第4章时频测量

1、第四章第四章 时频测量时频测量本章要点：本章要点：u时频关系与时频标准及频率的测量方法时频关系与时频标准及频率的测量方法 u电子计数法测频、测周的原理与误差分析电子计数法测频、测周的原理与误差分析 u通用计数器的功能与应用及其性能改进的方法通用计数器的功能与应用及其性能改进的方法 u 频率稳定度的概念、表征方法和时域、频域测量原理频率稳定度的概念、表征方法和时域、频域测量原理 u调制域测量的原理与应用调制域测量的原理与应用 4.1 概概 述述4.1.1 时频关系时频关系指某事件发生的瞬间。如指某事件发生的瞬间。如t tl l时刻开始出现，在时刻开始出现，在t t2 2时刻消失；通常要与时刻消失

2、；通常要与年月日时分秒年月日时分秒关联关联 。“时间时间 ”“时刻时刻”, “间隔间隔”,即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多久久. .如图中，如图中， t t = =t t2 2- -t tl l是两时刻之间的是两时刻之间的“间隔间隔”, ,即矩形脉冲持续的时间长度。即矩形脉冲持续的时间长度。 “周期周期”是指同一事件重复出现的时间，是指同一事件重复出现的时间，如如T。 “频率频率”是单位时间（是单位时间（1秒）内周期性事秒）内周期性事 件重复的次数，单位是赫兹件重复的次数，单位是赫兹Hz。图图4.1 4.1 时频关系示意图时频关系示意图t tU

3、U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T电子表走时是否准确取决于电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器设石英晶石英晶体作振荡器设石英晶 体振荡器日频率稳定度为体振荡器日频率稳定度为10-6610246060t则日误差：则日误差：646660 60 24 108.64 10100.08640.1 / 10ts 日频率标准频率标准 时间标准时间标准 32768Hz32768Hz（2 21515HzHz）液晶屏液晶屏分分频频计计数数译译码码2 215151 1秒秒60601 1分分60601 1小时小时2424日日图图4.2 4.2 电子表的组成原理电子表的组成原理振振荡荡驱

4、驱动动4.1.2 时频基准时频基准时间的单位是秒。随着科学技术的发展，时间的单位是秒。随着科学技术的发展，“秒秒”的定义曾作过三的定义曾作过三次重大的修改：次重大的修改：1.世界时秒（世界时秒（UT）由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（世界时（UT）。定义地球自转周期的）。定义地球自转周期的 186400作为世界时的作为世界时的1s，零类世界时（零类世界时（UT0），），其准确度在其准确度在10-6量级。量级。校正后的世界时称为校正后的世界时称为第二类世界时（第二类世界时（UT2）,其准确度在其准确度在310-8量

5、级。量级。历书时秒历书时秒作为时间单位提高到十亿分之一秒，即作为时间单位提高到十亿分之一秒，即110-9量级。量级。世界时秒是世界时秒是与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。地球地球太阳太阳从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。准。1967年年10月第月第13届国际计量大会正式通过了秒的定义：届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒秒”是是Cs133原子基态的两个超精细结构能级原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF=0和和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续之

6、间跃迁频率相应的射线束持续9192631770个周期的时间个周期的时间” 2.原子时秒（原子时秒（AT）F=4F=4mmF F=0=0F=3F=3mmF F=0=091926317709192631770个周期个周期= =1 1秒秒跃迁跃迁频率频率很高很很高很稳定稳定为原子时秒为原子时秒(记作记作AT)。并自。并自1972年年1月月1日零时起，时间单位秒日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，其准确度可达其准确度可达510-14，是所有其它物理量标准远远不及的。，是所有其它物理量标准远远不及的。3.协调

7、世界时秒（协调世界时秒（UTC） 世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取代，各有各的用处。代，各有各的用处。 原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了时刻时刻（年（年月日时分秒）和时间月日时分秒）和时间间隔间隔。 协调世界时秒（协调世界时秒（UTC）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高

8、界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高45个数量级。现在各国标准时号发播台所发送的就是世界协个数量级。现在各国标准时号发播台所发送的就是世界协调时调时UTC，其准确度优于，其准确度优于210-11。我国的中国计量科学院、。我国的中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原子时（子时（TAI）200多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国时间标准由中央人民广播电台发布。时间标准由中央人民广播电台发布。 4.1.3 频率测量方法频率测量方法频率测量方法频率测量方法

