時(shí)間頻率測(cè)量課件

第四章時(shí)間與頻率的測(cè)量4.1 概述4.2 時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn)4.3 頻率和時(shí)間的測(cè)量原理4.4 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.5 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差第四章時(shí)間與頻率的測(cè)量4.1 概述2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量 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?！魷y(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2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量3）測(cè)量方法概述頻率的測(cè)量方法可以分為：模擬法(差頻法、示波器法)；電子計(jì)數(shù)器法．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)。3）測(cè)量方法概述4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1）電子計(jì)數(shù)器的分類(lèi)

通用計(jì)數(shù)器,

頻率計(jì)數(shù)器,

時(shí)間計(jì)數(shù)器,

特種計(jì)數(shù)器.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）。普通晶振穩(wěn)定度為10-5.4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1）電子計(jì)數(shù)器的分類(lèi)4.1.1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。◆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，則頻率可表達(dá)為：f＝N/T◆時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念1）時(shí)間和頻率的定義2）主要技術(shù)指標(biāo)（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(mén)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。2）主要技術(shù)指標(biāo)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?！魷y(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?！衾樱骸裢ǖ溃簝蓚€(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?！駵y(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?！裉幚砉δ埽浩骄?、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。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4.2時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)

4.2.1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?！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)?；谔煳挠^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。

4.2時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)

4.2.1時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)1）2）原子時(shí)標(biāo)◆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。 1967年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)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”。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)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(wàn)年±1秒)，并仍在提高。2）原子時(shí)標(biāo)◆原子時(shí)標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ)4.2.2石英晶體振蕩器

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)。4.2.2石英晶體振蕩器

輸出頻率:1MHz、2.5MHz4.3時(shí)間和頻率的測(cè)量原理4.3.1模擬測(cè)量原理1.直接法 直接法是利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率值.（1）諧振法：調(diào)節(jié)可變電容器C使回路發(fā)生諧振，此時(shí)回路電流達(dá)到最大(高頻電壓表指示)，則

可測(cè)量1500MHz以下的頻率，準(zhǔn)確度±(0.25～1)%。4.3時(shí)間和頻率的測(cè)量原理4.3.1模擬測(cè)量原理

(2)電橋法：利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量,通常采用如下圖所示的文氏電橋來(lái)進(jìn)行測(cè)量。 調(diào)節(jié)R1、R2使電橋達(dá)到平衡，則有

4.3.1模擬測(cè)量原理()(2)電橋法：4.3.1模擬測(cè)量原理()2.比較法◆基本原理利用標(biāo)準(zhǔn)頻率fs和被測(cè)量頻率fx進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率。有外差法、示波法以及計(jì)數(shù)法等。

數(shù)學(xué)模型為：◆外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率混頻，取出差頻并測(cè)量?？蓽y(cè)量范圍達(dá)幾十MHz（外差式頻率計(jì)）?！羰静ǚǎ豪钌秤龍D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)fx＝fs時(shí)顯示為斜線（橢圓或園）；測(cè)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。2.比較法◆基本原理4.3.2數(shù)字測(cè)量原理1）門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理◆時(shí)間、頻率量的特點(diǎn)

頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的，因此，對(duì)頻率量的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。

為實(shí)現(xiàn)時(shí)間（這里指時(shí)間間隔）的數(shù)字化測(cè)量，需將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位（稱(chēng)為時(shí)標(biāo)）進(jìn)行量化，通過(guò)累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)（計(jì)數(shù)）得到。◆測(cè)量原理

將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)（頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào)，時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)），由一個(gè)“閘門(mén)”（主門(mén)）控制，并由一個(gè)“門(mén)控”信號(hào)控制閘門(mén)的開(kāi)啟（計(jì)數(shù)允許）與關(guān)閉（計(jì)數(shù)停止）。4.3.2數(shù)字測(cè)量原理1）門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理1.門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理

