?shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。門控電路輸出的門控信號控制閘門的啟閉。在閘門開啟期間計數(shù)電路對脈沖進行計數(shù)。在已知的標準時間內(nèi)累計未知的待測輸入信號的脈沖的個數(shù)，實現(xiàn)頻率的測量。7.3通用電子計數(shù)器7.3.1測量頻率15脈沖形成電路閘門門控電路時基信號發(fā)生器12345十進制計數(shù)器電子計數(shù)器測頻原理方框圖時基T工作波形圖12345脈沖形閘門門控時基信號發(fā)生器12345十進制電子計數(shù)器測頻原16NTX=N/fx=KfTsfx=N/KfTsN=KfTsfxNT

m=N/mfx=KfTsfx=N/mKfTsN=mKfTsfx被測信號經(jīng)過m次倍頻N閘門開啟期間十進制計數(shù)器的計數(shù)脈沖個數(shù)被測信號的頻率晶振信號周期分頻次數(shù)fxTsKfNTX=N/fx=KfTsfx=N/KfTsN=KfTs17為了使N值能直接表示fx：TX=1SN=100，000100.000KHZN=10，000TX=0.1S100.00KHZ小數(shù)點自動向右移一位為了使N值能直接表示fx：TX=1SN=100，0001187.3.2測量周期被測信號控制門控電路輸出門控信號控制閘門的啟閉，晶振信號經(jīng)倍頻后形成計數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。在未知的待測時間間隔內(nèi)累計已知的標準時間脈沖個數(shù)，實現(xiàn)周期的測量。7.3.2測量周期被測信號控制門控電路輸19KfTX=NTs/m=N/mfsTX=N/mKffs=NTs/mKfN=mKfTx/TS晶振倍頻器（m）閘門計數(shù)顯示fs=1/TsTs/m放大整型電路分頻器（1/Kf）TXTXKfTX門控電路電子計數(shù)器測周原理方框圖KfTX=NTs/m=N/mfsTX=N/mKffs=NTs20由上述得知，通用電子計數(shù)器無論測頻還是測周，其測量方法的依據(jù)是：閘門時間等于計數(shù)脈沖周期與閘門開啟時通過的計數(shù)脈沖個數(shù)之積。由上述得知，通用電子計數(shù)器無論測頻還是測周，其測217.3.3測量頻率比兩個輸入信號加到電子計數(shù)器輸入端,如果信號a的頻率大于信號b的頻率則：信號b經(jīng)B通道輸入，對閘門進行控制；信號a則經(jīng)A通道輸入，形成計數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。7.3.3測量頻率比兩個輸入信號加到電子22KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計數(shù)顯示fA=1/TA放大整型電路BTB=1/fB門控電路fA放大整型電路AfB測量頻率比原理框圖KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計數(shù)237.3.4測量累加計數(shù)累加計數(shù)是指在限定時間內(nèi)，對輸入信號重復(fù)次數(shù)進行累加。其測量原理與測量頻率相似，不過此時門控電路由人工控制。閘門計數(shù)顯示fA=1/TA門控電路fA放大整型電路AS啟動終止測量累加計數(shù)原理方框圖7.3.4測量累加計數(shù)累加計數(shù)是指在限定時間內(nèi)247.3.5測量時間間隔控制閘門啟閉的是兩個（或單個）輸入信號在不同點產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)器的觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開關(guān)決定觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生。1、兩個輸入信號時，S1處于“單獨”位置；起始脈沖TA，終止脈沖TB在正極性，50%電平處產(chǎn)生。TAB=NTS/m2、一個輸入信號時，S1處于“公共”位置；起始脈沖在正極性觸發(fā)，終止脈沖在負極性觸發(fā)，觸發(fā)電平均為50%。