第3章 時間頻率測量ppt課件

1、第三章 時間與頻率的丈量3.1概述3.2頻率和時間的丈量原理3.3電子計數(shù)器的組成原理和丈量功能3.4電子計數(shù)器的丈量誤差3.5高分辨時間和頻率丈量技術(shù)3.6頻率穩(wěn)定度丈量和頻率比對一、 時間、頻率的根本概念1、 時間和頻率的定義時間有兩個含義： “時辰：即某個事件何時發(fā)生； “時間間隔：即某個時間相對于某一時辰繼續(xù)了多久。頻率的定義：周期信號在單位時間1s內(nèi)的變化次數(shù)周期數(shù)。假設(shè)在一定時間間隔T內(nèi)周期信號反復(fù)變化了N次，那么頻率可表達(dá)為：fN/T時間與頻率的關(guān)系：可以相互轉(zhuǎn)換。3.1 概述2、 時頻丈量的特點最常見和最重要的丈量時間是7個根本國際單位之一，時間、頻率是極為重要的物理量，在通訊

2、、航空航天、武器配備、科學(xué)實驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民用和軍事方面都存在時頻丈量。丈量準(zhǔn)確度高時間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度可達(dá)10-14，校準(zhǔn)比對方便，因此數(shù)字化時頻丈量可到達(dá)很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的丈量都轉(zhuǎn)換為時頻丈量。自動化程度高丈量速度快3、丈量方法概述頻率的丈量方法可以分為：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周期法模擬法頻率丈量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法各種丈量方法有著不同的實現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。各種丈量方法有著不同的丈量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間、頻率丈量的主要方法，是本章的重點。二、 電子計數(shù)器概述1、電子計數(shù)器的分類按功

3、能可以分為如下四類： 1通用計數(shù)器：可丈量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)等。其丈量功能可擴(kuò)展。 2頻率計數(shù)器：其功能限于測頻和計數(shù)。但測頻范圍往往很寬。 3時間計數(shù)器：以時間丈量為根底，可丈量周期、脈沖參數(shù)等，其測時分辨力和準(zhǔn)確度很高。 4特種計數(shù)器:具有特殊功能的計數(shù)器。包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預(yù)置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控。按用途可分為：丈量用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。按丈量范圍可分為：1低速計數(shù)器低于10MHz 2中速計數(shù)器10100MHz 3高速計數(shù)器高于100MHz 4微波計數(shù)器180GHz 2、主要技術(shù)目的1丈量范圍：毫赫幾十GHz。2準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。3晶振頻率及穩(wěn)定

4、度：晶體振蕩器是電子計數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，普通要求高于所要求的丈量準(zhǔn)確度的一個數(shù)量級10倍。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達(dá)10-710-9。4輸入特性：包括耦合方式DC、AC、觸發(fā)電平可調(diào)、靈敏度10100mV、輸入阻抗50 低阻和1M /25pF高阻等。5閘門時間(測頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。6時標(biāo)(測周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。7顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。3、電子計數(shù)器的開展丈量方法的不斷開展：模擬數(shù)字技術(shù)智能化。丈量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計數(shù)器的兩個重要目的，電子計數(shù)器的開展表

5、達(dá)了這兩個目的的不斷提高及功能的擴(kuò)展和完善。 例子： 通道：兩個225MHz通道，也可選擇第三個12.4GHz通道。 每秒12位的頻率分辨率、150ps的時間間隔分辨率。 丈量功能：包括頻率、頻率比、時間間隔、上升時間、下降時間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時間間隔平均和時間間隔延遲。 處置功能：平均值、最小值、最大值和規(guī)范偏向。三、 時間與頻率的原始規(guī)范1、天文時標(biāo)原始規(guī)范應(yīng)具有恒定不變性。頻率和時間互為倒數(shù)，其規(guī)范具有一致性。宏觀規(guī)范和微觀規(guī)范宏觀規(guī)范：基于天文觀測；微觀規(guī)范：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確。世界時UT,Universal Time 以地球自轉(zhuǎn)周期(1

