電子測(cè)量第三章

1、第三章 頻率時(shí)間測(cè)量第第3章頻率時(shí)間測(cè)量章頻率時(shí)間測(cè)量3.1 概述概述3.2 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率3.3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期3.4 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔3.5 減小計(jì)數(shù)器減小計(jì)數(shù)器1誤差的方法誤差的方法3.6 模擬法測(cè)頻模擬法測(cè)頻思考與練習(xí)思考與練習(xí)第三章 頻率時(shí)間測(cè)量3-1概述一、時(shí)間和頻率的定義1、時(shí)間有兩個(gè)含義、時(shí)間有兩個(gè)含義：“時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生；“時(shí)間間隔”：即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久。2、頻率的定義、頻率的定義：周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次，則

2、頻率可表達(dá)為：fN/T3、時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。第三章 頻率時(shí)間測(cè)量二、第三章 頻率時(shí)間測(cè)量第三章 頻率時(shí)間測(cè)量第三章 頻率時(shí)間測(cè)量n原子鐘原子鐘n原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器，可用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器，可用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。n銫原子鐘銫原子鐘n準(zhǔn)確度：準(zhǔn)確度：10-1310-14。n大銫鐘，專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率工作基準(zhǔn)。大銫鐘，專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率工作基準(zhǔn)。n銣原子鐘銣原子鐘n準(zhǔn)確度：準(zhǔn)確度： 10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。n氫原子鐘氫原子鐘n短

3、期穩(wěn)定度高：短期穩(wěn)定度高：10-1410-15，但準(zhǔn)確度較低（，但準(zhǔn)確度較低（10-12）。）。3、協(xié)調(diào)世界時(shí)（、協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）基于原子時(shí)又參考世界時(shí)基于原子時(shí)又參考世界時(shí)第三章 頻率時(shí)間測(cè)量n電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱“晶振”）為基準(zhǔn)信號(hào)源。n基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。n采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施（恒定在拐點(diǎn)處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)第三章 頻率時(shí)間測(cè)量差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測(cè)周期法

4、模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法三、第三章 頻率時(shí)間測(cè)量下面介紹電子計(jì)數(shù)器的分類按功能可以分為如下四類： （1）通用計(jì)數(shù)器： （2）頻率計(jì)數(shù)器： （3）時(shí)間計(jì)數(shù)器： （4）特種計(jì)數(shù)器:五、頻率測(cè)量的數(shù)字方法電子計(jì)數(shù)式是目前最好的測(cè)頻方法 第三章 頻率時(shí)間測(cè)量多功能計(jì)數(shù)器第三章 頻率時(shí)間測(cè)量函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器第三章 頻率時(shí)間測(cè)量頻率計(jì)第三章 頻率時(shí)間測(cè)量電子計(jì)數(shù)器面板及控鍵示意圖第三章 頻率時(shí)間測(cè)量通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖：第三章 頻率時(shí)間測(cè)量n通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分n輸入通道輸入通道：通常有A、B、C多個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等（但

5、保持頻率不變），得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。n門控電路門控電路：完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。n計(jì)數(shù)與顯示電路計(jì)數(shù)與顯示電路：計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路，完成脈沖計(jì)數(shù)；顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果（反映測(cè)量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來n時(shí)基產(chǎn)生電路時(shí)基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn)，即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。n控制電路控制電路：控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作，即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。第三章 頻率時(shí)間測(cè)量TNf實(shí)質(zhì)：比較法-fx與時(shí)基信號(hào)頻率相比A一、測(cè)量原理3-2、電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率第三章 頻率時(shí)間測(cè)量TNf第三章 頻率時(shí)間測(cè)量二、誤差分析由TNfx誤差傳遞公式：TTNNTTfNNffxlnln兩個(gè)因素： NN1數(shù)

6、字化儀器特有的誤差 TT2閘門時(shí)間的相對(duì)誤差1、基本誤差第三章 頻率時(shí)間測(cè)量（1）、1誤差： 取決于閘門開啟時(shí)刻與第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間關(guān)系可知：提高被測(cè)信號(hào)的頻率，或增大主門開啟時(shí)間，都可降低量化誤差的影響12tt、12tt T=NxT+t1t2 =N+xTtt21xT N=xTtt21 N1第三章 頻率時(shí)間測(cè)量（2）、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差閘門T的準(zhǔn)確度決定于石英振蕩器提供頻率的準(zhǔn)確度TkffcccCfKKTTccffTT（注意負(fù)號(hào)的意義）ccffTkkTTTlnlnccccfffkkkfk)ln(ln)ln(lnccff第三章 頻率時(shí)間測(cè)量)1(ccsxfffTf第三章 頻率時(shí)間測(cè)量（P106，3-

