電子測量-第5章-時頻測量(新)

第五章時頻測量本章要點：

時間的原始基準電子計數(shù)器測頻方法及誤差分析電子計數(shù)器測周方法及誤差分析

時間間隔的測量調(diào)制域分析

5.1頻率與時間的原始基準5.1.1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”,例如矩形脈沖持續(xù)的時間長度?！爸芷凇笔侵竿皇聞?wù)重復出現(xiàn)的時間，如T?！邦l率”是單位時間（1秒）內(nèi)周期性事件重復的次數(shù)，單位是赫茲Hz。圖4.1時頻關(guān)系示意圖tU0t1t2t3t4T電子表走時是否精確取決于石英晶體作振蕩器.設(shè)石英晶體振蕩器日頻率穩(wěn)定度為10-6則日誤差：頻率標準時間標準32768Hz（215Hz）液晶屏分頻計數(shù)譯碼2151秒601分601小時24日圖4.2電子表的組成原理振蕩驅(qū)動5.1.2時頻基準時間的單位是秒。隨著科學技術(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)周期為標準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），其精確度在10-6量級。校正后的世界時稱為其次類世界時（UT2）,其精確度在3×10-8量級。歷書時秒(ET)是以地球繞太陽公轉(zhuǎn)定義的時間，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準。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，時間標準改為由頻率標準來定義，其精確度可達±5×10-14，是全部其它物理量標準遠遠不及的。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。原子時只能供應(yīng)精確的時間間隔，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行修正。這樣，國際上則可接受協(xié)調(diào)世界時來發(fā)送時間標準，既擺脫了天文定義，又使精確度可提高4～5個數(shù)量級?，F(xiàn)在各國標準時發(fā)播臺所發(fā)送的就是世界協(xié)調(diào)時UTC，其精確度優(yōu)于±2×10-11。我國的中國計量科學院、陜西天文臺、上海天文臺都建立了地方原子時，參與了國際原子時（TAI）200多臺原子鐘聯(lián)網(wǎng)進行加權(quán)平均修正，作為我國時間標準由中心人民廣播電臺發(fā)布。7年來首次閏秒2005年底實施2005年7月4日，國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）發(fā)布C公報，協(xié)調(diào)世界時（UTC）將在2005年底實施一個正閏秒，即增加1秒。屆時，全部的時鐘將撥慢1秒。具體實施步驟如下：UTC協(xié)調(diào)世界時：23時59分59秒（2005年12月31日）23時59分60秒（2005年12月31日）00時00分00秒（2006年1月1日）相應(yīng)地，北京時間：7時59分59秒（2006年1月1日）7時59分60秒（2006年1月1日）8時00分00秒（2006年1月1日）世界時是基于地球自轉(zhuǎn)的一種時間計量系統(tǒng)，原子時是基于原子物理技術(shù)的一種更加勻整的時間系統(tǒng)。由于兩種時間尺度速率上的差異，一般來說1～2年會差1秒。我們?nèi)粘Ｉ钏玫臅r間是協(xié)調(diào)世界時（UTC），它是一種折衷的時間尺度，用原子時的速率，而在時刻上靠近世界時，所用方法就是“閏秒”，也就是協(xié)調(diào)世界時和世界時之差即將超過±0.9秒時，就對協(xié)調(diào)世界時作一整秒的調(diào)整。由于地球自轉(zhuǎn)變慢，而引起到2005年底協(xié)調(diào)世界時和世界時之差即將越限，因此，國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織宣布此次閏秒。

上一次閏秒發(fā)生在7年之前的1999年1月1日。國家授時中心在《時間頻率公報》中提前數(shù)月向全國時間用戶通知了這一消息。

我們?nèi)粘Ｋ玫谋本r間既不是原子時（TAI），也不是世界時(UT1)，而是協(xié)調(diào)世界時(UTC)。相對于以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時來說，原子時是勻整的計量系統(tǒng)，這對于測量時間間隔特殊重要，但世界時時刻反映了地球在空間的位置，這也是須要的。為兼顧這兩種須要，引入了協(xié)調(diào)世界時（UTC）系統(tǒng)。UTC在本質(zhì)上還是一種原子時，因為它的秒長規(guī)定要和原子時秒長相等，只是在時刻上，通過人工干預，盡量靠近世界時。