閘門(mén)可由一個(gè)與（或“或”）邏輯門(mén)電路實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法稱(chēng)為門(mén)控計(jì)數(shù)法。其原理如下圖所示。 上圖為由“與”邏輯門(mén)作為閘門(mén)，其門(mén)控信號(hào)為‘1’時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟（允許計(jì)數(shù)），為‘0’時(shí)閘門(mén)關(guān)閉（停止計(jì)數(shù)）?！魷y(cè)頻時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間（稱(chēng)為“閘門(mén)時(shí)間”）即為采樣時(shí)間。

測(cè)時(shí)間（間隔）時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。1.門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理

閘門(mén)可由一個(gè)與（或“或”）邏輯門(mén)電2.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：2.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：4.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成

1）A、B輸入通道

2）主門(mén)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4.4.2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4.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.4.1電子計(jì)數(shù)器4.4.1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(mén)功能開(kāi)關(guān)閘門(mén)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(kāi)門(mén)鎖存復(fù)位控制時(shí)序電路波形4.4.1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)2.通用計(jì)數(shù)器的基本組成◆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)。

◆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。2.通用計(jì)數(shù)器的基本組成◆1）A、B輸入通道2）主門(mén)電路◆功能：主門(mén)也稱(chēng)為閘門(mén)，通過(guò)“門(mén)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(mén)時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)?！綦娐罚河伞芭c門(mén)”或“或門(mén)”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“與門(mén)”構(gòu)成的主門(mén)，其“門(mén)控信號(hào)”為‘1’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)；由“或門(mén)”構(gòu)成的主門(mén)，其“門(mén)控信號(hào)”為‘0’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)?！簟伴T(mén)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)。2）主門(mén)電路◆功能：主門(mén)也稱(chēng)為閘門(mén)，通過(guò)“門(mén)控信號(hào)”控制進(jìn)入3）計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能：計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門(mén)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(guò)數(shù)碼顯示器將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。

單片集成與可編程計(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)器顯示器LED、LCD、熒光（VFD）等。顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。如74LS47、CD4511等。專(zhuān)用計(jì)數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。3）計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能：計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門(mén)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（4）時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能：產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門(mén)控信號(hào)”（多檔閘門(mén)時(shí)間可選）及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)（多檔可選）?！魧?shí)現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到。再通過(guò)門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門(mén)控信號(hào)”。

4）時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能：產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門(mén)控信號(hào)”（多檔閘門(mén)時(shí)4.4電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1.頻率測(cè)量

◆原理：計(jì)數(shù)器嚴(yán)格按照的定義實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。 根據(jù)上式的頻率定義，T為采樣時(shí)間，N為T(mén)內(nèi)的周期數(shù)。采樣時(shí)間T預(yù)先由閘門(mén)時(shí)間Ts確定（時(shí)基頻率為fs）。則或 該式表明，在數(shù)字化頻率測(cè)量中，可用計(jì)數(shù)值N表示fx。它體現(xiàn)了數(shù)字化頻率測(cè)量的比較法測(cè)量原理。實(shí)現(xiàn)：輸入信號(hào)經(jīng)整形電路形成計(jì)數(shù)的窄脈沖；內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)作為門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)電路的開(kāi)門(mén)信號(hào)；在開(kāi)門(mén)時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)．4.4電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1.頻率測(cè)量 1.頻率測(cè)量原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基）例如：閘門(mén)時(shí)間Ts=1s，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門(mén)時(shí)間Ts=0.1s，則計(jì)數(shù)值N=1000，則顯示的fx為“10.00”kHz。計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,并通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，就可得到被測(cè)頻率。測(cè)量速度與分辨力：閘門(mén)時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，Ts愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值N愈大，分辨力愈高。分辨力：可分辨最小頻率變化能力。TB放大、整形閘門(mén)門(mén)控電路計(jì)數(shù)顯示Afx分頻電路時(shí)基TsBDCABCD1.頻率測(cè)量原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基1.頻率測(cè)量原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基）例如：閘門(mén)時(shí)間Ts=1s，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門(mén)時(shí)間Ts=0.1s，則計(jì)數(shù)值N=1000，則顯示的fx為“10.00”kHz。計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,并通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，就可得到被測(cè)頻率。測(cè)量速度與分辨力：閘門(mén)時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，Ts愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值N愈大，分辨力愈高。TB放大、整形閘門(mén)門(mén)控電路計(jì)數(shù)顯示Afx分頻電路時(shí)基TsBDCABCD1.頻率測(cè)量原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2.頻率比的測(cè)量◆原理：實(shí)際上，前述頻率測(cè)量的比較測(cè)量原理就是一種頻率比的測(cè)量：fx對(duì)fs的頻率比。 據(jù)此，若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比（假設(shè)fA>fB），只要用fB的周期TB作為閘門(mén)，在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可。◆方法：fA對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。