6、天)確定的時間，即1/(246060)=1/86400為1秒。其誤差約為106量級。秒的第一次嚴(yán)厲定義1天文時標(biāo)為世界時確定時間觀測的參考點，得到平太陽時：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽作為根本參考點。零類世界時UT0 ：以平太陽的子夜0時為參考，準(zhǔn)確度約為106 。第一類世界時UT1：對地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)自轉(zhuǎn)軸微小位移作修正得到，準(zhǔn)確度約為107 。第二類世界時UT2：對地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化影響自轉(zhuǎn)速率作修正得到。準(zhǔn)確度為3108 。歷書時ET：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為規(guī)范，即公轉(zhuǎn)周期1年的31 556 925.9747分之一為1秒。參考點為1900年1月1日0時國際天文學(xué)會定義。準(zhǔn)

7、確度達(dá)1109 。于1960年第11屆國際計量大會接受為“秒的規(guī)范。秒的第二次定義365天5小時48分45.9747秒2、原子時標(biāo) 基于天文觀測的宏觀規(guī)范用于測試計量中的缺乏設(shè)備龐大、操作費事；觀測時間長；準(zhǔn)確度有限。原子時標(biāo)AT的量子電子學(xué)根底原子分子在能級躍遷中將吸收(低能級到高能級)或輻射高能級到低能級電磁波，其頻率是恒定的。 hfn-m=En-Em式中，h=6.625210-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個能級，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。原子時標(biāo)的定義1967年10月，第13屆國際計量大會正式經(jīng)過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)構(gòu)造能級之間躍遷頻率相

8、應(yīng)的射線束繼續(xù)9,192,631,770個周期的時間。1972年起實行，為全世界所接受。秒的定義由天文實物規(guī)范過渡到原子自然規(guī)范，準(zhǔn)確度提高了45個量級，達(dá)510-14(相當(dāng)于62萬年1秒)，并仍在提高。秒的第三次定義原子鐘原子時標(biāo)的實物儀器，可用于時間、頻率規(guī)范的發(fā)布和比對。銫原子鐘準(zhǔn)確度：10-1310-14。大銫鐘，公用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率任務(wù)基準(zhǔn)。銣原子鐘準(zhǔn)確度： 10-11，體積小、分量輕，便于攜帶，可作為任務(wù)基準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高：10-1410-15，但準(zhǔn)確度較低10-12。四、 石英晶體振蕩器電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器簡稱“晶振為基準(zhǔn)信號

9、源。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，在拐點處最平坦，普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施恒定在拐點處的溫度可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。以下圖為恒溫晶振的組成。1、組成2、目的晶體振蕩器的主要目的有:輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日動搖:210-10；日老化:110-10；秒穩(wěn):510-12。輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50)。幾種不同類型的晶體振蕩器目的晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度準(zhǔn)確度普通1，1010-510-610-5溫度補(bǔ)償1，5，1010-610-710-6單恒

10、溫槽1，2.5，5，1010-710-910-610-8雙恒溫槽2.5，5，1010-910-11優(yōu)于10-83.2 時間和頻率的丈量原理一、 模擬丈量原理 1、 直接法 2、 比較法二、 數(shù)字丈量原理 1、門控計數(shù)法丈量原理 2、通用計數(shù)器的根本組成一、 模擬丈量原理 1、直接法直接法是利用電路的某種頻率呼應(yīng)特性來丈量頻率值，其又可細(xì)分為諧振法和電橋法兩種。1諧振法：調(diào)理可變電容器C使回路發(fā)生諧振，此時回路電流到達(dá)最大(高頻電壓表指示)，那么可丈量1500MHz以下的頻率，準(zhǔn)確度(0.251)%?？捎糜谡闪扛哳l ( 2電橋法：利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來進(jìn)展頻率丈量, 通常采用如以下