9、模拟法模拟法计数计数法法频响频响法法比较法比较法电桥法电桥法谐振法谐振法拍频法拍频法差频法差频法示波法示波法李莎育图形法李莎育图形法测周期法测周期法电容充放电式电容充放电式电子计数式电子计数式1 11010-8-81 11010-13-13量级量级1 11010-2-2量级量级4.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率4.2.1. 电子计数法测频原理电子计数法测频原理1.基本原理基本原理根据频率的定义，若某一信号在根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则次，则该信号的频率为：该信号的频率为： TNfx（4.2） 门电路复习：门电路复习： 与门与门A A1/0

10、1/0B B1 1/ /0 0c c1/01/0同理同理“或或”门、与非、或非门等也有类似功能。门、与非、或非门等也有类似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由图可见：由图可见：TNTx因此因此TNfx实现了测频实现了测频原理原理：“定时计数定时计数”实质实质：比较法比较法 图图4.3 4.3 测频的原理测频的原理与与门门A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重点掌握2组成框图组成框图 图图4.4是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。t t0 0B

11、 BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 时基电路时基电路计数计数一一 输入电路输入电路 分分 频频 显示显示 晶晶 振振 门门 控控 主主门门控制电路控制电路 A AB BC CD DE E1)时基（时基（T）电路）电路两个两个特点特点：(1)标准性标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常通常晶振晶振频率稳定度要求达频率稳定度要求达10-610-10。（。（恒温糟恒温糟）(2)多值性多值性 闸门时间闸门时间T不一定为不一定为1秒，应让用户根据测频精度和

12、秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如：速度的不同要求自由选择。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 门控（双稳）电路：门控（双稳）电路： TT2)输入电路输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。由放大整形电路和主门电路组成。 被测输入周期信号（频率为被测输入周期信号（频率为fx，周期为周期为Tx）经放大、整形、微分）经放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脉冲，送主门的一的窄脉冲，送主门的一个输入端。个输入端。 图图4.5 4.5 输入电路工作波形图输入电路工作波形图u us st tt tt tt

13、 t0 00 00 00 0A A输入输入( (T T0 0或或F Fx x ) )放大放大整形整形微分微分3)计数显示电路计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。逻辑控制电路、译码器和显示器组成。 4)控制电路控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。一定的工

14、作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照器的工作按照“复零一测量复零一测量显示显示”的的程序自动地进行，其工作流程如图程序自动地进行，其工作流程如图4.6所示。所示。 准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，停止计数）（关门，停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）图图4.6 4.6 电子计数器的工作流程图电子计数器的工作流程图4.2.2. 误差分析计算误差分析计算由第二章误差传递公式（由第二章误差传递公式（2.43）jmjjxxfy1可对式（可对式（4.2） TNfx求得求得 TTNNffxx（4.3

15、） 计数误差计数误差时基误差时基误差1.量化误差量化误差计数误差、计数误差、1误差误差在测频时，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不不相相关的关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的随机的。这样，既这样，既便在相同的主门开启时间便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。，计数器所计得的数却不一定相同。可能多可能多1个或少个或少1个的个的1误差，这是频率量化时带来的误差故误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲称量化误差，又称脉冲计数误差或计数误差或1误差误差。 TfNNNx1

16、1 N N= =1 1 N=fN=fx xT T图图4.7 4.7 量化误差量化误差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T( (a a) )(1)(1)(2)(2)黑门进黑门进8 8个脉个脉冲冲红门进红门进7 7个脉个脉冲冲误差合成定理误差合成定理2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间误差（时基误差、标准时间误差） TTNNffxxccfdfTdT 闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测 频误差。闸门信号频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。

17、设晶振频率为是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为（周期为Tc），则有），则有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶体性能和切割方式石英晶体性能和切割方式-生产厂生产厂 石英振荡器的输出石英振荡器的输出频率准确度决定频率准确度决定 温度的影响温度的影响-单、双层恒温糟单、双层恒温糟 振荡电路的质量振荡电路的质量-电路优化设计电路优化设计 4.2.3. 结论结论1.计数器直接测频的误差计数器直接测频的误差主要有两项主要有两项 即即1误差和标准频率误误差和标准频率误差一般总误差可采用分项差一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即误差绝对值合成，即 )1(ccxxxffTfff（4.

18、9） 2.测量低频时，由于测量低频时，由于1误误差产生的测频误差大得惊人差产生的测频误差大得惊人例如，例如，fx= 10Hz，T=1s，则由，则由1误差引起的测频误差可达误差引起的测频误差可达10，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。4.3 电子计数法测量时间电子计数法测量时间本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。 4.3.1.电子计数法测量周期的原理电子计数法测量周期的原理 t t0 0B BC C0 00

19、0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右图可得由右图可得ccxfNNTT输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主门门倍倍 频频 晶晶 振振 输入电路输入电路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E4.3.2. 电子计数器测量周期的误差分析电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频率误差量化误差和基准频率误差与分析电子计数器测频时的误差类似，这里与分析电子计数器测频时的误差类似，这里 cxNTT ，根据，根据误差传递公式可得误差传递公式可得 ccxxTTNNTT（4.11） 根据图根据图