協(xié)調(diào)世界時（UTC）盡量靠近世界時(UT1)的意思是：必要時對協(xié)調(diào)世界時作一整秒的調(diào)整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的時刻之差保持在±0.9秒以內(nèi)。這一技術(shù)措施就稱為閏秒（或跳秒），增加1秒稱為正閏秒（或正跳秒）；去掉1秒稱為負閏秒（或負跳秒）。是否閏秒，由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（英文縮寫為IERS）確定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。假如是正閏秒，則在閏秒當天的23時59分59秒后插入1秒，插入后的時序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，這表示地球自轉(zhuǎn)慢了，這一天不是86400秒，而是86401秒；假如是負閏秒，則把閏秒當天23時59分中的第59秒去掉，去掉后的時序是：…57秒，58秒，0秒，…，這一天是86399秒。最近的一次跳秒日是1999年1月1日。國家授時中心（陜西天文臺）在1998年11月的《時間頻率公報》中通知了這一消息，使BPM、BPL時號用戶周知。國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）如通知跳秒，該通知至少要提前8周發(fā)出。Jobs關(guān)于時間的哲學Yourtimeislimited,sodon'twasteitlivingsomeoneelse'slife.Don'tbetrappedbydogma-whichislivingwiththeresultsofotherpeople'sthinking.Don'tletthenoiseofother'sopinionsdrownoutyourowninnervoice.Andmostimportant,havethecouragetofollowyourheartandintuition.Theysomehowalreadyknowwhatyoutrulywanttobecome.Everythingelseissecondary.

你的時間是有限的，不要奢侈在重復別人的生活上。不要被教條束縛，那意味著會和別人思索的結(jié)果一塊兒生活。不要被其他人的喧囂觀點掩蓋自己內(nèi)心真正的聲音。你的直覺和內(nèi)心知道你想要變成什么樣子。全部其他東西都是次要的。

5.1.3頻率測量方法頻率測量方法模擬法計數(shù)法頻響法比較法電橋法諧振法拍頻法差頻法示波法李沙育圖形法測周期法電容充放電式電子計數(shù)式±1×10-8～±1×10-13量級±1×10-2量級5.2電子計數(shù)法測量頻率5.2.1.電子計數(shù)法測頻原理1.基本原理依據(jù)頻率的定義，若某一信號在T秒時間內(nèi)重復變更了N次，則該信號的頻率為：（5-1）門電路復習：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5.2測頻的原理與門ABT1s…………TNTxC1s重點駕馭2．組成框圖下圖是計數(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

ABCDE1)輸入單元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2)時基（T）電路兩個特點：(1)標準性閘門時間精確度應(yīng)比被測頻率高一數(shù)量級以上，故通常晶振頻率穩(wěn)定度要求達10-6～10-10。（恒溫糟）(2)多值性閘門時間T不確定為1秒，應(yīng)讓用戶依據(jù)測頻精度和速度的不同要求自由選擇。例如（教材p191,圖4-3）1kHz100Hz10Hz1Hz0.1Hz1ms10ms0.1s、1s、10s等。門控（雙穩(wěn)）電路：TT3)計數(shù)顯示電路這部分電路的作用，簡潔地說，就是計數(shù)被測周期信號重復的次數(shù)，顯示被測信號的頻率。它一般由計數(shù)電路、邏輯限制電路、譯碼器和顯示器組成。4)限制電路限制電路的作用是產(chǎn)生各種限制信號，去限制各電路單元的工作，使整機按確定的工作程序完成自動測量的任務(wù)。在限制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計數(shù)器的工作依據(jù)“復零一測量—顯示”的程序自動地進行，其工作流程如圖4.6所示。準備期（復零，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)器的工作流程圖請留意：測頻模式顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了頻率測量的辨別力。例如：閘門時間Ts=1s，若計數(shù)值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門時間Ts=0.1s，則計數(shù)值N=1000，則顯示的fx為“10.00”kHz。5.2.2.測頻模式誤差分析由其次章誤差傳遞公式（2-28，教材p46）可對式求得計數(shù)誤差時基誤差公式推導過程：1.量化誤差——計數(shù)誤差、±1誤差在測頻時，主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關(guān)系是不相關(guān)的，即是說它們在時間軸上的相對位置是隨機的。這樣，既便在相同的主門開啟時間T，計數(shù)器所計得的數(shù)卻不確定相同。可能多1個或少1個的±1誤差，這是頻率量化時帶來的誤差故稱量化誤差，又稱脈沖計數(shù)誤差或±1誤差。ΔN=±1

N=fxT圖4.7量化誤差3467521834675218T(a)(1)(2)黑門進8個脈沖紅門進7個脈沖教材p1942.閘門時間誤差（時基誤差、標準時間誤差）

閘門時間不準，造成主門啟閉時間或長或短，明顯要產(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

為了使標準頻率誤差不對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定度應(yīng)比±1誤差引起的測頻誤差低一個數(shù)量級5.2.3.結(jié)論1.計數(shù)器干脆測頻的誤差主要有兩項即±1誤差和標準頻率誤差一般總誤差可接受分項誤差確定值合成，即（4-5）