7、6）解：710)1(ccxxxffTfffsfTx11017不能用910T第三章 頻率時(shí)間測(cè)量除了固有誤差外， fx受噪聲和干擾影響引起測(cè)量誤差Tx1t觸發(fā)電平Tx2t觸發(fā)電平Tx3(a)無噪聲干擾的計(jì)數(shù)脈沖(b) 有噪聲干擾的計(jì)數(shù)脈沖2、觸發(fā)誤差的影響措施： （1）、減小增益（使噪聲幅度同時(shí)減小，小于觸發(fā)窗寬度）（2）、調(diào)整觸發(fā)窗位置（3）、盡可能加寬施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口第三章 頻率時(shí)間測(cè)量三、測(cè)量頻率范圍的擴(kuò)大三、測(cè)量頻率范圍的擴(kuò)大圖3-4 外差法擴(kuò)頻測(cè)量原理框圖第三章 頻率時(shí)間測(cè)量第三章 頻率時(shí)間測(cè)量一、測(cè)周原理Tx內(nèi)脈沖數(shù)sxTTN 3.3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期第三章

8、 頻率時(shí)間測(cè)量Tx內(nèi)脈沖數(shù)sxTTN 第三章 頻率時(shí)間測(cè)量TcTNX1NccXCCCXCXXffTTTTTTTT)(ccCCffTT1（1）、Tx增大，誤差減小ccffXXTT（2）、有限，使也有最小值二、誤差分析SXNTT SSSSXXXXTTNNTTTNNTTTlnln1、基本誤差第三章 頻率時(shí)間測(cè)量例如， 某計(jì)數(shù)式頻率計(jì)， |fc|/fc=210-7，在測(cè)量周期時(shí)， 取Tc1 s，則當(dāng)Tx1 s時(shí)676102 . 11021101xxTT當(dāng)Tx1 ms(fx1000 Hz)時(shí)， 測(cè)量誤差為%1 . 0102101101736xxTT%101021010101766xxTT當(dāng)Tx10s(f

9、x100 kHz)時(shí)ccXCCCXCXXffTTTTTTTT第三章 頻率時(shí)間測(cè)量sinxmxvVt無干擾：有干擾：TxTxTxmVVnTxT21下一個(gè)mVVnTxT22法法為為隨隨機(jī)機(jī)的的，按按幾幾何何合合成成XT2221TTTn第三章 頻率時(shí)間測(cè)量10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A10mVVnTxTn21措施： 提高信噪比，以及多周期測(cè)量法22122xnnmTVTTTV多周期測(cè)量法12TT、第三章 頻率時(shí)間測(cè)量結(jié)論：（1）誤差組成：量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差（2）多周期測(cè)量提高了測(cè)量準(zhǔn)確度（3）選用小的時(shí)標(biāo)可提高測(cè)周分辨力（4）應(yīng)盡可能提

10、高信噪比12xncxxcmcTVfkTmT fVfm 第三章 頻率時(shí)間測(cè)量三、中界頻率三、中界頻率sxTNT0 xTNT0smmTTTT0msTTT01msfTT第三章 頻率時(shí)間測(cè)量 m：測(cè)周時(shí)的周期倍乘。 n:測(cè)頻時(shí)的閘門時(shí)間擴(kuò)大倍數(shù)osmTnTmf【例例3-1】 某電子計(jì)數(shù)器在測(cè)頻時(shí)， 若可取的最大的閘門寬度T=10 s，并選擇n102； 在測(cè)周期時(shí)， 若可取的最小時(shí)標(biāo)Tc=0.01s，并選擇周期倍乘m=104。 試確定該儀器可以選擇的中界頻率fz為多大。 解解： 將題目中的條件代入式(3-37)， 得kHz 62.311001. 0101001064czTnTmf第三章 頻率時(shí)間測(cè)量一、