20、4.10所示的测周原理，由式（所示的测周原理，由式（4.10）可得）可得 ,cxcxfTTTN而而N=1 cccxcccxxxfffTTTfTTT11（4.12） 2.触发转换误差触发转换误差测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。图测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。图4.12(a)给出了一给出了一个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲Un，UB为施密特电路触为施密特电路触发电平。可见，施密特电路将提前在发电平。可见，施密特电路将提前在 1AxT1T触发，于是形成的方触发，于是形成的方波周期为波周期为 ，即产生，即产生 的误差，称的误差，称“转换误差转换误差”(或触

21、发误差或触发误差)。 u ux x=U=UmmSinSinx xt t U UB BA A 1 1A A1 1A A 2 2T Tx xT Tx xT T x x T T1 1U Un n图图4.12 4.12 转换误差的产生与计算转换误差的产生与计算a aU Un n T T1 1A A1 1A A 1 1 b b( (b b) )( (a a) )BUBxUuxdtdutantan1nUT 从图可得从图可得 （4.13）式中式中Un干扰或噪声幅度。干扰或噪声幅度。设被测信号为正弦波设被测信号为正弦波 tUuxmxsinBxUuxdtdutan2212sin12costanmBxmBxmxB

22、xmxVxUUTUtUTtUdtduBx将上式代入（将上式代入（4.13），实际上），实际上 mBUU ，得，得mnxUUTT21（4.14） 式中式中 Um信号振幅。信号振幅。 同样，在正弦信号下一个上升沿上同样，在正弦信号下一个上升沿上(图中图中A2点附近点附近)也可能存在也可能存在于扰，即也可能产生于扰，即也可能产生 触发误差触发误差 2:TmnxUUTT22由于干扰或噪声都是随机的，所以由于干扰或噪声都是随机的，所以 1T和和 2T都属于都属于随机误差随机误差，我们可按我们可按 2221TTTn来合成，于是可得来合成，于是可得mnxxnUUTTTTT212221 （4.15） 2.多周

23、期测量多周期测量进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和 1 1误差。误差。我们可以利用图我们可以利用图4.13 4.13 图图4.13 4.13 多周期测量可减小转换误差多周期测量可减小转换误差 V VB BA A 2 2V V B B V VB BA A 9 9A A9 9A A 1010V V B BT Tx x1010T T x x T T1 1T T1 1x x无干扰无干扰A A 2 2T T2 2x x T T2 2T T1 01 0 x x1010T Tx x T T2 2A A 1010T Tx x有干扰有干扰来说明，图中取周期倍

24、增系数来说明，图中取周期倍增系数10为例，即测为例，即测10个周期。从图个周期。从图可见，两相邻周期由于转换误差所产生的可见，两相邻周期由于转换误差所产生的 T比如，第一个周期比如，第一个周期T1x终了，这样终了，这样10个周期引起的总误差与个周期引起的总误差与测测个周期产生的误差一样，经除个周期产生的误差一样，经除10，得一个周期的误差为，得一个周期的误差为 是互相抵消的，是互相抵消的，2212+ /10，可见减小了，可见减小了10倍。倍。 此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到10n倍，这样，倍，这样，由由1误差所引起的测量误差也可减小误差所引

25、起的测量误差也可减小 n10倍。图倍。图4.11中的中的10Tx和和100Tx两曲线说明这个结果。两曲线说明这个结果。 因此，在多周期测量模式下，测周误差表达式要进行修正，令因此，在多周期测量模式下，测周误差表达式要进行修正，令周期倍增系数为周期倍增系数为k= n10则（则（4.12）和（）和（4.15）可合写成）可合写成 mncccxxxUUkfffkTTT211（4.16） 4.结论结论1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将4.1

26、6式中式中k换成换成 n10 ）：）：ccmnncxnxxffUUfTTT1021101（4.17） 2)采用多周期测量可提高测量准确度；采用多周期测量可提高测量准确度； 3)提高标准频率，可以提高测周分辨力；提高标准频率，可以提高测周分辨力；4)测量过程中尽可能提高信噪比测量过程中尽可能提高信噪比VmVn。4.3.3 4.3.3 中界频率中界频率研究研究量化误差（量化误差（1误差）对测频和测周的影响误差）对测频和测周的影响。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。将（将（4.6）和（）和（4.12）式中）式中量化误差表达式联立可得量化误差表达式联立可得 式

