第5章頻率時(shí)間測(cè)量-1

第五章頻率與時(shí)間的測(cè)量5.1 頻率和時(shí)間的基本概念5.2 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能5.3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率5.4 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期5.5 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔5.6

高分辨時(shí)間和頻率測(cè)量技術(shù)5.7

頻率穩(wěn)定度測(cè)量和頻率比對(duì)5.8

時(shí)頻測(cè)量技術(shù)5.9 時(shí)間和頻率的其他測(cè)量方法5.1時(shí)間、頻率的基本概念1）時(shí)間和頻率的定義◆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。◆時(shí)間的基本單位：秒，用s表示。還可以采用毫秒（ms,10-3s）、微秒（μs，10-6s）、納秒（ns,10-9s）、皮秒（ps，10-12s）。周期過程重復(fù)出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間稱為它的周期。用T表示。5.1時(shí)間、頻率的基本概念1）時(shí)間和頻率的定義◆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T0內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次，則頻率可表達(dá)為：f＝N/T0◆時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。

周期T的單位為秒，頻率的單位為赫茲（Hz）2）時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見和最重要的測(cè)量（范圍廣） 時(shí)間是7個(gè)基本國(guó)際單位之一，時(shí)間、頻率是極為重要的物理量，在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等民用和軍事方面都存在時(shí)頻測(cè)量。◆測(cè)量準(zhǔn)確度高 時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（可達(dá)10-14），校準(zhǔn)（比對(duì)）方便，因而數(shù)字化時(shí)頻測(cè)量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測(cè)量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測(cè)量?！糇詣?dòng)化程度高◆測(cè)量速度快各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。各種測(cè)量方法有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。5.1.2.1時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)1）天文時(shí)標(biāo)◆原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性?！纛l率和時(shí)間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性?！艉暧^標(biāo)準(zhǔn)和微觀標(biāo)準(zhǔn)

宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測(cè)； 微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確?！羰澜鐣r(shí)（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級(jí)。5.1.2時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)1）天文時(shí)標(biāo)◆為世界時(shí)確定時(shí)間觀測(cè)的參考點(diǎn)，得到平太陽(yáng)時(shí)：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽(yáng)作為基本參考點(diǎn)。零類世界時(shí)（UT0）：以平太陽(yáng)的子夜0時(shí)為參考。第一類世界時(shí)（UT1）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。第二類世界時(shí)（UT2）：對(duì)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3×10－8。歷書時(shí)（ET）：以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31556925.9747分之一為1秒。參考點(diǎn)為1900年1月1日0時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1×10－9

。于1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)。2）原子時(shí)標(biāo)◆基于天文觀測(cè)的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試計(jì)量中的不足設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；準(zhǔn)確度有限。◆原子時(shí)標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ) 原子（分子）在能級(jí)躍遷中將吸收(低能級(jí)到高能級(jí))或輻射（高能級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。

hfn-m=En-Em 式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個(gè)能級(jí)，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。2）原子時(shí)標(biāo)原子時(shí)標(biāo)的定義

1967年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”

1972年起實(shí)行，為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了4~5個(gè)量級(jí)，達(dá)5×10-14(相當(dāng)于62萬年±1秒)，并仍在提高。“北京時(shí)間”即按我國(guó)銫原子時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)來制定的。2）原子時(shí)標(biāo)原子鐘原子時(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)。銫原子鐘準(zhǔn)確度：10-13~10-14。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)。銣原子鐘準(zhǔn)確度：10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高：10-14~10-15，但準(zhǔn)確度較低（10-12）。3）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻的傳遞1）本地比較法就是用戶把自己要校準(zhǔn)的裝置搬到擁有標(biāo)準(zhǔn)源的地方，或者由有標(biāo)準(zhǔn)源的主控室通過電纜把標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到需要的地方，然后再通過中間測(cè)試設(shè)備進(jìn)行比對(duì)。2）發(fā)送接收標(biāo)準(zhǔn)電磁波法擁有標(biāo)準(zhǔn)源的地方通過發(fā)射設(shè)備將標(biāo)準(zhǔn)電磁波發(fā)送出去，用戶用相應(yīng)的接收設(shè)備將標(biāo)準(zhǔn)電磁波接收下來，便可得到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)頻信號(hào)，并與自己的裝置比對(duì)測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)電磁波是指其時(shí)間頻率受標(biāo)準(zhǔn)源控制的電磁波，或含有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻信息的電磁波。5.1.2.2石英晶體振蕩器電子計(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。石英有較高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性?；趬弘娦?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。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。下圖為恒溫晶振的組成。1）組成2）指標(biāo)◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有: 輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動(dòng):2×10-10 ；日老化:1×10-10；秒穩(wěn):5×10-12。 輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50Ω)。◆幾種不同類型的晶體振蕩器指標(biāo)

5.1.4測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)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(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法5.2

電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能1）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：可測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。其測(cè)量功能可擴(kuò)展。（2）頻率計(jì)數(shù)器：其功能限于測(cè)頻和計(jì)數(shù)。但測(cè)頻范圍往往很寬。（3）時(shí)間計(jì)數(shù)器：以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)，可測(cè)量周期、脈沖參數(shù)等，其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高。（4）特種計(jì)數(shù)器:具有特殊功能的計(jì)數(shù)器。包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測(cè)控。5.2.1

