第七章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器課件

第七章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器主講：張作狀第七章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器主講：張作狀1*教學(xué)目的：*教學(xué)重點(diǎn)：了解測(cè)頻的方法、電子計(jì)數(shù)器的組成、技術(shù)指標(biāo)，理解其工作原理，掌握其使用方法。通用電子計(jì)數(shù)器的組成、測(cè)量原理、測(cè)量誤差的來源及減小措施，通用電子計(jì)數(shù)器的使用方法、擴(kuò)頻方法，數(shù)字相位計(jì)的工作原理。*教學(xué)目的：*教學(xué)重點(diǎn)：了解測(cè)頻的方法、電子計(jì)數(shù)器的組成27.1概述*時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn)一、天文時(shí)標(biāo)1、世界時(shí):2、平太陽時(shí)：二、原子時(shí)標(biāo)(AT)第一世界時(shí)（UT1）第二世界時(shí)（UT2）零類世界時(shí)（UT0）準(zhǔn)確度10-6量級(jí)準(zhǔn)確度10-9量級(jí)(根據(jù)太陽計(jì)量時(shí)間的計(jì)時(shí)系統(tǒng))（根據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)）7.1概述*時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn)一、天文時(shí)標(biāo)1、世界時(shí)3*時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)2、應(yīng)用范圍廣3、自動(dòng)化程度高4、測(cè)量速度快1、測(cè)量精度高（最高10-14）（從百分之一赫茲到1012赫茲以上）*時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)2、應(yīng)用范圍廣3、自動(dòng)化程度高4、測(cè)量速度4*頻率測(cè)量的方法模擬法無源測(cè)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(jì)數(shù)器法李沙育圖形法測(cè)周期法*頻率測(cè)量的方法模擬法無源測(cè)頻法比較法諧振法電橋法頻率—57.1.1無源測(cè)頻法1、諧振法：被測(cè)信號(hào)經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進(jìn)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(shí)回路電流達(dá)到最大。fx=f0=1/2π

LCcfx~vfxML諧振法測(cè)頻原理C7.1.1無源測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)頻就是先把頻率信號(hào)變換為電壓或電流信號(hào)，然后用帶有頻率刻度的電壓表或電流表直接得出被測(cè)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(cè)頻就是先把頻率信號(hào)變97.1.2比較法1、拍頻法：將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)線性元件直接進(jìn)行疊加來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。通常只用于音頻的測(cè)量。~~v耳機(jī)示波器fxfs拍頻法測(cè)頻原理圖7.1.2比較法1、拍頻法：將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)線性元102、差頻法：利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行差頻變換來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。適用于高頻段的測(cè)量。耳機(jī)~~混頻濾波放大器V差頻法測(cè)頻原理fsfx2、差頻法：利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行差頻變換來117.2電子計(jì)數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計(jì)數(shù)器2、頻率計(jì)數(shù)器3、計(jì)算計(jì)數(shù)器4、時(shí)間計(jì)數(shù)器5、特種計(jì)數(shù)器7.2電子計(jì)數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計(jì)數(shù)器2、127.2.2基本組成+12v1HZ與門4輸入單元主門十進(jìn)制電子計(jì)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(shí)標(biāo)信號(hào)10/110/110/1石英振蕩器分頻器頻率計(jì)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(jìn)制137.2.3技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)試功能2、測(cè)量范圍3、輸入特性4、測(cè)量準(zhǔn)確度5、閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)6、顯示及工作方式7、輸出7.2.3技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)試功能2、測(cè)量范圍3、輸入特性4147.3通用電子計(jì)數(shù)器7.3.1測(cè)量頻率被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形，轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號(hào)。門控電路輸出的門控信號(hào)控制閘門的啟閉。在閘門開啟期間計(jì)數(shù)電路對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)未知的待測(cè)輸入信號(hào)的脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。7.3通用電子計(jì)數(shù)器7.3.1測(cè)量頻率15脈沖形成電路閘門門控電路時(shí)基信號(hào)發(fā)生器12345十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理方框圖時(shí)基T工作波形圖12345脈沖形閘門門控時(shí)基信號(hào)發(fā)生器12345十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原16NTX=N/fx=KfTsfx=N/KfTsN=KfTsfxNT