27、中，式中， Mf为中界频率，为中界频率， cf为标准频率，为标准频率，T为闸门时间。为闸门时间。 MxxfTf1TffcM令令 则则 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 图图4.14中给出了不同闸门时间：中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频和不同标准频率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以三种情况的交叉曲线。现以T=1s， cf=100MHz为例，可查知为例，可查知 Mf=10kHz。 100MHz100MHz图图4.14 4.14 测频量化误差与测周量化误差测频量化误差与测周量化误差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1

28、010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MH=100MHz z测频的量化误差测频的量化误差测周的量化误差测周的量化误差Mff f100MHz100MHz因此，当因此，当 xMff 宜测频；宜测频； 当当 xMff，宜测周。，宜测周。 这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计

29、数器的方法，通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法，对测频或测周都能实现等精度测量。对测频或测周都能实现等精度测量。4.3.4 时间间隔的测时间间隔的测量量1.基本原理基本原理输入输入C C10S10S时基分频器时基分频器+ +主主 门门触发器触发器触发器触发器起起 始始触发器触发器终终 止止触发器触发器门控门控电路电路十进制计数器十进制计数器1MHz1MHz石英石英振振 荡荡 器器触发沿选择触发沿选择+ +- - -输入输入B BS S1S1S10S10S（a a）触发电平、触发极性可调图图4.15 4.15 基本时间间隔测量模式基本时间间隔测量模式(b)(b)被计时标数被计时标数

30、时标时标门控信号门控信号输入输入C C终止终止输入输入B B起始起始（a a）组成方框图）组成方框图 （b b）工作波形图）工作波形图2.相位测量相位测量相位差的测量，见图相位差的测量，见图4.16。Tt360则则 t对应的相位可以计得对应的相位可以计得360Tt图图4.16 4.16 相位差的测量相位差的测量t t T T360360t t测相位要求两信号：同频 同幅3.3.脉冲时间参数测量脉冲时间参数测量图图4.17 4.17 脉冲宽度测量模式脉冲宽度测量模式 起始脉冲起始脉冲门控信号门控信号终至脉冲终至脉冲触发器输出触发器输出输入信号输入信号0.50.5t tr r0.10.10.90.

31、9脉冲上升时间测量模式脉冲上升时间测量模式4.44.4 通用计数器通用计数器4.4.1 4.4.1 概述概述 电子计数器问世于五十年代初期，它是出现最早、发展最快的电子计数器问世于五十年代初期，它是出现最早、发展最快的类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比，面貌已焕类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比，面貌已焕然一新。然一新。 4.4.2 4.4.2 通用计数器的功能通用计数器的功能通用计数器系列产品很多，但大多都具有：测量频率、周期、多周期平通用计数器系列产品很多，但大多都具有：测量频率、周期、多周期平均、时间间隔、自检、频率比、累加计数、计时等功能。这些功能在前均、时间间隔、自检

32、、频率比、累加计数、计时等功能。这些功能在前面大多已介绍，这里仅对自检、频率比、累加计数等进行补充说明。面大多已介绍，这里仅对自检、频率比、累加计数等进行补充说明。 1.1.自检自检这里有自检的方便条件这里有自检的方便条件仪器自检的重要性（如测自装振荡器的频率）仪器自检的重要性（如测自装振荡器的频率） 输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主门门倍倍 频频 晶晶 振振 k k次次N Nf fc cT=k/T=k/f fc cT TN Nn n次次f f0 0=1/T=1/T0 0=n nf fc c=f f0 0T T0 0NTNT0 0= =T TN=T/N=T/T T0 0=

33、=k k/f/fc cn nf fc c=kn=kn= =T T0 0这里有无这里有无1 1误差？误差？210610810实际原理框图：实际原理框图： 图图4.18 4.18 自检原理方框图自检原理方框图2 21ms1ms5 510101010101010101010101010101010晶振晶振5MHz5MHz10ns10ns100ns100ns1s1s10s10s100s100s1ms1ms10ms10ms100ms100ms1s1s10s10s0 01 12 21 13 31S1S闸门时间选择闸门时间选择时标信号选择时标信号选择门 控 双门 控 双稳稳主门主门计数、显示计数、显示N=1

34、00000000N=1000000002.2.频率比频率比(A(AB)B)的测量的测量频率比频率比A AB B是加于是加于A A、B B两路的信号源的频率比值。根据频率两路的信号源的频率比值。根据频率和周期的测量原理，和周期的测量原理，图图4.19 4.19 频率比测量原理方框图频率比测量原理方框图B B0 01 12 21 13 3T TB B主门主门计数、显示计数、显示门控双稳门控双稳放大、整形放大、整形放大、整形放大、整形A Af fA AT TB BT TB BT TA ABAABTfNTf10nABfNf3.3.累加计数累加计数( (计数计数A A的测量的测量) ) 累加计数是在一定