=NTS/m7.3.5測量時間間隔控制閘門啟閉的是兩25TB晶振倍頻器（m）閘門計數(shù)顯示TsTs/m觸發(fā)器1TA觸發(fā)器2S1單獨公共起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器門控電路測量時間間隔原理框圖TB晶振倍頻閘門計數(shù)顯示TsTs/m觸發(fā)器1TA觸發(fā)器2S1267.3.6自檢自檢過程與測量頻率原理相似，不過自檢的計數(shù)脈沖與門控信號均為晶振信號經(jīng)倍頻和分頻后產(chǎn)生的時標和時基信號。原理上不存在量化誤差。NTS/m=KfTsN=mKf晶振倍頻器（m）閘門計數(shù)顯示fs=1/TsTs/m分頻器（1/Kf）TSKfTs門控電路自檢原理框圖7.3.6自檢自檢過程與測量頻率原理相似27總結(jié)：*頻率和時間測量概述*電子計數(shù)器概述*通用電子計數(shù)器的應(yīng)用總結(jié)：*頻率和時間測量概述*電子計數(shù)器概述*通用電子計數(shù)器的28第七章頻率和時間測量及儀器主講：張作狀第七章頻率和時間測量及儀器主講：張作狀29*教學目的：*教學重點：了解測頻的方法、電子計數(shù)器的組成、技術(shù)指標，理解其工作原理，掌握其使用方法。通用電子計數(shù)器的組成、測量原理、測量誤差的來源及減小措施，通用電子計數(shù)器的使用方法、擴頻方法，數(shù)字相位計的工作原理。*教學目的：*教學重點：了解測頻的方法、電子計數(shù)器的組成307.1概述*時間與頻率的原始基準一、天文時標1、世界時:2、平太陽時：二、原子時標(AT)第一世界時（UT1）第二世界時（UT2）零類世界時（UT0）準確度10-6量級準確度10-9量級(根據(jù)太陽計量時間的計時系統(tǒng))（根據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定的時間計量系統(tǒng)）7.1概述*時間與頻率的原始基準一、天文時標1、世界時31*時頻測量的特點2、應(yīng)用范圍廣3、自動化程度高4、測量速度快1、測量精度高（最高10-14）（從百分之一赫茲到1012赫茲以上）*時頻測量的特點2、應(yīng)用范圍廣3、自動化程度高4、測量速度32*頻率測量的方法模擬法無源測頻法（直讀法）比較法諧振法電橋法頻率—電壓變換法拍頻法差頻法示波法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法李沙育圖形法測周期法*頻率測量的方法模擬法無源測頻法比較法諧振法電橋法頻率—337.1.1無源測頻法1、諧振法：被測信號經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進行松耦合，改變可變電容C,使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流達到最大。fx=f0=1/2π

LCcfx~vfxML諧振法測頻原理C7.1.1無源測頻法1、諧振法：fx=f0=1/2π342、電橋法：平衡條件與頻率有關(guān)的電橋都可以用來測量頻率，電橋的頻率特性應(yīng)盡可能尖銳。常用的電橋有：文氏電橋、諧振電橋、雙T電橋。(R1+1/jωxc1)R4=R2/(1+jωxc2R2)R3取R1=R2=R，C1=C2=C，則由f=ω/2π得fx=1/2πRC~R3R4C1R1R2C2fx2、電橋法：平衡條件與頻率有關(guān)的電橋都可以用來測量(R1+35RCfxfx=ωx/2π=1/2πR1R2C1C2RCfxfx=ωx/2π=1/2πR1R2C363、頻率—電壓變換法：頻率—電壓變換法測頻就是先把頻率信號變換為電壓或電流信號，然后用帶有頻率刻度的電壓表或電流表直接得出被測頻率。ux脈沖形成A單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器B積分U03、頻率—電壓變換法：頻率—電壓變換法測頻就是先把頻率信號變377.1.2比較法1、拍頻法：將被測信號與標準信號經(jīng)線性元件直接進行疊加來實現(xiàn)頻率的測量。通常只用于音頻的測量。~~v耳機示波器fxfs拍頻法測頻原理圖7.1.2比較法1、拍頻法：將被測信號與標準信號經(jīng)線性元382、差頻法：利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來實現(xiàn)頻率的測量。適用于高頻段的測量。