11、圖所示的文氏電橋來進(jìn)展丈量。調(diào)理R1、R2使電橋到達(dá)平衡，那么有令平衡條件表達(dá)式兩端實虛部分別相等，得到：，于是，被測信號頻率為：通常取R1=R2=R, C1=C2=C，那么丈量準(zhǔn)確度：受橋路中各元件的準(zhǔn)確度、判別電橋平衡的準(zhǔn)確程度取決于橋路諧振特性的鋒利度即指示器的靈敏度和被測信號的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，普通約為(0.51)%。 主要用于丈量低頻2、比較法根本原理 利用規(guī)范頻率fs和被丈量頻率fx進(jìn)展比較來丈量頻率。有拍頻法、外差法、示波法以及計數(shù)法等。1拍頻法 將規(guī)范頻率與被測頻率疊加，由指示器耳機(jī)或電壓表指示。適于音頻丈量很少用。 當(dāng)規(guī)范頻率fs和被丈量頻率fx相差很大時，耳機(jī)中能

12、聽到兩個高低不同的音調(diào)；當(dāng)頻率逐漸接近，差幾個頻率時，音調(diào)差別消逝，能聽到聲音響度做周期性變化；當(dāng)fs=fx時，合成信號的強(qiáng)度堅持不變。2外差法： 將規(guī)范頻率與被測頻率混頻，取出差頻并丈量?？烧闪糠秶_(dá)幾十MHz外差式頻率計，是計數(shù)式頻率計問世之前丈量高頻的主要方法，準(zhǔn)確度可達(dá)10-510-6。3示波法 李沙育圖形法將fx和fs分別接到示波器Y軸和X軸X-Y圖示方式，當(dāng)fxfs時顯示為斜線橢圓或圓； 測周期法直接根據(jù)顯示波形由X通道掃描速率得到周期，進(jìn)而得到頻率。二、 數(shù)字丈量原理1、門控計數(shù)法丈量原理時間、頻率量的特點 頻率是在時間軸上無限延伸的，因此，對頻率量的丈量需確定一個取樣時間T，在

13、該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù)(假設(shè)計數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。為實現(xiàn)時間這里指時間間隔的數(shù)字化丈量，需將被測時間按盡能夠小的時間單位稱為時標(biāo)進(jìn)展量化，經(jīng)過累計被測時間內(nèi)所包含的時間單位數(shù)計數(shù)得到。丈量原理將需累加計數(shù)的信號頻率丈量時為被測信號，時間丈量時為時標(biāo)信號，由一個“閘門主門控制，并由一個“門控信號控制閘門的開啟計數(shù)允許與封鎖計數(shù)停頓。閘門可由一個與或“或邏輯門電路實現(xiàn)。這種丈量方法稱為門控計數(shù)法。其原理如以下圖所示。上圖為由“與邏輯門作為閘門，其門控信號為1時閘門開啟允許計數(shù)，為0時閘門封鎖停頓計數(shù)。測頻時，閘門開啟時間稱為“閘門時間即為采樣時間。 測時間間隔時，閘門

14、開啟時間即為被測時間。2、通用計數(shù)器的根本組成通用電子計數(shù)器的組成框圖如以下圖所示：通用計數(shù)器包括如下幾個部分輸入通道：通常有A、B、C多個通道，以實現(xiàn)不同的丈量功能。輸入通道電路對輸入信號進(jìn)展放大、整形等但堅持頻率不變，得到適宜計數(shù)的脈沖信號。主門電路：完成計數(shù)的閘門控制造用。計數(shù)與顯示電路：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的中心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果反映丈量結(jié)果以數(shù)字方式顯示出來。時基產(chǎn)生電路：產(chǎn)活力內(nèi)時間、頻率丈量的基準(zhǔn)，即時間丈量的時標(biāo)和頻率丈量的閘門信號?？刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調(diào)整機(jī)任務(wù)，即預(yù)備丈量顯示。3.3 電子計數(shù)器的組成原理和丈量功能一、 電子計數(shù)器的組成 1、A、B輸入通道