35、的时间内累加计数是在一定的时间内( (通常是比较长的时间内，如自动通常是比较长的时间内，如自动统计生产线上的产品数量统计生产线上的产品数量) )记录记录A A信号（如产品通过时传感器信号（如产品通过时传感器产生的光电信号）经整形后的脉冲个数。产生的光电信号）经整形后的脉冲个数。 图图4.20 4.20 累加计数原理框图累加计数原理框图0 01 12 21 13 3起始起始主门主门计数、显示计数、显示门控双稳门控双稳放大、整形放大、整形A A开开门门时时间间停停止止停停止止起起始始4.4.3 4.4.3 单片通用计数器单片通用计数器本专业首届本专业首届80248024班两位女同学（张伟、杨琪）班

36、两位女同学（张伟、杨琪）19841984年在广州七所毕业设计题目年在广州七所毕业设计题目 溢出溢出累累加加计计数数5G7226B5G7226B量程输入量程输入控制输入控制输入功能输入功能输入复位输入复位输入保持输入保持输入输入输入A A输入输入B BD D1 1D D8 8a a g g复位复位保持保持频频率率频频率率比比自自检检时间间隔时间间隔周期周期100p100p10K10KV V+ +K K2 2K K1 122M22M10M10MV V+ +V V+ +39p39p39p39pV V+ +100K100K10K10K10K10KS S2 2S S1 10.01S0.01S0.1S0.

37、1S1S1S10S10S外外振振荡荡允允许许S S3 3选选择择S S4 4外外加加小小数数点点S S4 4测测量量显显示示S S7 7消消隐隐显显示示S S6 6dpdp7 77 77 77 77 77 77 77 7图图4.21 4.21 累加计数的原理方框图累加计数的原理方框图E312AE312A型通用计数器的技术指标为：型通用计数器的技术指标为： 测频范围：测频范围：1Hz10MHz1Hz10MHz 最小输入电压：正弦波时为最小输入电压：正弦波时为30mV30mV，脉冲波时为，脉冲波时为0.1V0.1V（峰（峰- -峰值）峰值） 闸门时间：闸门时间：10ms10ms，0.1s0.1s，

38、1s1s，10s10s 周期测量范围：周期测量范围：10s0.4s10s0.4s，倍乘，倍乘1 1，1010，100100，10103 3 标准频率：标准频率：5MHz5MHz晶振，倍频后晶振，倍频后10MHz10MHz 准确度和稳定度：准确度和稳定度：5 51010-8-8 4.54.5* * 电子计数器性能的改进电子计数器性能的改进 电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差，尤其是电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差，尤其是量化误差；如何提高测时间的分辨力；如何提高测频的频率范量化误差；如何提高测时间的分辨力；如何提高测频的频率范围，以至可测量更高波段的频率。围，以至可测量

39、更高波段的频率。 4.5.1 4.5.1 多周期同步测频（智能计数器）多周期同步测频（智能计数器） N Nx xT Tx x= =N N0 0T T0 0 （4.194.19） 00fNNfxx（4.204.20） 1.1.工作原理工作原理f fx x图图4.22 4.22 多周期同步测频原理多周期同步测频原理(a)(a)N N0 0CPCP 主门主门 N Nx x 主门主门 N N0 0同步闸门同步闸门(D(D触发器触发器) )预置闸预置闸门脉冲门脉冲计数器计数器 2 2# #单单片片机机计数器计数器 1 1# #晶晶 振振1MHz1MHzD D82538253(b)(b)1S1ST Tx

40、xT TN Nx xT Tx xN No oT To oT T0 0DDf fx x(CP(CP) )T Tf f0 0N N0 0N Nx xN Nx xf f0 0无无1 1误差误差有有1 1误差误差T T2.2.误差分析误差分析由以上工作过程和波形图可以看出，由以上工作过程和波形图可以看出，N Nx x对被测信号对被测信号T Tx x的计数的计数是与闸门是同步的，故不存在量化（是与闸门是同步的，故不存在量化（1 1）误差。这样，用）误差。这样，用该计数器测频，不管频率高低其精度是相同的。这时误差仅该计数器测频，不管频率高低其精度是相同的。这时误差仅发生在计数器发生在计数器2 2对对f f

41、0 0的计数的计数N N0 0上，因为主门上，因为主门2 2与与f f0 0之间并无同之间并无同步关系，故仍存在量化误差，不过通常步关系，故仍存在量化误差，不过通常f f0 0f fx x，故，故1 1误差相误差相对小得多。对小得多。 例例4.14.1 分别用通用计数器和多周期同步计数器对分别用通用计数器和多周期同步计数器对50Hz50Hz正弦信正弦信号频率进行测量，计算其号频率进行测量，计算其1 1误差。设闸门时间为误差。设闸门时间为1s1s，晶振标，晶振标准频率为准频率为1MHz1MHz。 解：通用计数器测频解：通用计数器测频1 1误差误差2102102. 01ssNNN 多周期同步计数器