電子計(jì)數(shù)器概述1）電子計(jì)數(shù)器的分類按用途可分為：

測(cè)量用計(jì)數(shù)器和控制用計(jì)數(shù)器。按測(cè)量范圍可分為： （1）低速計(jì)數(shù)器（低于10MHz） （2）中速計(jì)數(shù)器（10~100MHz） （3）高速計(jì)數(shù)器（高于100MHz） （4）微波計(jì)數(shù)器（1~80GHz）

2）主要技術(shù)指標(biāo)（1）測(cè)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)定度：晶體振蕩器是電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求高于所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)數(shù)量級(jí)（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)10-7~10-9。（4）輸入特性：包括耦合方式（DC、AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（10~100mV）、輸入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）閘門時(shí)間(測(cè)頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時(shí)標(biāo)(測(cè)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(jì)數(shù)器的發(fā)展◆測(cè)量方法的不斷發(fā)展：模擬數(shù)字技術(shù)智能化。◆測(cè)量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要指標(biāo)，電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個(gè)指標(biāo)的不斷提高及功能的擴(kuò)展和完善。◆例子：●通道：兩個(gè)225MHz通道，也可 選擇第三個(gè)12.4GHz通道。●每秒12位的頻率分辨率、150ps的時(shí)間間隔分辨率。●測(cè)量功能：包括頻率、頻率比、時(shí)間間隔、上升時(shí)間、下降時(shí)間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時(shí)間間隔平均和時(shí)間間隔延遲。●處理功能：平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。4）通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示：5）通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分輸入通道：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（但保持頻率不變），得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過預(yù)定標(biāo)器還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。主門電路：完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。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。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)?？刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調(diào)整機(jī)工作，即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。5.2.2電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能5.2.2.1電子計(jì)數(shù)器的組成

1）A、B輸入通道

2）主門電路 3）計(jì)數(shù)與顯示電路 4）時(shí)基產(chǎn)生電路 5）控制電路5.2.2.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能

1）頻率測(cè)量

2）頻率比測(cè)量 3）周期測(cè)量 4）時(shí)間間隔測(cè)量 5）自檢5.2.2.1電子計(jì)數(shù)器的組成組成原理框圖數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主門功能開關(guān)閘門選擇、周期倍乘

÷10

÷10

÷10

÷1010s(×104)1s(×103)100ms(×102)10ms(×10)1ms(×1)

時(shí)標(biāo)選擇12345332112445時(shí)基部分

×10

×10

÷10

÷10

÷101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時(shí)序電路開門鎖存復(fù)位控制時(shí)序電路波形1）A、B輸入通道◆作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)（包括出發(fā)電平調(diào)節(jié)）等單元電路構(gòu)成。其作用是對(duì)輸入信號(hào)處理以產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖信號(hào)。

通過預(yù)定標(biāo)器（外插件）還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。◆斯密特觸發(fā)電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對(duì)輸入信號(hào)具有較好的抗干擾作用。1）A、B輸入通道通道組合可完成不同的測(cè)量功能：被計(jì)數(shù)的信號(hào)（常從A通道輸入）稱為計(jì)數(shù)端；控制閘門開啟的信號(hào)通道（常從B、C通道輸入）稱為控制端。從計(jì)數(shù)端輸入的信號(hào)有：被測(cè)信號(hào)(fx);內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)等;從控制端輸入的信號(hào)有：閘門信號(hào)；被測(cè)信號(hào)(Tx)等；序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)時(shí)鐘（T0）內(nèi)時(shí)鐘（T）自檢N=T/T02被測(cè)信號(hào)（fx）內(nèi)時(shí)鐘（T）測(cè)量頻率（A）fx＝N/T3內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)周期（Tx）測(cè)量周期（B）Tx＝NT04被測(cè)信號(hào)（fA）被測(cè)信號(hào)（fB）測(cè)量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（TA）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)（Nx）手控或遙控累加計(jì)數(shù)（A）Nx＝N8內(nèi)時(shí)鐘（秒信號(hào)）手控或遙控計(jì)時(shí)

N（秒）2）主門電路◆功能：主門也稱為閘門，通過“門控信號(hào)”控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖，使計(jì)數(shù)器只對(duì)預(yù)定的“閘門時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)。◆電路：由“與門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“與門”構(gòu)成的主門，其“門控信號(hào)”為‘1’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過；由“或門”構(gòu)成的主門，其“門控信號(hào)”為‘0’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過?！簟伴T控信號(hào)”還可手動(dòng)操作得到，如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。3）計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能：計(jì)數(shù)電路對(duì)通過主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)值代表了被測(cè)頻率或時(shí)間），并通過數(shù)碼顯示器將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來。 為了便于觀察和讀數(shù)，通常使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路?！粲?jì)數(shù)電路的重要指標(biāo)：最高計(jì)數(shù)頻率。 計(jì)數(shù)電路一般由多級(jí)雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間限制，使計(jì)數(shù)電路存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。而且對(duì)多位計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率主要由個(gè)位計(jì)數(shù)器決定?！舨煌娐肪哂胁煌墓ぷ魉俣龋喝?4LS（74HC）系列為30～40MHz；74S系列為100MHz；CMOS電路約5MHz；ECL電路可達(dá)600MHz。3）計(jì)數(shù)與顯示電路類型：?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS90（MC11C90）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)