電子測量技術(shù)第4章

時(shí)間頻率測量及

調(diào)制域分析第4章2第4章時(shí)間頻率測量及調(diào)制域分析4.1時(shí)間頻率測量4.2電子計(jì)數(shù)器4.3電子計(jì)數(shù)器測量誤差分析4.4電子計(jì)數(shù)器性能的改進(jìn)4.5調(diào)制域測量4.1時(shí)間頻率測量44.1.1時(shí)間和頻率的基本概念時(shí)間是國際單位制中七個(gè)基本物理量之一,它的基本單位是秒(s)。時(shí)間有兩種含義：時(shí)刻：回答某事件或現(xiàn)象何時(shí)發(fā)生t1間隔：兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔,回答某事件或現(xiàn)象持續(xù)多久“時(shí)刻”“間隔”二者測量方法是不同的。tU0t1t2t3t4T5時(shí)頻關(guān)系頻率標(biāo)準(zhǔn)←→時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)頻率是時(shí)間的導(dǎo)出量，在法定計(jì)量單位中，是具有專門名稱的導(dǎo)出量。頻率表征在1秒的時(shí)間間隔內(nèi)，周期現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)，出現(xiàn)1次，稱為1Hz。在時(shí)間t內(nèi)，周期現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)n次時(shí)，則頻率定義為f=n/t(Hz)。時(shí)間準(zhǔn)確度取決于頻率準(zhǔn)確度,其標(biāo)準(zhǔn)相同整個(gè)電磁頻譜有各種各樣的劃分方式。在微波技術(shù)中，通常按波長劃分為米、分米、厘米、毫米、亞毫米波。在無線電廣播中，則劃分為長、中、短三個(gè)波段。在電視中，把48.5~223MHz按每頻道占據(jù)8MHz范圍帶寬劃分為1~12頻道?？傊?，頻率的劃分完全是根據(jù)各部門、各學(xué)科的需要來劃分的。在電子測量技術(shù)中，常以100kHz為界，以下稱低頻測量，以上稱高頻測量。時(shí)頻關(guān)系時(shí)頻關(guān)系84.1.2時(shí)間頻率基準(zhǔn)

UT：以地球自轉(zhuǎn)周期為標(biāo)準(zhǔn)測定的時(shí)間UT0(零類世界時(shí))：直接通過天文觀察求得的時(shí)間秒1秒=地球自轉(zhuǎn)周期1/84600準(zhǔn)確度10-6UT1(第一類世界時(shí))：地球自轉(zhuǎn)受極運(yùn)動(dòng)的影響,校正了這個(gè)偏差而得到世界時(shí)UT2(第二類世界時(shí))：再把地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性、年度性的變化校正后的世界時(shí)準(zhǔn)確度3×10-8

ET(歷書時(shí))：1900回歸年(太陽連續(xù)兩次經(jīng)過春分點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間)長度的1／31556925.9747為1s。準(zhǔn)確度1×10-9

9時(shí)間頻率基準(zhǔn)

近來引進(jìn)了微觀計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn),這就是利用原子或分子內(nèi)部能級(jí)躍遷所輻射或吸收的電磁波的頻率為基準(zhǔn)來計(jì)量時(shí)間。1967年10月13屆國際計(jì)量大會(huì)正式通過了秒的定義AT(原子時(shí))：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能極之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間”。準(zhǔn)確度10-13

~10-1410時(shí)間頻率基準(zhǔn)

世界時(shí)和原子時(shí)之間互有聯(lián)系,可以精確運(yùn)算，但不能彼此取代,各有各的用處。原子時(shí)：只能提供準(zhǔn)確的時(shí)間間隔世界時(shí)：考慮了時(shí)刻和時(shí)間間隔。目前國際上已應(yīng)用經(jīng)過原子標(biāo)準(zhǔn)修正過的時(shí)間來發(fā)送標(biāo)準(zhǔn),用原子時(shí)來對(duì)天文時(shí)進(jìn)行修正。UTC(協(xié)調(diào)世界時(shí))：以原子秒定義為秒長,但通過閏秒方法使其時(shí)刻與世界時(shí)UT1接近的時(shí)間尺度。

協(xié)調(diào)世界時(shí)是原子時(shí)和世界時(shí)UT1的一種折衷產(chǎn)物。

11頻率標(biāo)準(zhǔn)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(原子頻標(biāo))一級(jí)

