時頻測量part1課件

part1第四章時頻測量第四章時頻測量本章要點：時頻關(guān)系與時頻標(biāo)準(zhǔn)及頻率的測量方法電子計數(shù)法測頻、測周的原理與誤差分析通用計數(shù)器的功能與應(yīng)用及其性能改進(jìn)的方法頻率穩(wěn)定度的概念、表征方法和時域、頻域測量原理調(diào)制域測量的原理與應(yīng)用4.1概述4.1.1時頻關(guān)系指某事件發(fā)生的瞬間。如tl時刻開始出現(xiàn)，在t2時刻消失；通常要與年月日時分秒關(guān)聯(lián)?！皶r間”“時刻”,

“間隔”,即兩個時刻之間的間隔，表示該事件持續(xù)了多久.如圖中，Δt=t2-tl是兩時刻之間的“間隔”,即矩形脈沖持續(xù)的時間長度?！爸芷凇笔侵竿皇录貜?fù)出現(xiàn)的時間，如T?！邦l率”是單位時間（1秒）內(nèi)周期性事件重復(fù)的次數(shù)，單位是赫茲Hz。圖4.1時頻關(guān)系示意圖tU0t1t2t3t4T4.1.2時頻基準(zhǔn)時間的單位是秒。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“秒”的定義曾作過三次重大的修改：1.世界時秒（UT）由天文觀測得到的，以地球自轉(zhuǎn)周期為標(biāo)準(zhǔn)而測定的時間稱為世界時（UT）。定義地球自轉(zhuǎn)周期的1／86400作為世界時的1s，零類世界時（UT0），其準(zhǔn)確度在10-6量級。校正后的世界時稱為第二類世界時（UT2）,其準(zhǔn)確度在3×10-8量級。歷書時秒作為時間單位提高到十億分之一秒，即1×10-9量級。世界時秒是與年、月、日、時、分、秒相關(guān)聯(lián)的，屬年歷計時。地球太陽從宏觀世界轉(zhuǎn)向微觀世界，利用原子能級躍遷頻率作為計時標(biāo)準(zhǔn)。1967年10月第13屆國際計量大會正式通過了秒的定義：“秒”是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級［F=4，mF=0］和［F=3，mF=0］之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9192631770個周期的時間”2.原子時秒（AT）F=4mF=0F=3mF=09192631770個周期=1秒躍遷頻率很高很穩(wěn)定為原子時秒(記作AT)。并自1972年1月1日零時起，時間單位秒由天文秒改為原子秒。這樣，時間標(biāo)準(zhǔn)改為由頻率標(biāo)準(zhǔn)來定義，其準(zhǔn)確度可達(dá)±5×10-14，是所有其它物理量標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。3.協(xié)調(diào)世界時秒（UTC）世界時和原子時之間互有聯(lián)系，可以精確運算，但不能彼此取代，各有各的用處。原子時只能提供準(zhǔn)確的時間間隔，而世界時考慮了時刻（年月日時分秒）和時間間隔。協(xié)調(diào)世界時秒（UTC）是原子時和世界時折衷的產(chǎn)物，即用閏秒的方法來對天文時進(jìn)行修正。這樣，國際上則可采用協(xié)調(diào)世界時來發(fā)送時間標(biāo)準(zhǔn)，既擺脫了天文定義，又使準(zhǔn)確度可提高4～5個數(shù)量級。現(xiàn)在各國標(biāo)準(zhǔn)時號發(fā)播臺所發(fā)送的就是世界協(xié)調(diào)時UTC，其準(zhǔn)確度優(yōu)于±2×10-11。我國的中國計量科學(xué)院、陜西天文臺、上海天文臺都建立了地方原子時，參加了國際原子時（TAI）200多臺原子鐘聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行加權(quán)平均修正，作為我國時間標(biāo)準(zhǔn)由中央人民廣播電臺發(fā)布。4.2電子計數(shù)法測量頻率4.2.1.電子計數(shù)法測頻原理1.基本原理根據(jù)頻率的定義，若某一信號在T秒時間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則該信號的頻率為：（4.2）門電路復(fù)習(xí)：與門A1/0B1/0c1/0同理“或”門、與非、或非門等也有類似功能。A0011B0101C0001由圖可見：因此實現(xiàn)了測頻原理：“定時計數(shù)”實質(zhì)：比較法

圖4.3測頻的原理與門ABT1s…………TNTxC1s重點掌握2．組成框圖圖4.4是計數(shù)式頻率計測頻的框圖。它主要由下列四部分組成。t0BC00ttTTxDE0tTxN0AtTx時基電路計數(shù)一

輸入電路

分頻

顯示

晶振

門控

主門控制電路

ABCDE2)輸入電路由放大整形電路和主門電路組成。被測輸入周期信號（頻率為fx，周期為Tx）經(jīng)放大、整形、微分得周期Tx的窄脈沖，送主門的一個輸入端。圖4.5輸入電路工作波形圖ustttt0000A輸入(T0或Fx)放大整形微分3)計數(shù)顯示電路這部分電路的作用，簡單地說，就是計數(shù)被測周期信號重復(fù)的次數(shù)，顯示被測信號的頻率。它一般由計數(shù)電路、邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。4)控制電路控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號，去控制各電路單元的工作，使整機按一定的工作程序完成自動測量的任務(wù)。在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計數(shù)器的工作按照“復(fù)零一測量—顯示”的程序自動地進(jìn)行，其工作流程如圖4.6所示。準(zhǔn)備期（復(fù)零，等待）顯示期（關(guān)門，停止計數(shù)）測量期（開門，計數(shù)）圖4.6電子計數(shù)器的工作流程圖4.2.2.誤差分析計算由第二章誤差傳遞公式（2.45）可對式（4.2）求得（4.3）