15、2、主門電路 3、計數(shù)與顯示電路 4、時基產(chǎn)生電路 5、控制電路二、 電子計數(shù)器的丈量功能 1、頻率丈量 2、頻率比丈量 3、周期丈量 4、時間間隔丈量 5、自檢一、 電子計數(shù)器的組成電子計數(shù)器整機(jī)框圖1、 輸入通道 A、B作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)包括觸發(fā)電平調(diào)理等單元電路構(gòu)成。其作用是對輸入信號處置以產(chǎn)生符合計數(shù)要求波形、幅度的脈沖信號。斯密特觸發(fā)電路： 利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對輸入信號具有較好的 抗干擾作用。通道組合可完成不同的丈量功能：被計數(shù)的信號常從A通道輸入稱為計數(shù)端；控制閘門開啟的信號通道常從B、C通道輸入稱為控制端。從計數(shù)端輸入的信號有：被測信號(fx)

16、;內(nèi)部時標(biāo)信號等;從控制端輸入的信號有：閘門信號；被測信號(Tx)等；序號計數(shù)端信號控制端信號測試功能計數(shù)結(jié)果1內(nèi)時鐘T0內(nèi)時鐘T自檢N=T/T02被測信號fx內(nèi)時鐘T丈量頻率AfxN/T3內(nèi)時鐘T0被測周期Tx丈量周期BTxNT04被測信號fA被測信號fB丈量頻率比A/BfA/fB=N5內(nèi)時鐘T0被測信號相應(yīng)間隔tB-C丈量時間間隔A-BtB-C=NT06外輸入TA被測信號相應(yīng)間隔tB-C丈量外控時間間隔B-CtB-C=NTA7外待測信號Nx手控或遙控累加計數(shù)ANxN8內(nèi)時鐘秒信號手控或遙控計時 N秒2、主門電路功能：主門也稱為閘門，經(jīng)過“門控信號控制進(jìn)入計數(shù)器的脈沖，使計數(shù)器只對預(yù)定的“閘

17、門時間之內(nèi)的脈沖計數(shù)。 電路：由“與門或“或門構(gòu)成。其原理如以下圖：由“與門構(gòu)成的主門，其“門控信號為1時，允許計數(shù)脈沖經(jīng)過；由“或門構(gòu)成的主門，其“門控信號為0時，允許計數(shù)脈沖經(jīng)過。 “門控信號還可手動操作得到，照實現(xiàn)手動累加計數(shù)。3、計數(shù)與顯示電路功能：計數(shù)電路對經(jīng)過主門的脈沖進(jìn)展計數(shù)計數(shù)值代表了被測頻率或時間，并經(jīng)過數(shù)碼顯示器將丈量結(jié)果直觀地顯示出來。為了便于察看和讀數(shù)，通常運用十進(jìn)制計數(shù)電路。計數(shù)電路的重要目的：最高計數(shù)頻率。計數(shù)電路普通由多級雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，受內(nèi)部形狀翻轉(zhuǎn)的時間限制，使計數(shù)電路存在最高計數(shù)頻率的限制。而且對多位計數(shù)器，最高計數(shù)頻率主要由個位計數(shù)器決議。不同電路具有不同

18、的任務(wù)速度：如74LS74HC系列為3040MHz；74S系列為100MHz；CMOS電路約5MHz；ECL電路可達(dá)600MHz。類型：單片集成與可編程計數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS90MC11C90十進(jìn)制計數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計數(shù)器?？删幊逃嫈?shù)器IC如：Intel8253/8254等。顯示器LED、LCD 、熒光VFD等。顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。如74LS47、CD4511等。公用計數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。4、時基產(chǎn)生電路功能：產(chǎn)生測頻時的“門控信號多檔閘門時間可選及時間丈量時的“時標(biāo)信號多檔可選。實現(xiàn)：由內(nèi)部晶體

19、振蕩器也可外接，經(jīng)過倍頻或分頻得到。再經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號。要求：規(guī)范性： “門控信號和“時標(biāo)作為計數(shù)器頻率和時間丈量的本地任務(wù)基準(zhǔn)，該當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。多值性：為了順應(yīng)計數(shù)器較寬的丈量范圍，要求“閘門時間和“時標(biāo)可多檔選擇。常用“閘門時間有：1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“時標(biāo)有：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。如，假設(shè)fc=1MHz,經(jīng)106分頻后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的時基信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到寬度為Ts=1s的門控信號。5、控制電路功能：產(chǎn)生各種控制信號，控制、協(xié)調(diào)各電路單元的任務(wù)，使整機(jī)按“復(fù)