原子頻標(biāo)有許多種,高標(biāo)準(zhǔn)的頻率標(biāo)準(zhǔn)源大多采用銫束原子頻標(biāo),它的穩(wěn)定性、制作重復(fù)性較好。原子頻標(biāo)的準(zhǔn)確度可達(dá)10-13。高精度石英晶體振蕩器二級(jí)石英有很高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,它的振蕩頻率受外界因素的影響小,因而比較穩(wěn)定,頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-10。時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和頻率標(biāo)準(zhǔn)具有同一性。12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(簡稱“晶振”)為基準(zhǔn)信號(hào)源。晶體振蕩器基于壓電效應(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(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。13標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻的傳遞

本地比較法：用戶把自己要核準(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,然后通過中間測試設(shè)備進(jìn)行比對(duì)。14標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻的傳遞

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)時(shí)頻信號(hào),并與自己的裝置進(jìn)行比對(duì)測量。用標(biāo)準(zhǔn)電磁波傳送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻,是時(shí)頻量值傳遞與其他物理量傳遞方法顯著不同的地方,它極大地?cái)U(kuò)大了時(shí)頻精確測量的范圍,大大提高了遠(yuǎn)距離時(shí)頻的精確測量水平。154.1.3時(shí)間頻率測量的特點(diǎn)和方法測量精度高頻率(時(shí)間)測量所達(dá)到的分辨率和準(zhǔn)確度是最高的10-14測量范圍廣0.01Hz以下~1012Hz以上，都可以做到高精度的測量頻率(時(shí)間)的測量具有動(dòng)態(tài)性質(zhì),即時(shí)間頻率總在改變著。必須依靠信號(hào)源和鐘的穩(wěn)定性,期望后一周期是前一周期的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)信號(hào)可以通過電磁波傳播,擴(kuò)大了時(shí)間頻率的比對(duì)和測量范圍如GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)全球范圍最高準(zhǔn)確度的時(shí)頻比對(duì)和測量16頻率測量方法模擬法直讀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計(jì)數(shù)法電容充放電式電子計(jì)式17頻率測量方法概述由于頻率是時(shí)間的倒數(shù),時(shí)間和頻率共用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源,并由頻率導(dǎo)出時(shí)間,所以在實(shí)際中往往更多的討論頻率測量。直接利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來測量頻率電橋法和諧振法18頻率測量方法概述利用標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率進(jìn)行比較來測量頻率拍頻法、外差法、示波器法以及計(jì)數(shù)器測頻由于數(shù)字電路的發(fā)展和數(shù)字集成電路的普及,利用電子計(jì)數(shù)器測量時(shí)間和頻率具有精度高,使用方便,迅速以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化等一系列突出優(yōu)點(diǎn),成為近代頻率測量的重要手段。4.2電子計(jì)數(shù)器204.2.1

電子計(jì)數(shù)器的功能與組成計(jì)數(shù)器通常具有三種主要功能累計(jì)計(jì)數(shù)—對(duì)輸入信號(hào)連續(xù)地計(jì)數(shù)頻率測量—在確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)計(jì)數(shù)

時(shí)間測量—對(duì)周期準(zhǔn)確的時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)在三種主要功能的基礎(chǔ)上,可擴(kuò)展多種功能測脈沖寬度測時(shí)間差測相位測頻率比自檢21電子計(jì)數(shù)器的基本原理電子計(jì)數(shù)器的基本原理是基于比較法進(jìn)行測量根據(jù)頻率(時(shí)間)的A/D轉(zhuǎn)換原理來構(gòu)成一個(gè)數(shù)字儀器,應(yīng)包含：實(shí)現(xiàn)量化的比較電路——主門被轉(zhuǎn)換量的輸入電路量化單位fc(Tc)的產(chǎn)生電路轉(zhuǎn)換結(jié)果N的計(jì)數(shù)與顯示電路控制電路22主門主門也稱為閘門功能通過“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。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?！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)。23輸入通道組成它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)(包括觸發(fā)電平調(diào)節(jié))等單元電路構(gòu)成作用對(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)。輸入電路工作波形圖ust0放大ttt000整形微分A輸入(T0或Fx)24輸入通道通道組合可完成不同的測量功能：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)；被測信號(hào)(Tx)等；25時(shí)基產(chǎn)生電路功能：產(chǎn)生測頻時(shí)的“門控信號(hào)”(多檔閘門時(shí)間可選)及時(shí)間測量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)(多檔可選)。實(shí)現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器(也可外接),通過倍頻或分頻得到。26時(shí)基產(chǎn)生電路要求：標(biāo)準(zhǔn)性:“門控信號(hào)”和“時(shí)標(biāo)”作為計(jì)數(shù)器頻率和時(shí)間測量的本地工作基準(zhǔn),應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。多值性：為了適應(yīng)計(jì)數(shù)器較寬的測量范圍,要求“閘門時(shí)間”和“時(shí)標(biāo)”可多檔選擇。27控制電路功能：產(chǎn)生各種控制信號(hào),控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作使整機(jī)按“復(fù)零－測量－顯示”的工作程序完成自動(dòng)測量的任務(wù)。電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖準(zhǔn)備期復(fù)零，等待測量期開門，計(jì)數(shù)顯示期關(guān)門,停止計(jì)數(shù)28計(jì)數(shù)與顯示電路計(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)值代表了被測頻率或時(shí)間),并通過數(shù)碼顯示器將測量結(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29計(jì)數(shù)與顯示電路計(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。顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。304.2.2.電子計(jì)數(shù)器測量頻率和周期根據(jù)頻率的定義,若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次,則該信號(hào)的頻率為：門電路復(fù)習(xí)：

