第2章 时频测量

第2章时频测量2.1概述2.2电子计数法测量频率2.3电子计数法测量时间2.4高分辨力时间测量2.5调制域测量2.6小结哈尔滨工业大学电气学院梁军第2章时频测量2.1概述2.2电子计数法测量频率2.3电子计数法测量时间2.4高分辨力时间测量2.5调制域测量2.6小结2.1概述2.1.1问题的提出2.1.2时频关系2.1.3频率测量方法第2章时频测量2.1概述2.1.1问题的提出2.1.2时频关系2.1.3频率测量方法第2章时频测量时间或频率是电子测量的基本参量时间是国际单位制中7个基本物理量之一时频测量精度高、范围宽，许多物理量测量可转换为时频测量为什么首先学习时频测量？2.1概述2.1.1问题的提出2.1.2时频关系2.1.3频率测量方法第2章时频测量周期T：同一事件重复出现的时间间隔时间t：“时刻”和“时间间隔”

tU0t1t2t3t4T频率f：单位时间内周期信号的重复次数时间与频率的关系晶振频率准确决定时间准确晶振215Hz液晶屏分频计数译码振荡驱动电子表互为倒数、互相转换标准等同时频标准：原理准确度计时系统特点天文时标基于天体运动周期10－710－9（天文秒）天文时（世界时历书时）宏观计时标准提供时刻和时间间隔准确度低原子时标基于原子辐射电磁波周期10－14（原子秒）原子时微观计时标准提供时间间隔准确度高2.1概述2.1.1问题的提出2.1.2时频关系2.1.3频率测量方法第2章时频测量频率测量的方法直读法比较法谐振法电桥法拍频法差频法示波法电子计数器法计数法电容充放电计数法李沙育图形法测周期法第2章时频测量2.1概述2.2电子计数法测量频率2.3电子计数法测量时间2.4高分辨力时间测量2.5调制域测量2.6小结2.2电子计数法测量频率2.2.1测频原理2.2.2误差分析第2章时频测量频率定义：信号在Ts秒内重复变化N次，则该信号的频率fx门电路复习：

与门A1/0B1/0C1/0同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。A0011B0101C0001计数器严格按照频率定义实现频率测量与门ABC闸门信号测频原理：“定时计数”在已知标准时间内累计被测信号的脉冲数脉冲数=N计数法测频组成框图

计数

放大整形分频显示

晶振

门控

闸门控制电路

uxBCDE输入电路TC时基电路时基电路分频晶振

门控

BCTC时基电路tBCtTStTC闸门信号

闸门信号的标准性和多值性输入电路

放大整形uxD输入电路输入电路的工作波形tttt放大整形微分uxD符合要求的计数脉冲信号闸门电路

闸门CDECtTSDtTXtENTXTS时间内脉冲数N计数显示电路计数

显示

ETStENTX对TS时间内的脉冲计数准备期（复零，等待）显示期（关门，停止计数）测量期（开门，计数）

电子计数器的工作控制流程控制电路

时基电路计数

放大整形分频显示

晶振

门控

闸门控制电路

uxBCDE输入电路计数法测频00tBCttTSDEtTXNtTXuxTC2.2电子计数法测量频率2.2.1测频原理2.2.2误差分析第2章时频测量测频误差项量化误差也称±1误差测频误差

标准时间误差也称标准频率误差量化误差N=7闸门信号N=8计数

闸门CDE脉冲信号与闸门信号时间不相关零头时间零头时间零头时间

TX

TSNTXΔt1Δt2量化误差

：结论：被测频率越高，闸门时间越宽，误差越小标准时间误差tBCtTStA分频晶振

门控

BCA时基电路TCTSTS晶振信号分频得到标准时间误差

:fC结论：标准时间误差等于晶振频率的误差测频误差合成（1）计数器直接测频的总误差：TS越长、fx越高、标频精度越高，误差越小（2）测量低频时，1误差较大，不宜采用此方法第2章时频测量2.1概述2.2电子计数法测量频率2.3电子计数法测量时间2.4高分辨力时间测量2.5调制域测量2.6小结、思考题2.3电子计数法测量时间2.3.1测量周期原理2.3.2误差分析2.3.3时间间隔测量第2章时频测量2.3电子计数法测量时间2.3.1测量周期原理2.3.2误差分析2.3.3时间间隔测量第2章时频测量闸门被测周期测周原理：标准时间间隔量化被测周期