42、测频多周期同步计数器测频1 1误差误差 6610111011ssNNN也称多周期同步计数器为也称多周期同步计数器为等精度等精度计数器计数器, ,也称为也称为“智能智能”计数器。计数器。4.5.2 4.5.2 提高时间分辨力的办法提高时间分辨力的办法在直接计数器中，为了提高测时分辨力和精度，就必须提高基在直接计数器中，为了提高测时分辨力和精度，就必须提高基准时钟频率，但是，钟频的提高意味着计数速度的提高，即使准时钟频率，但是，钟频的提高意味着计数速度的提高，即使采用采用1GHz1GHz钟频，测时分辨力也只能达到钟频，测时分辨力也只能达到1ns1ns。因此，必须用。因此，必须用其它方法来提高测时分

43、辨力。其它方法来提高测时分辨力。 1.1.内插法计数器内插法计数器用内插法测时间的原理，如图用内插法测时间的原理，如图4.234.23所示。为了测量时间间隔所示。为了测量时间间隔 x计数器实际测量的是计数器实际测量的是 0,1和和 2等三个参数，其中等三个参数，其中 0起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个钟脉冲之间的时间间隔；钟脉冲之间的时间间隔； 1起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔；起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔； 2一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。 由图由图4.234.

44、23可知，被测时间间隔可知，被测时间间隔 x为为 210 x时钟脉冲时钟脉冲输入信号输入信号起始起始终止终止 x x 0 0 1 1 2 2图图4.23 4.23 内插法原理内插法原理012 的测量与普通计数器相同，即累计该时间间隔内出现的测量与普通计数器相同，即累计该时间间隔内出现的钟脉冲数。两个的钟脉冲数。两个“零头零头”时间时间 和和 采用内插法来测量，采用内插法来测量，即先用两个内插器将即先用两个内插器将 1和和 2分别扩展分别扩展10001000倍，然后再在倍，然后再在扩展后的时间间隔内，对同一钟脉冲进行计数，故被测时间扩展后的时间间隔内，对同一钟脉冲进行计数，故被测时间间隔间隔 x

45、为为 （按权相加）（按权相加） 021010001000TNNNx（4.224.22） 模拟内插模拟内插内插方法内插方法T-TT-T：时间放大器：时间放大器T-VT-V：时间电压转换器：时间电压转换器数字内插：游标法数字内插：游标法模拟内插：模拟内插：T-TT-T：时间放大器：时间放大器整形、门控整形、门控起始起始控制信号控制信号C C999999 1 1 1 1图图4.24 4.24 时间放大器原理时间放大器原理 1 1100010001 1充充放放用第用第5 5章双斜章双斜积分电路可改积分电路可改成时间放大器成时间放大器模拟内插：模拟内插：T-VT-V：时间电压转换器：时间电压转换器2.2

46、.游标法计数器游标法计数器数字内插技术数字内插技术0 0T TV V5mv5mvnsns5ns5ns物理思想：机械游标卡尺数显游标卡尺10mm10mm0 05mm5mm符合点符合点定尺定尺动尺动尺1 12 23 34 45 50 01 12 23 34 45 59mm9mm在在5cm5cm处读处读5mm5mm相当刻度放大相当刻度放大1010倍倍0 0-0-0差差5mm5mm1 1-1-1差差4mm4mm2 2-2-2差差3mm3mm3 3-3-3差差2mm2mm4 4-4-4差差1mm1mm5 5-5-5差差0mm0mm 定尺对前沿，动尺对后沿，再找符合点5ns5ns定定尺尺动动尺尺0 0游标

47、法测时原理图游标法测时原理图主时主时钟钟f f1 1游 标 时游 标 时钟钟f f2 2 x x起振起振0 0游游 标标振 荡振 荡器器游游 标标计 数计 数器器符符 合合电电 路路基基 准准振 荡振 荡器器当当5 5与与5 5对齐，输对齐，输出出符合脉冲符合脉冲，令，令游标振荡器停振，游标振荡器停振，读游标计数器得读游标计数器得 x x符合点符合点起振起振作业：4.104.124.144.18习题习题4.184.18在符合点在符合点( (即游标时钟信号刚好赶上主时钟信号的那一瞬间即游标时钟信号刚好赶上主时钟信号的那一瞬间) )以前，以前，两个时钟振荡器产生的脉冲数相等，即两个时钟振荡器产生的