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10％，所以，測量低頻時不宜接受干脆測頻方法。5.3電子計數(shù)法測周5.3.1.電子計數(shù)法測量周期的必要性如前所述，當被測頻率fx較低時，利用計數(shù)器干脆測頻的±1誤差所引起的測頻誤差將會達到不行允許的程度。所以可以先測周期Tx，然后計算fx=1/Tx。測量原理是以Tx（被測信號）作為門控信號對時標信號（晶振分頻）進行計數(shù)，基本原理與測頻模式正好相反，本質(zhì)也是比較法。因為fx越低，Tx越大，計數(shù)器計得的數(shù)N越大，±1誤差對測量結(jié)果的影響自然減小。5.3電子計數(shù)法測周5.3.2.電子計數(shù)法測量周期的原理（參見p158圖5-3)t0BC00ttTxTxDE0tTsTsNTxTx由右圖可得5.3.3.電子計數(shù)器測量周期的誤差分析1.量化誤差和基準頻率誤差與分析電子計數(shù)器測頻時的誤差類似，這里

，依據(jù)誤差傳遞公式可得

依據(jù)圖5-3所示的測周原理，可得，而ΔN=±1

多周期測量2.觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差測周時，還有一項觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必需考慮。下圖給出了一個簡潔的狀況，即干擾為一尖峰脈沖Un，UB為施密特電路觸發(fā)電平。可見，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圖轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生與計算aUnΔT1A1A′1αb(b)(a)從圖可得

式中Un——干擾或噪聲幅度。設(shè)被測信號為正弦波

將上式代入，事實上，得式中Um——信號振幅。

同樣，在正弦信號下一個上升沿上(圖中A2點旁邊)也可能存在于擾，即也可能產(chǎn)生觸發(fā)誤差

由于干擾或噪聲都是隨機的，所以

和

都屬于隨機誤差，我們可按

來合成，于是可得

（5-5b）

多周期測量進一步分析可知，多周期測量可以減小轉(zhuǎn)換誤差和±1誤差。我們可以利用下圖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

是相互抵消的，，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4-7中的10Tx和100Tx兩曲線說明這個結(jié)果。

結(jié)論1)用計數(shù)器干脆測周的誤差主要有三項，即量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差以及標準頻率誤差。其合成誤差可按下式計算（將上式中k換成）：（5-6b）2)接受多周期測量可提高測量精確度；3)提高標準頻率，可以提高測周辨別力；4)測量過程中盡可能提高信噪比Vm／Vn。5.3.4中界頻率（補充內(nèi)容）探討量化誤差（±1誤差）對測頻和測周的影響。測頻、測周量化誤差相等的頻率稱為中界頻率。將（4-5）和（4-7）式中量化誤差表達式聯(lián)立可得

式中，

為中界頻率，

為標準頻率，T為閘門時間。

令

則

因

故

圖4.14中給出了不同閘門時間：0.1s、1s、10s和不同標準頻率：10MHz、100MHz、1000MHz三種狀況的交叉曲線。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

宜測頻；

當

，宜測周。

5.4時間間隔的測量（通用計數(shù)器的其他功能）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)被計時標數(shù)時標門控信號輸入C終止輸入B起始（a）組成方框圖（b）工作波形圖2.相位測量相位差的測量，見圖4.16。則

對應(yīng)的相位可以計得圖4.16相位差的測量tφφ··T360ot測相位要求兩信號：同頻同幅3.脈沖時間參數(shù)測量圖4.17脈沖寬度測量模式τ②③④起始脈沖門控信號終至脈沖⑤觸發(fā)器輸出①輸入信號0.5tr0.10.9脈沖上升時間測量模式5.5電子計數(shù)器性能的改進

電子計數(shù)器性能改進的主要內(nèi)容是如何減小測量誤差，尤其是量化誤差；如何提高測時間的辨別力；如何提高測頻的頻率范圍，以至可測量更高波段的頻率。1.接受觸發(fā)窗可以避開較小噪聲波動的誤觸發(fā)一、接受觸發(fā)窗2.觸發(fā)窗的選擇應(yīng)避開噪聲和毛刺二、減小計數(shù)誤差的電路改進措施在干脆計數(shù)器中，為了提高測時辨別力和精度，就必需提高基準時鐘頻率，但是，鐘頻的提高意味著計數(shù)速度的提高，即使接受1GHz鐘頻，測時辨別力也只能達到1ns。因此，必需用其它方法來提高測時辨別力。1內(nèi)插法擴展法用內(nèi)插法測時間的原理，如圖5-15所示。為了測量時間間隔