m=N/mfx=KfTsfx=N/mKfTsN=mKfTsfx被測(cè)信號(hào)經(jīng)過m次倍頻N閘門開啟期間十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)被測(cè)信號(hào)的頻率晶振信號(hào)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(diǎn)自動(dòng)向右移一位為了使N值能直接表示fx：TX=1SN=100，0001187.3.2測(cè)量周期被測(cè)信號(hào)控制門控電路輸出門控信號(hào)控制閘門的啟閉，晶振信號(hào)經(jīng)倍頻后形成計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號(hào)。在未知的待測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)累計(jì)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)周期的測(cè)量。7.3.2測(cè)量周期被測(cè)信號(hào)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(jì)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(jì)數(shù)器測(cè)周原理方框圖KfTX=NTs/m=N/mfsTX=N/mKffs=NTs20由上述得知，通用電子計(jì)數(shù)器無論測(cè)頻還是測(cè)周，其測(cè)量方法的依據(jù)是：閘門時(shí)間等于計(jì)數(shù)脈沖周期與閘門開啟時(shí)通過的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)之積。由上述得知，通用電子計(jì)數(shù)器無論測(cè)頻還是測(cè)周，其測(cè)217.3.3測(cè)量頻率比兩個(gè)輸入信號(hào)加到電子計(jì)數(shù)器輸入端,如果信號(hào)a的頻率大于信號(hào)b的頻率則：信號(hào)b經(jīng)B通道輸入，對(duì)閘門進(jìn)行控制；信號(hào)a則經(jīng)A通道輸入，形成計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號(hào)。7.3.3測(cè)量頻率比兩個(gè)輸入信號(hào)加到電子22KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計(jì)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(cè)量頻率比原理框圖KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計(jì)數(shù)237.3.4測(cè)量累加計(jì)數(shù)累加計(jì)數(shù)是指在限定時(shí)間內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)重復(fù)次數(shù)進(jìn)行累加。其測(cè)量原理與測(cè)量頻率相似，不過此時(shí)門控電路由人工控制。閘門計(jì)數(shù)顯示fA=1/TA門控電路fA放大整型電路AS啟動(dòng)終止測(cè)量累加計(jì)數(shù)原理方框圖7.3.4測(cè)量累加計(jì)數(shù)累加計(jì)數(shù)是指在限定時(shí)間內(nèi)247.3.5測(cè)量時(shí)間間隔控制閘門啟閉的是兩個(gè)（或單個(gè)）輸入信號(hào)在不同點(diǎn)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(gè)輸入信號(hào)時(shí)，S1處于“單獨(dú)”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(gè)輸入信號(hào)時(shí)，S1處于“公共”位置；起始脈沖在正極性觸發(fā)，終止脈沖在負(fù)極性觸發(fā)，觸發(fā)電平均為50%。=NTS/m7.3.5測(cè)量時(shí)間間隔控制閘門啟閉的是兩25TB晶振倍頻器（m）閘門計(jì)數(shù)顯示TsTs/m觸發(fā)器1TA觸發(fā)器2S1單獨(dú)公共起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器門控電路測(cè)量時(shí)間間隔原理框圖TB晶振倍頻閘門計(jì)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(cè)量頻率原理相似，不過自檢的計(jì)數(shù)脈沖與門控信號(hào)均為晶振信號(hào)經(jīng)倍頻和分頻后產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)和時(shí)基信號(hào)。原理上不存在量化誤差。NTS/m=KfTsN=mKf晶振倍頻器（m）閘門計(jì)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(cè)量頻率原理相似27總結(jié)：*頻率和時(shí)間測(cè)量概述*電子計(jì)數(shù)器概述*通用電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用總結(jié)：*頻率和時(shí)間測(cè)量概述*電子計(jì)數(shù)器概述*通用電子計(jì)數(shù)器的28第七章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器主講：張作狀第七章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器主講：張作狀29*教學(xué)目的：*教學(xué)重點(diǎn)：了解測(cè)頻的方法、電子計(jì)數(shù)器的組成、技術(shù)指標(biāo)，理解其工作原理，掌握其使用方法。通用電子計(jì)數(shù)器的組成、測(cè)量原理、測(cè)量誤差的來源及減小措施，通用電子計(jì)數(shù)器的使用方法、擴(kuò)頻方法，數(shù)字相位計(jì)的工作原理。*教學(xué)目的：*教學(xué)重點(diǎn)：了解測(cè)頻的方法、電子計(jì)數(shù)器的組成307.1概述*時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn)一、天文時(shí)標(biāo)1、世界時(shí):2、平太陽時(shí)：二、原子時(shí)標(biāo)(AT)第一世界時(shí)（UT1）第二世界時(shí)（UT2）零類世界時(shí)（UT0）準(zhǔn)確度10-6量級(jí)準(zhǔn)確度10-9量級(jí)(根據(jù)太陽計(jì)量時(shí)間的計(jì)時(shí)系統(tǒng))（根據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)）7.1概述*時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn)一、天文時(shí)標(biāo)1、世界時(shí)31*時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)2、應(yīng)用范圍廣3、自動(dòng)化程度高4、測(cè)量速度快1、測(cè)量精度高（最高10-14）（從百分之一赫茲到1012赫茲以上）*時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)2、應(yīng)用范圍廣3、自動(dòng)化程度高4、測(cè)量速度32*頻率測(cè)量的方法模擬法無源測(cè)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(jì)數(shù)器法李沙育圖形法測(cè)周期法*頻率測(cè)量的方法模擬法無源測(cè)頻法比較法諧振法電橋法頻率—337.1.1無源測(cè)頻法1、諧振法：被測(cè)信號(hào)經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進(jìn)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(shí)回路電流達(dá)到最大。fx=f0=1/2π