48、脉冲数相等，即 N N1 1N N2 2N N，则，则xxKNTNT21 (4.25)(4.25)门控冲击振荡器门控冲击振荡器T T2 2=1/f=1/f2 2图图4.26 4.26 游标法测时方框图游标法测时方框图门控冲击振荡器门控冲击振荡器T T1 1=1/f=1/f1 1起起始始输输入入输输入入停停止止输输入入控控制制电电路路起起始始停停止止计数器计数器N N1 1计数器计数器N N2 2符合电路符合电路或或 TNTTNx21上式表明，被测时间上式表明，被测时间 x被时间差被时间差 T所量化，当两个时钟频率足够地接近时，量化的分辨力是所量化，当两个时钟频率足够地接近时，量化的分辨力是可以

49、做得很高的可以做得很高的 由式由式(4.25)(4.25)可知，游标法事实上是用数字量化的办法把被测时可知，游标法事实上是用数字量化的办法把被测时间间隔间间隔 x扩展了扩展了K K倍，倍，K K称为扩展倍率或内插系数，其值为称为扩展倍率或内插系数，其值为ffTTNTKx211（4.274.27） 游标法的原理简单，但用这种方法来实现精密时间间隔测量时，游标法的原理简单，但用这种方法来实现精密时间间隔测量时，在在技术上需要解决以下几个问题技术上需要解决以下几个问题： 1)1)时钟频率时钟频率 1f和和 2f的稳定度要求极高，要想实现扩展系数为的稳定度要求极高，要想实现扩展系数为K K的测量，那么

50、考虑一切因素在内的频率稳定度的测量，那么考虑一切因素在内的频率稳定度( (包括长期和短包括长期和短期稳定度期稳定度) )必须达到必须达到1 1K K2 2的数量级的数量级 由式由式(4.27)(4.27)可得可得 2211/ffKffKxx若要若要 x值不超过一个字，即要值不超过一个字，即要 Kxx/1/，则要求，则要求 2211/,/ffff必须达到必须达到1 1K K2 2的数量级。的数量级。 2)2)当分辨力很高时，当分辨力很高时， f应当很小，因此两个时钟电路必须进应当很小，因此两个时钟电路必须进行严格屏蔽，否则可能因频率牵引而不能正常工作。行严格屏蔽，否则可能因频率牵引而不能正常工作

51、。3)3)要实现高精度和高分辨力，符合电路的工作速度也应该是很要实现高精度和高分辨力，符合电路的工作速度也应该是很高的。由于存在上述一些技术上的困难，因此游标法长期未得高的。由于存在上述一些技术上的困难，因此游标法长期未得到实际应用。近年来提出的到实际应用。近年来提出的相位锁定型同步触发振荡器相位锁定型同步触发振荡器，解决，解决了上述的一些困难，它巧妙地把触发振荡器与锁相环结合起来，了上述的一些困难，它巧妙地把触发振荡器与锁相环结合起来，使冲击振荡器的信号既能与外触发信号同步，又有很高的频率使冲击振荡器的信号既能与外触发信号同步，又有很高的频率稳定度。稳定度。4.5.3 4.5.3 微波计数器

52、微波计数器最高计数频率，取决计数器器件，最高计数频率，取决计数器器件，CMOSTTLECLCMOSTTLECL隧道二极管触发器隧道二极管触发器。 当今，通用计数器能直接计数的频率在当今，通用计数器能直接计数的频率在f fx x1.5GHz1.5GHz以下。以下。 要对微波波段的信号频率进行数字测量，必须采用频率变换技要对微波波段的信号频率进行数字测量，必须采用频率变换技术，将微波频率变换成术，将微波频率变换成1GHz1GHz以下的频率，以便直接计数。以下的频率，以便直接计数。 1.1.变频法变频法图图4.27 4.27 变频法方框图变频法方框图电子计数器电子计数器输入输入混频器混频器放大器放大

53、器差频差频滤波器滤波器谐波谐波发生器发生器谐波谐波 f fx x6980.03475MHz6980.03475MHzN Nf fs s6969100MHz100MHzf fs s晶振倍频晶振倍频100MHz100MHznfnfs sf fI I80.03475MHz80.03475MHzxSIffNf自动变频式微波计数器方框图自动变频式微波计数器方框图电子计数器电子计数器输入输入混频器混频器放大器放大器差频差频6969N Nf fs sf fI If fs s（阶跃恢复（阶跃恢复 二极管）二极管）谐波发生器谐波发生器（YIGYIG电调电调 滤波器）滤波器）谐波滤波器谐波滤波器扫描捕获扫描捕获电