11、時(shí)間間隔測(cè)量原理3.4 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔第三章 頻率時(shí)間測(cè)量觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器起始起始觸發(fā)器觸發(fā)器終止終止觸發(fā)器觸發(fā)器1MHz石英石英振蕩器振蕩器門控門控電路電路主門主門時(shí)基分頻器時(shí)基分頻器十進(jìn)計(jì)數(shù)器十進(jìn)計(jì)數(shù)器輸入輸入B輸入C觸發(fā)沿選擇觸發(fā)沿選擇1 s 10 s 10s+S時(shí)間間隔測(cè)量模式工作波形圖：時(shí)間間隔測(cè)量模式工作波形圖：輸入輸入B起始起始輸入輸入C終止終止門控信號(hào)門控信號(hào)時(shí)標(biāo)時(shí)標(biāo)被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)第三章 頻率時(shí)間測(cè)量VBVc起始起始停止停止閘門時(shí)間閘門時(shí)間C(50%)B(50%)起始起始停止停止閘門時(shí)間閘門時(shí)間VBVcB(50%)C- (50%)(5

12、0%) B B+ (50%) C +(50%) (50%) C(90%)閘門信號(hào)閘門信號(hào)關(guān)門信號(hào)關(guān)門信號(hào)開門信號(hào)開門信號(hào)B (10%) 為完成各種時(shí)間間隔的測(cè)量，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。如下圖的脈沖參數(shù)測(cè)量。1、脈沖參數(shù)的測(cè)量第三章 頻率時(shí)間測(cè)量2、相位差的測(cè)量T1T2tV1V2相位差的測(cè)量圖221tt 第三章 頻率時(shí)間測(cè)量二、誤差分析二、誤差分析與測(cè)周期時(shí)類似mncccUUffTfTT211Um被測(cè)信號(hào)的幅值Un 噪聲的幅值【例例3-2】某計(jì)數(shù)器最高標(biāo)準(zhǔn)頻率fc max10 MHz。 若忽略標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差與觸發(fā)誤差， 當(dāng)被測(cè)時(shí)間間隔T50 s時(shí)， 其測(cè)量誤差？%

13、2 . 0101010501166cTfTT討論如何減少誤差？第三章 頻率時(shí)間測(cè)量【例例3-3】 某計(jì)數(shù)器最高標(biāo)準(zhǔn)頻率fc max10 MHz，要求最大相對(duì)誤差max1，若僅考慮量化誤差， 試確定用該計(jì)數(shù)器測(cè)量的最小時(shí)間間隔Tmin。 解解： 將已知條件代入式(3-39)， 得s 1001. 01010116maxmaxmincfT第三章 頻率時(shí)間測(cè)量減小1誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是提高測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵3.5 減小計(jì)數(shù)器減小計(jì)數(shù)器1誤差的方法誤差的方法主要有平均法、 多周期法、 采用模擬計(jì)數(shù)的內(nèi)插法、 采用數(shù)字技術(shù)的游標(biāo)法等一、平均法一、平均法01liminn考慮到誤差的隨機(jī)性， 按隨機(jī)誤差的積累

14、定律來求平均測(cè)量的誤差限：nNTTnii121第三章 頻率時(shí)間測(cè)量對(duì)于1字量化誤差來說： (3-42) 2111NNNNn11故式(3-4)可改寫為 NnTT11必須使閘門開啟時(shí)刻和被測(cè)信號(hào)脈沖的關(guān)系是隨機(jī)的第三章 頻率時(shí)間測(cè)量二、多周期同步法二、多周期同步法前面周期測(cè)量時(shí)，多周期測(cè)量減小量化誤差和觸發(fā)誤差12xncxxcmcTVfkTmT fVfm 多周期同步測(cè)量法？倒數(shù)計(jì)數(shù)器就是采用多周期同步測(cè)量原理的典型方法第三章 頻率時(shí)間測(cè)量圖3-12 倒數(shù)計(jì)數(shù)器原理電路框圖0fNNfBAx第三章 頻率時(shí)間測(cè)量主門I 與計(jì)數(shù)器I ：測(cè)周模式主門 II 與計(jì)數(shù)器II： 測(cè)頻模式CXTTNcxnCnCff