4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2.頻率比的測(cè)量◆注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。◆提高頻率比的測(cè)量精度： 擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。

例如：以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門(mén)信號(hào)，則計(jì)數(shù)值為：,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍，相應(yīng)的測(cè)量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果，需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍（小數(shù)點(diǎn)左移1位），即◆應(yīng)用：可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。2.頻率比的測(cè)量◆注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。2.◆原理：“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”周期測(cè)量。 對(duì)被測(cè)周期Tx，用已知的較小單位時(shí)間刻度T0（“時(shí)標(biāo)”）去量化，由Tx所包含的“時(shí)標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。即 該式表明，“時(shí)標(biāo)”的計(jì)數(shù)值N可表示周期Tx。也體現(xiàn)了時(shí)間間隔（周期）的比較測(cè)量原理。◆實(shí)現(xiàn)：由Tx得到閘門(mén)；在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。 ——Tx由B通道輸入，內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)由A通道輸入（A通道外部輸入斷開(kāi)）。3.周期的測(cè)量◆原理：“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”周期測(cè)量。3.周期的測(cè)量◆原理框圖：◆例如：時(shí)標(biāo)T0=1us，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的Tx為“10000”us，或“10.000”ms。如時(shí)標(biāo)T0=10us，則計(jì)數(shù)值N=1000，顯示的Tx為“10.00”ms。請(qǐng)注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了周期測(cè)量的分辨力（應(yīng)等于時(shí)標(biāo)T0）。為便于顯示，多檔時(shí)標(biāo)設(shè)定為10的冪次方?！魷y(cè)量速度與分辨力：一次測(cè)量時(shí)間即為一個(gè)周期Tx，Tx愈大(頻率愈低)則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)；計(jì)數(shù)值N與時(shí)標(biāo)有關(guān)，時(shí)標(biāo)愈小分辨力愈高。3.周期的測(cè)量◆原理框圖：3.周期的測(cè)量◆時(shí)間間隔：指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間段。在測(cè)量技術(shù)中，兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)通常由兩個(gè)事件確定。如，一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)同相位點(diǎn)（如過(guò)零點(diǎn)）所確定的時(shí)間間隔即為周期。◆兩個(gè)事件的例子及測(cè)量參數(shù)還有：

同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間脈沖信號(hào)參數(shù)； 兩個(gè)信號(hào)波形上，兩點(diǎn)之間相位差的測(cè)量； 手動(dòng)觸發(fā)定時(shí)、累加計(jì)數(shù)。◆

測(cè)量方法：由兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終止信號(hào)，經(jīng)過(guò)門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門(mén)控信號(hào)”，門(mén)控時(shí)間即為被測(cè)的時(shí)間間隔。在門(mén)控時(shí)間內(nèi)，仍采用“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)”方法測(cè)量（即所測(cè)時(shí)間間隔由“時(shí)標(biāo)”量化）。 4.時(shí)間間隔的測(cè)量

◆時(shí)間間隔：指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間段。在測(cè)量技術(shù)中，兩個(gè)時(shí)刻4.時(shí)間間隔的測(cè)量原理框圖 欲測(cè)量時(shí)間間隔的起始、終止信號(hào)分別由B、C通道輸入。時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。如下圖。4.時(shí)間間隔的測(cè)量原理框圖◆

觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)：為增加測(cè)量的靈活性，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)，以完成各種時(shí)間間隔的測(cè)量。如下圖的脈沖參數(shù)測(cè)量。VBVc起始停止開(kāi)門(mén)時(shí)間C＋(50%)B＋(50%)起始停止開(kāi)門(mén)時(shí)間VBVcB＋(50%)C-(50%)(50%)－B+(50%)

C+(50%)

－(50%)

C＋(90%)閘門(mén)信號(hào)關(guān)門(mén)信號(hào)開(kāi)門(mén)信號(hào)B＋(10%)4.時(shí)間間隔的測(cè)量◆觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)：為增加測(cè)量的靈活性，B、C輸4.時(shí)間間隔的測(cè)量相位差的測(cè)量利用時(shí)間間隔的測(cè)量，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率的信號(hào)之間的相位差。兩個(gè)信號(hào)分別由B、C通道輸入，并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。測(cè)量原理如下圖：為減小測(cè)量誤差，分別取 +、-觸發(fā)極性作兩次測(cè)量， 得到t1、t2再取平均，則4.時(shí)間間隔的測(cè)量相位差的測(cè)量5.自檢（自校）◆功能：檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常?！魧?shí)現(xiàn)方法：為判斷自檢結(jié)果是否正確，該結(jié)果應(yīng)該在自檢實(shí)施前即是已知的。為此，用機(jī)內(nèi)的時(shí)基Ts（閘門(mén)信號(hào)）對(duì)時(shí)標(biāo)T0計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為：閘門(mén)信號(hào)和被計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自同一信號(hào)源,在理上不存在±1量化誤差論5.自檢（自校）◆功能：檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常。4.5電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源

1）量化誤差；2）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析 1）誤差表達(dá)式；2）量化誤差的影響；

3）實(shí)例分析4.5.3周期測(cè)量的誤差分析

1）誤差表達(dá)式；2）量化誤差的影響；

4.5電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1）量化誤差◆什么是量化誤差：由前述頻率測(cè)量fx=N/Ts=Nfs和周期測(cè)量Tx=NT0，可見(jiàn)，由于計(jì)數(shù)值N為整數(shù)，fx和Tx必然產(chǎn)生“截?cái)嗾`差”，該誤差即為“量化誤差”。也稱(chēng)為“±1誤差”，它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差。◆產(chǎn)生原因：量化誤差并非由于計(jì)數(shù)值N的不準(zhǔn)確（也并非標(biāo)準(zhǔn)頻率源fs或時(shí)標(biāo)T0的不準(zhǔn)確）造成。而是由于閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步引起（亦即開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻是隨機(jī)的），使得在閘門(mén)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差。◆下圖為頻率測(cè)量時(shí)量化誤差的示意圖。4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1）量化誤差1）量化誤差如圖，對(duì)同一被測(cè)信號(hào)，在相同的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)果不同。即

當(dāng)△t1=△t2時(shí)，△N=0，否則△N=±1因此，量化誤差的影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值N的“±”個(gè)字?！羰请S機(jī)的，它們服從均勻分布，其差值 則服從三角分布。1）量化誤差如圖，對(duì)同一被測(cè)信號(hào)，在相同的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源2）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 機(jī)內(nèi)時(shí)基（閘門(mén)時(shí)間）和時(shí)標(biāo)是頻率和時(shí)間間隔測(cè)量的參考基準(zhǔn)，它們由內(nèi)部晶體振蕩器（標(biāo)準(zhǔn)頻率源）分頻或倍頻后產(chǎn)生。因此，其準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響測(cè)量結(jié)果。

通常，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此，內(nèi)部晶振要求較高穩(wěn)定性。若不能滿(mǎn)足測(cè)量要求，還可外接更高準(zhǔn)確度的外部基準(zhǔn)源。4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源2）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析1）誤差表達(dá)式◆由頻率測(cè)量表達(dá)式：fx=N/Ts=Nfs，計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要由兩項(xiàng)組成：即量化誤差（±1誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差?？傉`差采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即:

式中，

即為±1誤差，其最大值為,而 由于fs由晶振(fc)分頻得到，設(shè)fs=fc/k，則 于是，頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式可寫(xiě)成：4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析1）誤差表達(dá)式4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析2）量化誤差的影響◆從頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式： 可知，量化誤差為 它是頻率測(cè)量的主要誤差（標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般可忽略）。

為減小量化誤差，需增大計(jì)數(shù)值N：增大閘門(mén)時(shí)間Ts或在相同的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)測(cè)量較高的頻率可得到較大的N?！舻枳⒁猓涸龃箝l門(mén)時(shí)間將降低測(cè)量速度，并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無(wú)法顯示）。

4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析2）量化誤差的影響4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析3）實(shí)例分析[例]被測(cè)頻率fx＝1MHz，選擇閘門(mén)時(shí)間Ts＝1s，則由±1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差(不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)為：

若Ts增加為10s，則計(jì)數(shù)值增加10倍，相應(yīng)的測(cè)頻誤差也降低10倍，為±1×10－7，但測(cè)量時(shí)間將延長(zhǎng)10倍。注意：該例中，當(dāng)選擇閘門(mén)時(shí)間Ts＝1s時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于±1×10－7（即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級(jí)），否則，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測(cè)量誤差中不能忽略。4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析3）實(shí)例分析4.5.3周期測(cè)量的誤差分析1)誤差表達(dá)式◆由測(cè)周的基本表達(dá)式：

根據(jù)誤差合成公式，可得：

式中，和分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。由(Tc為晶振周期，k為倍頻或分頻比)，

而計(jì)數(shù)值N為：

所以，4.5.3周期測(cè)量的誤差分析1)誤差表達(dá)式4.5.3周期測(cè)量的誤差分析2）量化誤差的影響◆由測(cè)周的誤差表達(dá)式：

其中，第一項(xiàng)即為量化誤差。它表示Tx愈大（被測(cè)信號(hào)的頻率愈低），則量化誤差愈小，其意義為T(mén)x愈大則計(jì)入的時(shí)標(biāo)周期數(shù)N愈大。另外，晶振的分頻系數(shù)k愈小，則時(shí)標(biāo)周期愈小，在相同的Tx內(nèi)計(jì)數(shù)值愈大。 此外，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通常也要求小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)，這時(shí)就可作為微小誤差不予考慮?！魹闇p小量化誤差，應(yīng)增加計(jì)數(shù)值N，但也需注意不可使其溢出。

例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999,當(dāng)用T0=1us的時(shí)標(biāo)測(cè)量Tx=10s(fx=0.1Hz)時(shí),應(yīng)顯示“10000000”us或“10.000000”s,顯然溢出。4.5.3周期測(cè)量的誤差分析2）量化誤差的影響4.5.3周期測(cè)量的誤差分析3）中界頻率◆測(cè)頻時(shí)，被測(cè)頻率fx愈低，則量化誤差愈大；測(cè)周時(shí)，被測(cè)頻率fx愈高，則量化誤差愈大。 可見(jiàn)，在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率fm， 當(dāng)fx>fm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)fx<fm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)周方案?！糁薪珙l率fm的確定:測(cè)頻時(shí)的量化誤差fs/fx和測(cè)周時(shí)量化誤差T0/Tx相等時(shí),中界頻率為

例：若Ts=1s,T0=1us，則fm=1kHz,在該頻率上,測(cè)頻與測(cè)周的量化誤差相等。其中,測(cè)頻時(shí)選用的的頻標(biāo)信號(hào)頻率(閘門(mén)時(shí)間的倒數(shù))測(cè)周時(shí)選用的頻標(biāo)信號(hào)頻率(時(shí)標(biāo)的倒數(shù))4.5.3周期測(cè)量的誤差分析3）中界頻率其中,測(cè)頻時(shí)選用的4.5.3周期測(cè)量的誤差分析4）觸發(fā)誤差◆頻率測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 ●尖峰脈沖的干擾 如圖，尖峰脈沖只 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變， 對(duì)測(cè)頻影響不大。