LCcfx~vfxML諧振法測(cè)頻原理C7.1.1無源測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)頻就是先把頻率信號(hào)變換為電壓或電流信號(hào)，然后用帶有頻率刻度的電壓表或電流表直接得出被測(cè)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(cè)頻就是先把頻率信號(hào)變377.1.2比較法1、拍頻法：將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)線性元件直接進(jìn)行疊加來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。通常只用于音頻的測(cè)量。~~v耳機(jī)示波器fxfs拍頻法測(cè)頻原理圖7.1.2比較法1、拍頻法：將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)線性元382、差頻法：利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行差頻變換來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。適用于高頻段的測(cè)量。耳機(jī)~~混頻濾波放大器V差頻法測(cè)頻原理fsfx2、差頻法：利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行差頻變換來397.2電子計(jì)數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計(jì)數(shù)器2、頻率計(jì)數(shù)器3、計(jì)算計(jì)數(shù)器4、時(shí)間計(jì)數(shù)器5、特種計(jì)數(shù)器7.2電子計(jì)數(shù)器7.2.1分類1、通用電子計(jì)數(shù)器2、407.2.2基本組成+12v1HZ與門4輸入單元主門十進(jìn)制電子計(jì)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(shí)標(biāo)信號(hào)10/110/110/1石英振蕩器分頻器頻率計(jì)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(jìn)制417.2.3技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)試功能2、測(cè)量范圍3、輸入特性4、測(cè)量準(zhǔn)確度5、閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)6、顯示及工作方式7、輸出7.2.3技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)試功能2、測(cè)量范圍3、輸入特性4427.3通用電子計(jì)數(shù)器7.3.1測(cè)量頻率被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形，轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號(hào)。門控電路輸出的門控信號(hào)控制閘門的啟閉。在閘門開啟期間計(jì)數(shù)電路對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)未知的待測(cè)輸入信號(hào)的脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。7.3通用電子計(jì)數(shù)器7.3.1測(cè)量頻率43脈沖形成電路閘門門控電路時(shí)基信號(hào)發(fā)生器12345十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理方框圖時(shí)基T工作波形圖12345脈沖形閘門門控時(shí)基信號(hào)發(fā)生器12345十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原44NTX=N/fx=KfTsfx=N/KfTsN=KfTsfxNT

m=N/mfx=KfTsfx=N/mKfTsN=mKfTsfx被測(cè)信號(hào)經(jīng)過m次倍頻N閘門開啟期間十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)被測(cè)信號(hào)的頻率晶振信號(hào)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(diǎn)自動(dòng)向右移一位為了使N值能直接表示fx：TX=1SN=100，0001467.3.2測(cè)量周期被測(cè)信號(hào)控制門控電路輸出門控信號(hào)控制閘門的啟閉，晶振信號(hào)經(jīng)倍頻后形成計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號(hào)。在未知的待測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)累計(jì)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)周期的測(cè)量。7.3.2測(cè)量周期被測(cè)信號(hào)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(jì)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(jì)數(shù)器測(cè)周原理方框圖KfTX=NTs/m=N/mfsTX=N/mKffs=NTs48由上述得知，通用電子計(jì)數(shù)器無論測(cè)頻還是測(cè)周，其測(cè)量方法的依據(jù)是：閘門時(shí)間等于計(jì)數(shù)脈沖周期與閘門開啟時(shí)通過的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)之積。由上述得知，通用電子計(jì)數(shù)器無論測(cè)頻還是測(cè)周，其測(cè)497.3.3測(cè)量頻率比兩個(gè)輸入信號(hào)加到電子計(jì)數(shù)器輸入端,如果信號(hào)a的頻率大于信號(hào)b的頻率則：信號(hào)b經(jīng)B通道輸入，對(duì)閘門進(jìn)行控制；信號(hào)a則經(jīng)A通道輸入，形成計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號(hào)。7.3.3測(cè)量頻率比兩個(gè)輸入信號(hào)加到電子50KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計(jì)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(cè)量頻率比原理框圖KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)閘門計(jì)數(shù)517.3.4測(cè)量累加