20、零丈量顯示的任務(wù)程序完成自動丈量的義務(wù)。預(yù)備期 復(fù)零，等待 丈量期 開門，計數(shù) 顯示期關(guān)門，停頓計數(shù)二、 電子計數(shù)器的丈量功能1、頻率丈量原理：計數(shù)器嚴(yán)厲按照實現(xiàn)頻率丈量。原理框圖和任務(wù)波形圖fx由A通道輸入，內(nèi)部時基根據(jù)上式的頻率定義，T為采樣時間，N為T內(nèi)的周期數(shù)。采樣時間T預(yù)先由閘門時間Ts確定時基頻率為fs。那么 或因此，在數(shù)字化頻率丈量中，可用計數(shù)值N 表示fx。它表達(dá)了數(shù)字化頻率丈量的比較法丈量原理。例如：設(shè)被測頻率fx=10kHz。閘門時間Ts=1s，假設(shè)計數(shù)值N=10000，那么顯示的fx為“10000Hz，或“10.000kHz。如閘門時間Ts=0.1s，那么計數(shù)值N=100

21、0，那么顯示的fx為 “10.00kHz。請留意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了頻率丈量的分辨力應(yīng)等于時基頻率fs 。為便于丈量和顯示，計數(shù)器通常為十進(jìn)制計數(shù)器，多檔閘門時間設(shè)定為10的冪次方，這樣可直接顯示計數(shù)結(jié)果，并經(jīng)過挪動小數(shù)點和單位的配合，就可得到被測頻率。丈量速度與分辨力：閘門時間Ts為頻率丈量的采樣時間，Ts愈大，那么丈量時間愈長，但計數(shù)值N愈大，分辨力愈高。2、頻率比的丈量原理框圖 fA對fB分別由A、B兩通道輸入原理：實踐上，前述頻率丈量的比較丈量原理就是一種頻率比的丈量：fx對fs的頻率比。 據(jù)此，假設(shè)要丈量fA對fB的頻率比假設(shè)fAfB，只需用fB的周期TB作為閘門

22、，在TB時間內(nèi)對fA作周期計數(shù)即可。留意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。3、周期的丈量原理框圖 原理：“時標(biāo)計數(shù)法周期丈量。 對被測周期Tx，用知的較小單位時間刻度T0“時標(biāo)去量化，由Tx所包含的“時標(biāo)數(shù)N即可得到Tx。即 闡明，“時標(biāo)的計數(shù)值N可表示周期Tx。也表達(dá)了時間間隔周期的比較丈量原理。 例如：假設(shè)被測信號周期Tx=10ms.假設(shè)時標(biāo)T0=1us，那么計數(shù)值N=10000，顯示的Tx為“10000us，或“10.000ms。如時標(biāo)T0=10us，那么計數(shù)值N=1000，顯示的Tx為 “10.00ms。 請留意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了周期丈量的分辨力應(yīng)

23、等于時標(biāo)T0 。為便于顯示，多檔時標(biāo)設(shè)定為10的冪次方。丈量速度與分辨力 一次丈量時間即為一個周期Tx，Tx愈大(頻率愈低)那么丈量時間愈長； 計數(shù)值N與時標(biāo)有關(guān)，時標(biāo)愈小分辨力愈高。周期丈量的實現(xiàn)： 由Tx得到閘門；在Tx內(nèi)計數(shù)器對時標(biāo)計數(shù)。Tx由B通道輸入，內(nèi)部時標(biāo)信號由A通道輸入A通道外部輸入斷開。時間間隔：指兩個時辰點之間的時間段。在丈量技術(shù)中，兩個時辰點通常由兩個事件確定。如，一個周期信號的兩個同相位點如過零點所確定的時間間隔即為周期。 兩個事件的例子及丈量參數(shù)還有：同一信號波形上兩個不同點之間脈沖信號參數(shù)；兩個信號波形上，兩點之間相位差的丈量；手動觸發(fā)定時、累加計數(shù)。 丈量方法：由