●高頻疊加干擾

如圖，產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。 ●措施

增大觸發(fā)窗或減小信號(hào)幅度；

輸入濾波。多周期測(cè)量可減小觸發(fā)誤差觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。

4.5.3周期測(cè)量的誤差分析4）觸發(fā)誤差4.6多周期同步測(cè)量技術(shù)倒數(shù)計(jì)數(shù)器◆如前述，對(duì)低頻信號(hào)，為減小量化誤差，宜采用測(cè)周方案。但測(cè)周時(shí)不能直接得到頻率值的顯示結(jié)果，為得到頻率值顯示，硬件上采用了一種特殊設(shè)計(jì)——即倒數(shù)計(jì)數(shù)器?！粼恚菏紫劝礈y(cè)周模式，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，再設(shè)法將1/N予以顯示。思路：設(shè)測(cè)周的時(shí)標(biāo)來(lái)自 晶振(Tc)，測(cè)頻的閘門(mén) 為T(mén)s=10nTc，則測(cè)頻時(shí) 計(jì)數(shù)值 式中，N為測(cè)周時(shí)的計(jì)數(shù)值。4.6多周期同步測(cè)量技術(shù)倒數(shù)計(jì)數(shù)器倒數(shù)計(jì)數(shù)器 式表明，實(shí)現(xiàn)：首先對(duì)被測(cè)信號(hào)測(cè)周，得計(jì)數(shù)值N，再在10nTc閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)(晶振的N分頻)計(jì)數(shù)，即得計(jì)數(shù)值Nf?！粼韴D

圖中計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2分別工作在測(cè)周和測(cè)頻模式。預(yù)定標(biāo)器(由加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成)起著分頻器作用。主門(mén)2的閘門(mén)和輸入計(jì)數(shù)脈沖同步。測(cè)周測(cè)頻倒數(shù)計(jì)數(shù)器 式4.7微波頻率測(cè)量技術(shù)

通用電子計(jì)數(shù)器受內(nèi)部計(jì)數(shù)器等電路的工作速度的限制，對(duì)輸入信號(hào)直接計(jì)數(shù)存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。 對(duì)于幾十GHz的微波計(jì)數(shù)器，主要采用變頻法和置換法將輸入微波頻率信號(hào)變換成可直接計(jì)數(shù)的中頻。變頻法變頻法原理 變頻法（或稱(chēng)外差法）是將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號(hào)，再由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)?！糇冾l法的原理框圖如下。

4.7微波頻率測(cè)量技術(shù) 通用電子計(jì)數(shù)器受內(nèi)部計(jì)數(shù)器等電路

電子計(jì)數(shù)器主機(jī)內(nèi)送出的標(biāo)準(zhǔn)頻率fs，經(jīng)過(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生高次諧波，再由諧波濾波器選出所需的諧波分量Nfs，它與被測(cè)信號(hào)fx混頻出差頻fI。若由電子計(jì)數(shù)器測(cè)出fI，則被測(cè)頻率fx為

：為適應(yīng)fx的變化，諧波濾波器應(yīng)能夠選出合適的諧波分量Nfs。混頻器差頻放大器電子計(jì)數(shù)器諧波濾波器諧波發(fā)生器輸入fxfIfs變頻法 混頻器差頻放大器電子計(jì)數(shù)器諧波濾波器諧波發(fā)生器輸入fIfs4.8頻率穩(wěn)定度測(cè)量4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征