15、fNTTN1010（倒數(shù)計(jì)數(shù)器）觸觸 發(fā)發(fā) 器器主主 門門I I時(shí)時(shí) 鐘鐘 f fc c計(jì)計(jì) 數(shù)數(shù) 器器 I I定定 標(biāo)標(biāo) 器器計(jì)計(jì) 數(shù)數(shù) 器器I II I主主 門門I II I門門 I II II I時(shí)時(shí) 基基 分分 頻頻 器器CTxTxcTNT預(yù)預(yù) 置置 到到 1 10 05 5 N NcfN10ncTfx第三章 頻率時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確的Tx為：Tx=T0+T1-T2實(shí)現(xiàn)T1-T2的測(cè)量輸輸入入信信號(hào)號(hào)起起始始終終止止時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖xT1T0T2T三、模擬內(nèi)插擴(kuò)展法內(nèi)插法目的：測(cè)量出量化單位以下的尾數(shù)(零頭時(shí)間)一般時(shí)間間隔測(cè)量的局限性：為減小量化誤差，需減小時(shí)標(biāo)以增大計(jì)數(shù)值，但：1、時(shí)標(biāo)的減

16、小受時(shí)基電路和計(jì)數(shù)器最高工作頻率限制， 2、計(jì)數(shù)器也有最大計(jì)數(shù)容量的限制（最大計(jì)數(shù)值）。第三章 頻率時(shí)間測(cè)量若T1、T2均擴(kuò)展k倍，采用同一個(gè)時(shí)標(biāo)（設(shè)為 ）分別測(cè)量T0、kT1、kT2，設(shè)計(jì)數(shù)值分別為：N0、N1、N2，則：01201200 xNNTTTTNkTx=T0+T1-T2由于T1和T2均很?。ㄐ∮跁r(shí)標(biāo)），采用普通的“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”難以實(shí)現(xiàn)（需要非常小的時(shí)標(biāo)）。實(shí)現(xiàn)的基本思路是：對(duì)T1和T2作時(shí)間擴(kuò)展（放大）后測(cè)量。1、模擬內(nèi)插法原理n三次測(cè)量000TN0/kn意義：上式由于 不存在量化誤差，總量化誤差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相當(dāng)于用 時(shí)標(biāo)的普通時(shí)間測(cè)量。第三章 頻率時(shí)間測(cè)量2

17、、時(shí)間擴(kuò)展電路時(shí)間擴(kuò)展電路如右圖所示：工作原理以恒流源對(duì)電容器C充電，設(shè)充電時(shí)間為T1，而以(k-1)T1（可近似為kT1）時(shí)間緩慢放電，當(dāng)放電到原電平時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間為： T1=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍時(shí)間擴(kuò)展。在kT1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。整整形形、門門控控C C恒恒流流源源1k T1T起起始始控控制制信信號(hào)號(hào)第三章 頻率時(shí)間測(cè)量圖3-13 內(nèi)插測(cè)量的信號(hào)關(guān)系第三章 頻率時(shí)間測(cè)量例如，擴(kuò)展器控制的開門時(shí)間為T1的1000倍，即：T11000T1在T1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo) 計(jì)數(shù)得N1，則類似地： T21000T2在T2時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo) 計(jì)數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測(cè)量分辨力提高了1000

18、倍。1011 0 0 0NT2021 0 0 0NT12x00)1000NNTN（00輸輸入入信信號(hào)號(hào)起起始始終終止止時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖xT1T0T2T第三章 頻率時(shí)間測(cè)量由此可見， 雖然在測(cè)T1、T2時(shí)依然存在1誤差， 但其相對(duì)大小可縮小1000倍， 使計(jì)數(shù)器的分辨力提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。 例如： 若標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的周期T0100ns， 則普通計(jì)數(shù)器的分辨力不會(huì)超過100 ns， 內(nèi)插后其分辨力提高到0.1 ns， 這相當(dāng)于普通計(jì)數(shù)器用10 GHz時(shí)鐘時(shí)的分辨力， 測(cè)量準(zhǔn)確度大大提高。 12x00)1000NNTN（第三章 頻率時(shí)間測(cè)量計(jì)數(shù)器的發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)介第三章 頻率時(shí)間測(cè)量R R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2 2f fx x1212122xxfR R C C3.6 模擬法測(cè)頻模擬法測(cè)頻第三章 頻率時(shí)間測(cè)量2 2、諧振法諧振法LCffx210 適用于：適用于： f f 粗測(cè)、大功率信號(hào)以及設(shè)備附屬單元的測(cè)量粗測(cè)、大功率信號(hào)以及設(shè)備附屬單元的測(cè)量( (因?yàn)檎`差較大因?yàn)檎`差較大) )(a) 串聯(lián)諧振電路; (b) 并聯(lián)諧振電路第三章 頻率時(shí)間測(cè)量3 3、差頻法差頻法混