24、兩個事件觸發(fā)得到起始信號和終止信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門控信號，門控時間即為被測的時間間隔。在門控時間內(nèi)，仍采用“時標(biāo)計數(shù)方法丈量即所測時間間隔由“時標(biāo)量化。4、時間間隔的丈量原理框圖欲丈量時間間隔的起始、終止信號分別由B、C通道輸入。時標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。由觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)理共同完成。為添加丈量的靈敏性，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)理，以完成各種時間間隔的丈量。VBVc起始停頓開門時間C：(50%)B： (50%)起始停頓開門時間VBVcB：(50%)C：- (50%)B： (50%) C： + (50%) + (50%) (50%) C(90%)閘門信號關(guān)門

25、信號開門信號B (10%) 起始和終止信號控制例1：脈沖參數(shù)的丈量例2：同頻信號相位差的丈量利用時間間隔的丈量，可以丈量兩個同頻率的信號之間的相位差。兩個信號分別由B、C通道輸入，并選擇一樣的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。丈量原理如以下圖：為減小丈量誤差，分別取+、-觸發(fā)極性作兩次丈量，得到t1、t2再取平均，那么5、自檢自校功能：檢驗儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系能否正常。實現(xiàn)方法： 為判別自檢結(jié)果能否正確，該結(jié)果應(yīng)該在自檢實施前即是知的。為此，用機(jī)內(nèi)的時基Ts閘門信號對時標(biāo)T0計數(shù)，那么計數(shù)結(jié)果應(yīng)為：例如：假設(shè)選擇Ts=10ms,T0=1us,那么自檢顯示應(yīng)穩(wěn)定在N=10000。自檢不能檢測內(nèi)部基準(zhǔn)源。放大

26、、整形晶振放大、整形閘門計數(shù)器顯示門控電路分頻電路T0Tx自檢的方框圖：3.4 電子計數(shù)器的丈量誤差一、 丈量誤差的來源1、量化誤差；2、觸發(fā)誤差；3、規(guī)范頻率誤差二、 頻率丈量的誤差分析1、誤差表達(dá)式；2、量化誤差的影響；3、實例分析三、 周期丈量的誤差分析1、誤差表達(dá)式；2、量化誤差的影響；3、中界頻率； 4、觸發(fā)誤差一、 丈量誤差的來源1、量化誤差由前述頻率丈量fx=N/Ts=Nfs和周期丈量Tx=NT0，可見，由于計數(shù)值N為整數(shù)，fx和Tx必然產(chǎn)生“截斷誤差，該誤差即為“量化誤差。也稱為“1誤差，它是一切數(shù)字化儀器都存在的誤差。產(chǎn)生緣由： 量化誤差并非由于計數(shù)值N的不準(zhǔn)確也并非規(guī)范頻率

27、源fs或時標(biāo)T0的不準(zhǔn)確呵斥。而是 由于閘門開啟和封鎖的時間與被測信號不同步引起亦即開門和關(guān)門時辰與被測信號出現(xiàn)的時辰是隨機(jī)的，使得在閘門開場和終了時辰有一部分時間零頭沒有被計算在內(nèi)而呵斥的丈量誤差。 被丈量與規(guī)范量不是正好整數(shù)倍的關(guān)系。2、觸發(fā)誤差 輸入信號都需經(jīng)過通道電路放大、整形等，得到脈沖信號，即輸入信號(轉(zhuǎn)換為)脈沖信號。 這種轉(zhuǎn)換要求只對信號幅值和波形變換，不能改動其頻率。但是，假設(shè)輸入被測信號疊加有干擾信號，那么信號的頻率周期及相對閘門信號的觸發(fā)點就能夠變化。由此產(chǎn)生的丈量誤差稱為“觸發(fā)誤差，也稱為“轉(zhuǎn)換誤差。例：周期為Tx的輸入信號，觸發(fā)電平在A1點，但在A1點上有干擾信號(幅