耳機~~混頻濾波放大器V差頻法測頻原理fsfx2、差頻法：利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來397.2電子計數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計數(shù)器2、頻率計數(shù)器3、計算計數(shù)器4、時間計數(shù)器5、特種計數(shù)器7.2電子計數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計數(shù)器2、407.2.2基本組成+12v1HZ與門4輸入單元主門十進制電子計數(shù)器fx門控電路邏輯控制單元10/110/110/110/110ms0.1s1s10s1KHZ100HZ10HZ與門1與門2與門3時標信號10/110/110/1石英振蕩器分頻器頻率計數(shù)器組成方框圖1HZ7.2.2基本組成+12v1HZ與門4輸入單元主門十進制417.2.3技術(shù)指標1、測試功能2、測量范圍3、輸入特性4、測量準確度5、閘門時間和時標6、顯示及工作方式7、輸出7.2.3技術(shù)指標1、測試功能2、測量范圍3、輸入特性4427.3通用電子計數(shù)器7.3.1測量頻率被測信號經(jīng)過放大整形，轉(zhuǎn)變?yōu)橛嫈?shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。門控電路輸出的門控信號控制閘門的啟閉。在閘門開啟期間計數(shù)電路對脈沖進行計數(shù)。在已知的標準時間內(nèi)累計未知的待測輸入信號的脈沖的個數(shù)，實現(xiàn)頻率的測量。7.3通用電子計數(shù)器7.3.1測量頻率43脈沖形成電路閘門門控電路時基信號發(fā)生器12345十進制計數(shù)器電子計數(shù)器測頻原理方框圖時基T工作波形圖12345脈沖形閘門門控時基信號發(fā)生器12345十進制電子計數(shù)器測頻原44NTX=N/fx=KfTsfx=N/KfTsN=KfTsfxNT

m=N/mfx=KfTsfx=N/mKfTsN=mKfTsfx被測信號經(jīng)過m次倍頻N閘門開啟期間十進制計數(shù)器的計數(shù)脈沖個數(shù)被測信號的頻率晶振信號周期分頻次數(shù)fxTsKfNTX=N/fx=KfTsfx=N/KfTsN=KfTs45為了使N值能直接表示fx：TX=1SN=100，000100.000KHZN=10，000TX=0.1S100.00KHZ小數(shù)點自動向右移一位為了使N值能直接表示fx：TX=1SN=100，0001467.3.2測量周期被測信號控制門控電路輸出門控信號控制閘門的啟閉，晶振信號經(jīng)倍頻后形成計數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。在未知的待測時間間隔內(nèi)累計已知的標準時間脈沖個數(shù)，實現(xiàn)周期的測量。7.3.2測量周期被測信號控制門控電路輸47KfTX=NTs/m=N/mfsTX=N/mKffs=NTs/mKfN=mKfTx/TS晶振倍頻器（m）閘門計數(shù)顯示fs=1/TsTs/m放大整型電路分頻器（1/Kf）TXTXKfTX門控電路電子計數(shù)器測周原理方框圖KfTX=NTs/m=N/mfsTX=N/mKffs=NTs48由上述得知，通用電子計數(shù)器無論測頻還是測周，其測量方法的依據(jù)是：閘門時間等于計數(shù)脈沖周期與閘門開啟時通過的計數(shù)脈沖個數(shù)之積。由上述得知，通用電子計數(shù)器無論測頻還是測周，其測497.3.3測量頻率比兩個輸入信號加到電子計數(shù)器輸入端,如果信號a的頻率大于信號b的頻率則：信號b經(jīng)B通道輸入，對閘門進行控制；信號a則經(jīng)A通道輸入，形成計數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。7.3.3測量頻率比兩個輸入信號加到電子50KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計數(shù)顯示fA=1/TA放大整型電路BTB=1/fB門控電路fA放大整型電路AfB測量頻率比原理框圖KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計數(shù)517.3.4測量累加