與門A1/0B1/0C1/0同理“或”門、與非、或非門等也有類似功能。A0011B0101C000131電子計(jì)數(shù)器測量頻率計(jì)數(shù)控制閘門可由門電路或模擬開關(guān)構(gòu)成,由于其開啟時(shí)間為T,所以稱為“閘門時(shí)間”。閘門時(shí)間通常以秒為單位,一般有10s,1s,0.1s,0.01s等幾種,為了獲得較多的測量位數(shù)及測量精度,較長的閘門時(shí)間一般用來測量較低的頻率32電子計(jì)數(shù)器測量頻率由于計(jì)數(shù)器的位數(shù)總是有限的,對(duì)于較高頻率,則應(yīng)選用較小的閘門時(shí)間,以免使測量數(shù)據(jù)溢出當(dāng)被測信號(hào)的頻率太低時(shí),閘門時(shí)間(測量時(shí)間)將會(huì)長到測量者無法忍受的程度。例如,測量1Hz左右的信號(hào)頻率,位數(shù)需達(dá)到6位,則閘門時(shí)間至少應(yīng)為105s(約1個(gè)月),這顯然是不可行的33電子計(jì)數(shù)器測周基本原理對(duì)于較低頻率信號(hào)宜采取先測量其周期T,然后再根據(jù)fx=1/Tx

的關(guān)系求得其頻率電子計(jì)數(shù)器測量周期的原理34脈沖的寬度的測量將測周原理中門控電路稍加改變,可測量多種時(shí)間下圖為脈沖寬度測量的原理圖。它既可測正脈沖寬度,又可測負(fù)脈沖寬度。輸入的被測信號(hào)首先進(jìn)入整形電路,該電路除將被測信號(hào)整形為陡峭方波外,還通過倒相輸出一對(duì)極性相反的信號(hào),即圖(b)中a,b點(diǎn)的信號(hào)。

35時(shí)間間隔的測量周期的測量,本質(zhì)上也是時(shí)間間隔的測量測量一個(gè)周期信號(hào)波形上兩相鄰?fù)辔稽c(diǎn)之間的時(shí)間間隔。我們還可把它擴(kuò)展到同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間的時(shí)間間隔的測量。36時(shí)間間隔的測量37時(shí)間間隔的測量時(shí)間間隔的測量有兩種工作方式：S斷開,兩個(gè)通道是完全獨(dú)立的,來自兩個(gè)信號(hào)源的信號(hào)控制計(jì)數(shù)器工作；用于測量兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差兩個(gè)獨(dú)立的輸入通道(B、C)可分別設(shè)置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性(觸發(fā)沿)B為起始通道,用來開啟主門C的信號(hào)為計(jì)數(shù)器的終止信號(hào)38時(shí)間間隔的測量S閉合,兩個(gè)輸入端并聯(lián),僅一個(gè)信號(hào)加到計(jì)數(shù)器,但可獨(dú)立地選擇觸發(fā)電平和觸發(fā)極性,以完成起始和終止功能。用于測量一個(gè)信號(hào)任意兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔。39相位的測量相位的測量實(shí)際是指兩個(gè)同頻周期性信號(hào)的相位差的測量先將S閉合，選擇相同極性，測出一路信號(hào)周期T。再將S斷開，分別輸入兩路被測信號(hào)，選擇相同極性觸發(fā)，測出兩路信號(hào)相同邊沿穿過觸發(fā)電平的時(shí)間差Tx相位差的測量tφφ··T360ot40測量頻率比頻率比f1／f2是加于A、B兩路的信號(hào)源的頻率比值自檢41實(shí)際原理框圖：