28、度Vn)。提早觸發(fā),周期TxTx。3、規(guī)范頻率誤差機(jī)內(nèi)時基閘門時間和時標(biāo)是頻率和時間間隔丈量的參考基準(zhǔn)，它們由內(nèi)部晶體振蕩器規(guī)范頻率源分頻或倍頻后產(chǎn)生。因此，其準(zhǔn)確度和丈量時間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響丈量結(jié)果。通常，要求規(guī)范頻率誤差小于丈量誤差的一個數(shù)量級。因此，內(nèi)部晶振要求較高穩(wěn)定性。假設(shè)不能滿足丈量要求，還可外接更高準(zhǔn)確度的外部基準(zhǔn)源。二、 頻率丈量的誤差分析1、誤差表達(dá)式量化誤差1誤差規(guī)范頻率誤差頻率丈量表達(dá)式：總誤差采用分項誤差絕對值合成。120 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9TsTx如圖，對同一被測信號

29、，在一樣的閘門時間內(nèi)，計數(shù)結(jié)果不同。2 誤差分析0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9TsTx如圖，在開場和終了時產(chǎn)生零頭時間可見，最大誤差為1個數(shù)，所以又稱為1誤差3 減小測頻誤差的方法誤差曲線誤差曲線直觀地表示了測頻誤差與被測頻率fx 和閘門時間Ts 的關(guān)系?？梢钥闯觯毫炕`差為頻率丈量的主要誤差，規(guī)范頻率誤差普通可忽略特別是在準(zhǔn)確度要求不高的運用場所。為減小量化誤差，需增大計數(shù)值N： 在一樣的閘門時間內(nèi)丈量較高的頻率； 被測頻率一定時，增大閘門時間Ts ；留意： 增大閘門時間將降低丈量速度，并且計數(shù)值的添加不應(yīng)超

30、越計數(shù)器的計數(shù)容量，否那么將產(chǎn)生溢出高位無法顯示。例如：一個6位的計數(shù)器，最大顯示為999999，當(dāng)用Ts=10s的閘門丈量fx=1MHz時,應(yīng)顯示“1000000.0Hz或1.0000000MHz ,顯然溢出。 閘門時間最大10s，因此電子計數(shù)器測頻方法只適用于高頻丈量。 測頻誤差以規(guī)范頻率誤差為極限，當(dāng)量化誤差較小時，不能忽略它的影響。4、實例分析例 被測頻率fx1MHz，選擇閘門時間Ts1s，那么由1誤差產(chǎn)生的測頻誤差(不思索規(guī)范頻率誤差)為： 假設(shè)Ts添加為10s，那么計數(shù)值添加10倍，相應(yīng)的測頻誤差也降低10倍，為1107，但丈量時間將延伸10倍。留意：該例中，中選擇閘門時間Ts1s

31、時，要求規(guī)范頻率誤差優(yōu)于1107 即比量化誤差高一個數(shù)量級，否那么，規(guī)范頻率誤差在總丈量誤差中不能忽略。三、 周期丈量的誤差分析1、誤差表達(dá)式測周的根本表達(dá)式：根據(jù)誤差合成公式，可得： (Tc為晶振周期，k為倍頻或分頻比)，有： 所以，量化誤差時標(biāo)周期誤差2、減小測周誤差的方法 量化誤差為頻率丈量的主要誤差。 通常要求時標(biāo)周期誤差規(guī)范頻率誤差小于丈量誤差的一個數(shù)量級，這時可作為微小誤差不予思索，特別是在準(zhǔn)確度要求不高的運用場所。3、中界頻率 測頻時，被測頻率fx愈低，那么量化誤差愈大； 測周時，被測頻率fx愈高，那么量化誤差愈大?？梢姡跍y頻與測周之間，存在一個臨界頻率，使得直接測頻和直接測周