1）頻率穩(wěn)定度

2）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征3）短期頻率穩(wěn)定度的表征4.8.2頻率穩(wěn)定度的測(cè)量4.8頻率穩(wěn)定度測(cè)量4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征4.8.24.8.1頻率穩(wěn)定度的表征電子計(jì)數(shù)器基于比較測(cè)量法原理，其時(shí)間、頻率的參考標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)部晶體振蕩器。晶體振蕩器存在老化與漂移，因此，需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)（微調(diào)）。校準(zhǔn)方法為將晶體振蕩器輸出作為被測(cè)信號(hào)，用上一級(jí)更準(zhǔn)確的頻率標(biāo)準(zhǔn)為參考，進(jìn)行測(cè)量——稱(chēng)為“頻率計(jì)量”。測(cè)量的主要內(nèi)容為“頻率穩(wěn)定度”。1）頻率穩(wěn)定度◆頻率準(zhǔn)確度 頻率源輸出的實(shí)際頻率值fx對(duì)其標(biāo)稱(chēng)值f0的相對(duì)頻率偏差。即：4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征電子計(jì)數(shù)器基于比較測(cè)量法原理，其1）頻率穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化即為頻率穩(wěn)定度。它表征頻率源維持其工作于恒定頻率上的能力?！?/p>

長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度對(duì)頻率穩(wěn)定度的描述引入時(shí)間概念，即在一定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，則有長(zhǎng)期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度。長(zhǎng)期——年、月、日；短期——秒級(jí)。2）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征長(zhǎng)期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。1）頻率穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化即為頻率穩(wěn)定度。它表征頻4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的預(yù)熱后，其頻率的老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性(增加或減少)。日老化率對(duì)石英振蕩器，通常用一天內(nèi)的頻率平均漂移作為長(zhǎng)期穩(wěn)定度的表征，叫做“日老化率”。日老化率的測(cè)量

顯然，每天的“日老化率”會(huì)有所變化，實(shí)際中連續(xù)測(cè)一周或一個(gè)月。設(shè)每天測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，共測(cè)n天，利用最小二乘法擬合得到老化曲線,則其斜率(估計(jì)值)相對(duì)f0比值即為日老化率。日波動(dòng)晶體振蕩器除老化漂移外，一天內(nèi)還將產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏，日波動(dòng)綜合表征了老化漂移和隨機(jī)起伏。4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過(guò)足夠4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征3）短期頻率穩(wěn)定度的表征◆相對(duì)頻率起伏 根據(jù)頻率準(zhǔn)確度定義：

式中fx由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相，fx應(yīng)為時(shí)間t的函數(shù)，則頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均為時(shí)間t的函數(shù)。瞬時(shí)頻率可表示為： 相對(duì)頻率起伏為：

為瞬時(shí)相位（起伏變化）。4.8.1頻率穩(wěn)定度的表征3）短期頻率穩(wěn)定度的表征4.8.2頻率穩(wěn)定度的測(cè)量1.相對(duì)頻率起伏為隨機(jī)變量，因此可用其取樣方差來(lái)表示。標(biāo)準(zhǔn)偏差：由于 即，相對(duì)頻率起伏的標(biāo)準(zhǔn)偏差等于f(t)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。對(duì)f(t)作有限次（n次）測(cè)量，得到f1、f2、…、fn，用貝塞爾公式計(jì)算其估計(jì)值。平均值為：

注意：各次測(cè)量值f1、f2、…、fn為取樣時(shí)間（閘門(mén)時(shí)間）內(nèi)的平均。

的意義：f1、f2、…、fn圍繞的起伏變化。4.8.2頻率穩(wěn)定度的測(cè)量1.相對(duì)頻率起伏4.8.2頻率穩(wěn)定度的測(cè)量2.阿侖方差：當(dāng)存在閃爍相位噪聲（低頻噪聲即1/f噪聲）時(shí)，上述標(biāo)準(zhǔn)偏差將發(fā)散，為此，采用阿侖方差。阿侖方差定義為：

式中，fi’和fi為相鄰（無(wú)間隙）兩次測(cè)量值，并將其作為一組，共進(jìn)行m組測(cè)量得到2m個(gè)數(shù)據(jù)。阿侖方差的意義：描述了相鄰兩次頻率值的起伏變化。1/f噪聲在相鄰兩次測(cè)量中無(wú)影響。秒級(jí)穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時(shí)間1s，組數(shù)100。4.8.2頻率穩(wěn)定度的測(cè)量2.阿侖方差：當(dāng)存在閃爍相位4.9