計數(shù)器實際測量的是

和

等三個參數(shù)，其中

——起始脈沖后的第一個鐘脈沖與終止脈沖后的第一個鐘脈沖之間的時間間隔；

——起始脈沖與第一個鐘脈沖之間的時間間隔；

—一終止脈沖與緊接著到來的鐘脈沖之間的時間間隔。

由圖4.23可知，被測時間間隔

為

時鐘脈沖輸入信號起始終止τxτ0τ1τ2圖5-15內(nèi)插法原理整形、門控起始控制信號C999τ1τ1圖4.24時間放大器原理τ11000τ1起始充放◆例如，擴展器限制的開門時間為的1000倍(k取999)，即： ＋999＝1000在T’1時間內(nèi)對時標計數(shù)得N1，則類似地： ＋999＝1000在T’2時間內(nèi)對時標計數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測量辨別力提高了1000倍。的測量與一般計數(shù)器相同，即累計該時間間隔內(nèi)出現(xiàn)的鐘脈沖數(shù)。兩個“零頭”時間和

接受內(nèi)插法來測量，即先用兩個內(nèi)插器將

和

分別擴展1000倍，然后再在擴展后的時間間隔內(nèi)，對同一鐘脈沖進行計數(shù)，故被測時間間隔

為（按權(quán)相加）

（5-13）

模擬內(nèi)插內(nèi)插方法T-T：時間放大器T-V：時間電壓轉(zhuǎn)換器數(shù)字內(nèi)插：游標法模擬內(nèi)插：T-T：時間放大器2.游標法計數(shù)器——數(shù)字內(nèi)插技術(shù)物理思想：機械游標卡尺數(shù)顯游標卡尺游標法目的是減小計數(shù)誤差。在閘門開啟后立刻開啟游標計數(shù)脈沖，其周期略大于主計數(shù)脈沖周期。兩個脈沖之間間隔漸漸縮小，直至重合。三、倒數(shù)計數(shù)器(p178干脆顯示低頻頻率的電路)5.6調(diào)制域分析5.6.1調(diào)制域測量

1）調(diào)制域測量

2）調(diào)制域測量的意義5.6.2時頻測量原理

1）瞬時頻率測量原理

2）無間隔計數(shù)器的實現(xiàn)3）調(diào)制域分析的應(yīng)用4）發(fā)展動態(tài)5.6.1調(diào)制域測量1）調(diào)制域測量◆時域與頻域分析的局限性 一個實際的信號可以從時域和頻域進行描述和分析，時域分析可以了解信號波形（幅值）隨時間的直觀變更；頻域分析則可以了解信號中所含頻譜重量，但是，卻不能把握各頻譜重量在何時出現(xiàn)?！粽{(diào)制域概念 在通信等領(lǐng)域中，各種困難的調(diào)制信號越來越多地被人們運用，因而，常常須要了解信號頻率隨時間的變更，以便對調(diào)制信號等進行有效分析——即調(diào)制域分析。 調(diào)制域即指由頻率軸(F)和時間軸(T)共同構(gòu)成的平面域?！罢{(diào)制域”是八十年頭末提出的新概念。調(diào)制域為人們觀測信號供應(yīng)了一個新的窗口,一些在時域和頻域無法視察到的現(xiàn)象。圖4.43一個頻率跳變信號的三維波形FVT調(diào)制域頻域時域5.6.1調(diào)制域測量2）調(diào)制域測量的意義

調(diào)制域描繪出了頻率、時間間隔或相位等隨時間的變更曲線。

便利地表達出頻域和時域中難以描述的信號參數(shù)和信號特性。為人們對困難信號的測試和分析供應(yīng)了便利直觀的方法，解決了一些難以用傳統(tǒng)方法或不行能用傳統(tǒng)方法解決的難題。5.6.2時頻測量原理1）調(diào)制域分析儀工作原理（瞬時測頻）留意：實際采樣點只是近似于預置值2）無間隙計數(shù)器（零死區(qū)時間）的實現(xiàn)調(diào)制域分析主要是探討頻率隨時間變更狀況,因此其關(guān)鍵的技術(shù)是要實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)地測量頻率。而通用電子計數(shù)器：準備期（復零，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“死區(qū)”時間,不能連續(xù)不斷地進行測頻5.6.2時頻測量原理2）無間隙計數(shù)器（零死區(qū)時間）的實現(xiàn)◆無間隙計數(shù)器通用計數(shù)