32、的量化誤差相等。稱該臨界頻率為中界頻率fm。 為減小量化誤差，需增大計數(shù)值N： 對一樣的時標(biāo)信號計數(shù)時丈量較低的頻率周期Tx大； 被測頻率一定時，采用周期較小頻率高的時標(biāo)信號 ； 留意： 添加計數(shù)值N，需留意不可使其溢出。 例如：一個6位的計數(shù)器，最大顯示為999999,當(dāng)用T0=1us的時標(biāo)丈量 Tx=10s(fx=0.1Hz)時,應(yīng)顯示“10000000us或“10.000000s,顯然溢出。 電子計數(shù)器測周方法適用于低頻丈量。 測周誤差以規(guī)范頻率誤差為極限，當(dāng)量化誤差較小時，不能忽略它的影響。當(dāng)fxfm時，應(yīng)采用測頻；當(dāng)fx= 10s ),延續(xù)測24小時，共得25個數(shù)據(jù)，取出fmax和f

33、min，計算。2、短期頻率穩(wěn)定度的表征短期穩(wěn)定度主要是為了反映晶體內(nèi)部的噪聲特性。對于計數(shù)器中的石英晶體振蕩器，其輸出頻率在1秒內(nèi)的穩(wěn)定性有重要意義，所以常用“秒級穩(wěn)定度表征。因時間短，可忽略緩慢漂移，那么瞬間的頻率變化可作為隨機(jī)過程處置。短期頻率穩(wěn)定度的定義：時域：用相對頻率起伏表征頻率的不穩(wěn)定性；頻域：用相位噪聲表征頻率的不穩(wěn)定性；由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相，晶振輸出頻率fx應(yīng)為時間 t 的函數(shù)。 相對頻率起伏定義將頻率源輸出信號作為隨機(jī)過程，用下式表示：規(guī)范頻率源中其瞬時相位為：其瞬時頻率為：相對頻率起伏反映了輸出頻率的瞬時變化3、頻率穩(wěn)定度的丈量相對頻率起伏為隨機(jī)變量，因此可用其取樣方

34、差來表示。1規(guī)范偏向：即，相對頻率起伏的規(guī)范偏向等于 f (t) 的規(guī)范偏向。用貝塞爾公式計算規(guī)范偏向估計值2阿侖方差用規(guī)范偏向表征相對頻率起伏僅適用于高頻范圍，當(dāng)存在具有豐富低頻成分的調(diào)頻閃爍相位噪聲低頻噪聲即1/f噪聲時，上述規(guī)范偏向?qū)㈦S著丈量次數(shù)的添加而發(fā)散，為此，采用阿侖方差進(jìn)展表征。 雙采樣方式fi1和fi2為相鄰無間隙兩次丈量值，并將其作為一組，共進(jìn)展m組丈量得到2m個數(shù)據(jù)。 阿侖方差的意義：描畫了相鄰兩次頻率值的起伏變化。低頻1/f 噪聲在相鄰兩次丈量中無影響。因此阿侖方差是收斂的，采樣時間越短，方差越小。 秒級穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時間1s，組數(shù)100。 延續(xù)采樣方式延續(xù)采樣方式是雙采樣方式的一種特殊方式，可以大大減少任務(wù)量。例如：m=100，雙采樣方式需求測200個數(shù)據(jù)，而延續(xù)采樣只需求測101個數(shù)據(jù)。 阿侖方差的丈量方案阿侖方差的丈量，需求進(jìn)展相鄰兩次延續(xù)取樣。可用兩臺計數(shù)器交替任務(wù)實現(xiàn)。任務(wù)原理 如圖，開關(guān)K1、K2接a，即計數(shù)器任務(wù)在測頻方式，信號由A通道輸入。第一個閘門時間內(nèi)主門A開通，計數(shù)器1任務(wù)，當(dāng)?shù)谝粋€閘門時間終了時，主門A封鎖，計數(shù)器1停頓計數(shù)，而主門B開通，計數(shù)器2開場任務(wù)即計數(shù)器2的開門信號為計數(shù)器1的關(guān)門信號，可以為無間隙，此時由計數(shù)器1即可測得fi1；在下一個時基周期封鎖計數(shù)器2