54、路电路检波器检波器f fs s=100MHz=100MHzN Nf fs s显示的预置显示的预置69006900MHzMHzf fI I停停止止n nf fs s6900+6900+80.0347580.03475MHzMHzf fI I80.0347580.03475MHzMHzf fx x6980.034756980.03475MHzMHz步进步进(=(=f fx x- -NfNfs s) )钇铁石榴石，单晶铁氧体2.2.置换法置换法 置换法的原理，是利用一个频率较低的压控振荡器的置换法的原理，是利用一个频率较低的压控振荡器的N N次次谐波，与被测微波频率谐波，与被测微波频率 xf进行分频

55、式锁相，从而把进行分频式锁相，从而把 xf转换到转换到较低的频率较低的频率Lf（通常为（通常为100MHz100MHz以下）。置换法的简化方框图，以下）。置换法的简化方框图，如图如图4.294.29所示。当锁相环锁定时：所示。当锁相环锁定时： xLSfNffxLSfNff （4.314.31） 式中式中 Lf压控振荡器（也称置换振荡器）的频率；压控振荡器（也称置换振荡器）的频率；Sf计数器的标准频率。计数器的标准频率。 VCOVCO电子计数器电子计数器鉴相器鉴相器混频器混频器f fx xNfNfL Lf fL L100MHz100MHzf fx x -Nf-NfL Lf fL Lf fs s（

56、晶振晶振）图图4.29 4.29 置换法框图置换法框图N N次谐波次谐波 4.6 标准频率源的测量标准频率源的测量 属于属于“计量计量”内容内容对象对象-小晶振（通用计数器、合成信号源中的晶振）小晶振（通用计数器、合成信号源中的晶振） 要求要求-“-“稳稳”、“准准” 一个一个频率频率源的源的准确度是由它的频率稳定度来保证的准确度是由它的频率稳定度来保证的，因此检定，因此检定一个频率源的主要内容是测量它的频率稳定度。一个频率源的主要内容是测量它的频率稳定度。 4.6.1 4.6.1 频率稳定度的定义频率稳定度的定义频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率源的频率准确度的频率稳定度是指在一定时间间隔

57、内，频率源的频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度，它表征频率源持续工作变化，所以实际上是频率不稳定度，它表征频率源持续工作于恒定频率上的能力。于恒定频率上的能力。 1.1.系统性或确定性的变化，比如老化或系统性漂移；环境温度、系统性或确定性的变化，比如老化或系统性漂移；环境温度、供电电压等。供电电压等。 2.2.非确定性的或随机性的变化，其主要原因是各种噪声对信非确定性的或随机性的变化，其主要原因是各种噪声对信号寄生调频和调相，从而产生频率的随机起伏。号寄生调频和调相，从而产生频率的随机起伏。对稳定度的定义应该引入时间概念，因此有长期、短期稳定度之分。对稳定度的定义应该引入时间概念，因此

58、有长期、短期稳定度之分。 f f（天、月、年）（天、月、年）图图4.31 4.31 石英振荡器的频率老化漂移石英振荡器的频率老化漂移t t4.6.2 4.6.2 长期稳定度的表征长期稳定度的表征 长期稳定度指长时间长期稳定度指长时间( (年或月范围内年或月范围内) )的频率变化，的频率变化， 石英谐振器石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移。多数高稳老化漂移。多数高稳 定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，其频率的老化漂移往往呈现良好的线性其频率的老化漂移往往呈现良好的线性

59、( (增加或减小增加或减小) )，如图，如图4.314.31所示。所示。 对石英振荡器来说通常用：对石英振荡器来说通常用：一天内一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做表征，叫做“日老化率日老化率”。 f ft t1 1天天f f1 1f f2 2日老化率日老化率012fffK（4.324.32） 式中式中 f f2 2和和f fl l老化曲线上相隔一天老化曲线上相隔一天(24(24小时小时) )的两个频率值的两个频率值 f f0 0标称频率标称频率 当外界条件当外界条件( (温度、供电电压等温度、供电电压等) )恒定时，一天内的振荡频率，恒定时，一天内的振

60、荡频率，除老化漂移外，还将产生频率的随机起伏，如图除老化漂移外，还将产生频率的随机起伏，如图4.32(b)4.32(b)。可。可用日波动来综合表征老化漂移和随机起伏这两种频率变化，用日波动来综合表征老化漂移和随机起伏这两种频率变化，日波动是指频率源经规定时间的预热以后在日波动是指频率源经规定时间的预热以后在2424小时内频率的小时内频率的最大变化，从图最大变化，从图4.32(b)4.32(b)可得日波动。可得日波动。 0minmaxfffS（4.364.36） f ft t1 1天天f fminminf fmaxmax日波动日波动按按JJG1802002JJG1802002检定规程检定规程，测