計數(shù)誤差時基誤差誤差合成定理2.閘門時間誤差（時基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時間誤差）

閘門時間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時間或長或短，顯然要產(chǎn)生測頻誤差。閘門信號T是由晶振信號分頻而得。設(shè)晶振頻率為fc（周期為Tc），則有

=1×10-7~1×10-10

石英晶體性能和切割方式----生產(chǎn)廠

石英振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確度決定

溫度的影響---單、雙層恒溫糟

振蕩電路的質(zhì)量----電路優(yōu)化設(shè)計

4.2.3.結(jié)論1.計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項

即±1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，一般總誤差可采用分項誤差絕對值合成，即

（4.9）

2.測量低頻時，由于±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人例如，fx=10Hz，T=1s，則由±1誤差引起的測頻誤差可達(dá)10％，所以，測量低頻時不宜采用直接測頻方法。4.3電子計數(shù)法測量時間本節(jié)介紹時間量的測量主要是指與頻率對應(yīng)的周期、相位及時間間隔等時間參數(shù)，重點討論周期的測量。

4.3.1.電子計數(shù)法測量周期的原理

t0BC00ttTxTxDE0tTcTcNTxTx由右圖可得輸入電路A

分頻

門控

主門倍頻

晶振

輸入電路B

TxuxBCDE2.觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差測周時，還有一項觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。圖4.12(a)給出了一個簡單的情況，即干擾為一尖峰脈沖Un，UB為施密特電路觸發(fā)電平?？梢?，施密特電路將提前在

觸發(fā)，于是形成的方波周期為

，即產(chǎn)生

的誤差，稱“轉(zhuǎn)換誤差”(或觸發(fā)誤差)。

ux=UmSinωxt···UBA′1A1A2TxTxT′xΔT1Un圖4.12轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生與計算aUnΔT1A1A′1αb(b)(a)從圖可得

（4.13）式中Un——干擾或噪聲幅度。設(shè)被測信號為正弦波

ux=UmSinωxt···UBA′1A1A2TxTxT′xΔT1Un圖4.12轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生與計算aUnΔT1A1A′1αb(b)(a)2.多周期測量(*自學(xué))進(jìn)一步分析可知，多周期測量可以減小轉(zhuǎn)換誤差和±1誤差。我們可以利用圖4.13圖4.13多周期測量可減小轉(zhuǎn)換誤差···VBA2V′B···VBA′9A9A10V′BTx10T′xΔT1T1x無干擾A′

2··T2xΔT2T10x10TxΔT2A′10·Tx有干擾來說明，圖中取周期倍增系數(shù)10為例，即測10個周期。從圖可見，兩相鄰周期由于轉(zhuǎn)換誤差所產(chǎn)生的

比如，第一個周期T1x終了，這樣10個周期引起的總誤差與測—個周期產(chǎn)生的誤差一樣，經(jīng)除10，得一個周期的誤差為

是互相抵消的，，可見減小了10倍。

此外，由于周期倍增后計數(shù)器計得的數(shù)也增加到10n倍，這樣，由±1誤差所引起的測量誤差也可減小

倍。圖4.11中的10Tx和100Tx兩曲線說明這個結(jié)果。

因此，在多周期測量模式下，測周誤差表達(dá)式要進(jìn)行修正，令周期倍增系數(shù)為k=

則（4.12）和（4.15）可合寫成

（4.16）

4.結(jié)論1)用計數(shù)器直接測周的誤差主要有三項，即量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差以及標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。其合成誤差可按下式計算（將4.16式中k換成

）：（4.17）

2)采用多周期測量可提高測量準(zhǔn)確度；

3)提高標(biāo)準(zhǔn)頻率，可以提高測周分辨力；4)測量過程中盡可能提高信噪比Vm／Vn。圖4.14中給出了不同閘門時間：0.1s、1s、10s和不同標(biāo)準(zhǔn)頻率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線。現(xiàn)以T=1s，

=100MHz為例，可查知

=10kHz。

100MHz圖4.14測頻量化誤差與測周量化誤差1Hz1KHz1MHz10-810-710-610-510-410-310-210-1110ST=1S0.1Sfc=10MHzfc=1GHzfc=100MHz測頻的量化誤差測周的量化誤差f100MHz因此，當(dāng)

宜測頻；

當(dāng)

，宜測周。

這給使用帶來不便，要查知所用狀態(tài)下的中界頻率，是當(dāng)前通用計數(shù)器的缺點，下面將介紹采用雙路計數(shù)器的方法，對測頻或測周都能實現(xiàn)等精度測量。4.3.4時間間隔的測量1.基本原理輸入C10μS時基分頻器+主門觸發(fā)器觸發(fā)器起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器門控電路十進(jìn)制計數(shù)器1MHz石英振蕩器觸發(fā)沿選擇+--輸入BS1μS10S（a）觸發(fā)電平、觸發(fā)極性可調(diào)圖4.15基本時間間隔測量模式(b)被計時標(biāo)數(shù)