42累計(jì)計(jì)數(shù)累計(jì)計(jì)數(shù)——對(duì)輸入信號(hào)連續(xù)地計(jì)數(shù)傳送帶上的成品計(jì)數(shù)剪票口、百貨商店、展覽會(huì)的入場人數(shù)統(tǒng)計(jì)行人、自行車、船舶等交通量的測量電線、鋼板之類物體的長度測量距離測量流量測量重量測量液面位置測量傳送帶上的物品43頻率測量頻率測量——在確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)計(jì)數(shù)頻率測量(RC振蕩器、信號(hào)發(fā)生器等)轉(zhuǎn)速測量(內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、滾筒)機(jī)械振動(dòng)流量測量產(chǎn)速率測量44時(shí)間測量時(shí)間測量——對(duì)周期準(zhǔn)確的時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)

快門時(shí)間測量繼電器動(dòng)作時(shí)間測量體育運(yùn)動(dòng)比賽的計(jì)時(shí)速度測量（汽車或火車等運(yùn)動(dòng)中的物體、飛行中的物體、墜落的物體、流體）水位、距離測量粘度、力矩、功率的測量相位差測量化學(xué)試劑反應(yīng)時(shí)間的測量電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用45距離的計(jì)數(shù)測量用計(jì)數(shù)法測量子彈的飛行速度46電子自動(dòng)裁判裝置的顯示精度雖然不超過百分之一秒,但是它能夠鑒別五千分之一秒的時(shí)間差,能夠極精確地判斷到達(dá)終點(diǎn)的先后次序,能夠清楚地區(qū)別出利用攝影技術(shù)也很難鑒別的時(shí)間差。電子裁判4.3電子計(jì)數(shù)器

測量誤差分析計(jì)數(shù)誤差測頻時(shí),主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的,即它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的計(jì)數(shù)器值NT通常不是Tx

的整數(shù)倍頻率量化時(shí)帶來的誤差稱量化誤差,又稱脈沖計(jì)數(shù)誤差或±1誤差。49量化誤差量化誤差：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(量化)時(shí)所產(chǎn)生的誤差數(shù)字化儀器所特有的誤差。計(jì)數(shù)法的最大量化誤差為末尾±1字?！?誤差的大小與門控時(shí)間T有關(guān),T越大,±1誤差越小?！?誤差往往是測量誤差的主要部分。50時(shí)基誤差閘門時(shí)間不準(zhǔn),造成主門啟閉時(shí)間或長或短,顯然要產(chǎn)生測頻誤差。閘門信號(hào)T是由晶振信號(hào)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(zhǔn)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(jì)51測頻誤差計(jì)數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項(xiàng)±1誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成,即被測頻率fx越高,閘門時(shí)間T越大,測頻的相對(duì)誤差Δfx/fx越小,即測頻的精確度越高。52測頻誤差53電子計(jì)數(shù)器測周誤差分析量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差與分析電子計(jì)數(shù)器測頻時(shí)的誤差類似,這里5455噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差被測信號(hào)脈沖的形成通常采用施密特觸發(fā)器。在不存在噪聲干擾的情況下,施密特觸發(fā)器可以將正弦波等較為規(guī)則的信號(hào)整型成周期與輸出信號(hào)相同的矩形脈沖來作為計(jì)數(shù)脈沖或閘門控制信號(hào)。56噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差如果被測信號(hào)中含有較強(qiáng)的噪聲干擾(噪聲干擾的幅度大于施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口),且干擾脈沖落在施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口內(nèi),將會(huì)使施密特觸發(fā)器產(chǎn)生誤觸發(fā),從而使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。57觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差觸發(fā)誤差的示意圖如下圖所示,圖中所畫干擾信號(hào)是連續(xù)的,但它也可以是離散的噪聲脈沖。干擾信號(hào)的出現(xiàn)使觸發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間出現(xiàn)了或前或后的錯(cuò)位,即閘門時(shí)間中包含了誤差ΔT1及ΔT2。vx=VmSinωxt58測周誤差綜合上面的討論,可知測周誤差由三部