标准时间间隔被测周期内累计标准脉冲个数N闸门测频、测周原理比较闸门待测的标准的标准的待测的

放大整形分频

晶振

门控

闸门ux输入电路时基电路计数法测频率

放大整形时标信号发生器

门控

闸门ux输入电路放大整形时基电路计数法测周期交换待测信号、标准信号通道

计数

放大整形显示

标准信号发生器

门控

闸门控制电路

uxCDE输入电路放大整形时基电路B计数法测周期组成框图A时基电路放大整形标准信号发生器

闸门CD时基电路0DttCTC符合要求的计数脉冲信号输入电路

门控

闸门ux输入电路放大整形BA闸门信号tTXuxBtTXtA闸门电路

闸门BDE00BttDEtNTCTXTCTXTX时间内脉冲数N

计数

放大整形显示

时标信号发生器

门控

闸门控制电路

uxCDE输入电路计数法测周期00B0ttDEtNTC0t放大整形时基电路t0TXCuxBTXTCTX2.3电子计数法测量时间2.3.1测量周期原理2.3.2误差分析2.3.3时间间隔测量第2章时频测量测周误差项量化误差，或±1误差测周误差

标准频率误差测周误差合成TX越长、fC越高、标频精度越高，误差越小触发误差tTXuxBtTXtA

门控

闸门ux输入电路放大整形BA施密特触发器整形要求：闸门信号宽度严格等于被测信号周期关键：准确触发施密特触发器：上升沿触发电平下降沿触发电平矩形信号周期等于输入信号周期触发器输入触发器输出TX···触发误差触发窗提高被测信号信噪比，可减小测周触发误差！ΔT1α切线被测信号：

触发误差1：同理，有触发误差2：触发误差合成：多周期法减小测周误差减小测周的触发误差、±1误差多周期测量求平均可减小触发误差随机误差中界频率

fm测周误差：测频误差：被测频率高，量化误差小被测频率低，量化误差小--测频测周量化误差相等的频率中界频率：结论：当

，宜测频

当

，宜测周

100MHz图测频量化误差与测周量化误差1Hz1KHz1MHz10-810-710-610-510-410-310-210-11Ts=10STs=0.1Sfc=10MHzfc=1GHz测频的量化误差测周的量化误差f100MHzTs=1Sfc=100MHz2.3电子计数法测量时间2.3.1测量周期原理2.3.2误差分析2.3.3时间间隔测量第2章时频测量输入C主门放大整形门控电路计数显示输入B放大整形C通道B通道时标信号发生器A通道放大整形被计数时标时标门控信号输入C终止输入B起始第2章时频测量2.1概述2.2电子计数法测量频率2.3电子计数法测量时间2.4高分辨力时间测量2.5调制域测量2.6小结问题的提出：直接计数器中，为提高测时分辨力，必须提高基准时钟频率时钟提高，计数速度必须相应提高

如果时钟为1GHz，分辨率也只能达到1ns

如何提高测时分辨力？

2.4高分辨力时间测量2.4.1内插法测时间原理2.4.2模拟内插法2.4.3数字内插法—游标法计数器第2章时频测量时钟脉冲输入信号起始终止

τxτ0τ1τ2N0T0T0T0kτ1kτ2N1N2无1误差1误差缩小到原有的1/k，测时分辨力提高核心：测量出时间量化单位（

）以下的零头时间（）T0τ1τ22.4高分辨力时间测量2.4.1内插法测时间原理2.4.2模拟内插法2.4.3数字内插法—游标法计数器第2章时频测量控制门

起始脉冲控制信号C999τ1τ1内插时间扩展电路τ11000τ1充放恒流源或AABBK=1000，测时分辨力提高了1000倍2.4高分辨力时间测量2.4.1内插法测时间原理2.4.2模拟内插法2.4.3数字内插法—游标法计数器第2章时频测量物理思想：机械游标卡尺数显游标卡尺10mm05mm符合点定尺动尺123450123459mm在5cm处读5mm相当刻度放大10倍0-0差5mm1-1差4mm2-2差3mm3-3差2mm4-4差1mm5-5差0mm定尺对前沿，动尺对后沿，再找符合点原理：用两个量化单位量形成差值，使被测量被差值量化，当差值很小时测量分辨力很高10mm-9mm=1mmT1

>T2ΔT=T1－T2当τX<T1

时τX=NΔT，τX被ΔT量化扩展系数：k=T1/ΔTT10符合点定尺动尺T12T1NT1τXT2τX主时钟f1游标时钟f2τX+T2τX+NT2符合点脉冲起始脉冲停止脉冲0kτX被测时间被扩展k倍……T10符合点定尺动尺T12T1N1T1τXT2τX主时钟f1游标时钟f2τX+T2τX+N2

T2符合点脉冲起始脉冲停止脉冲0kτX被测时间被扩展k倍……N1

>N2T1

>T2ΔT=T1－T2当τX>T1

时τX=（N1－N2）T1+N2ΔT，τX被ΔT量化扩展系数：k=N1T1/（N1T1

－

N2T2

）要求：（1）时钟频率稳定度极高（2）两个时钟电路严格屏蔽（3）符合电路的工作速度很高门控冲击振荡器T2门控冲击振荡器T1起始输入停止输入输入控制电路起始停止计数器N1计数器N2符合电路第2章时频测量2.1概述2.2电子计数法测量频率2.3电子计数法测量时间2.4高分辨力时间测量2.5调制域测量2.6小结问题的提出