第5章频率时间测量-1

第五章频率与时间的测量5.1 频率和时间的基本概念5.2 电子计数器的组成原理和测量功能5.3 电子计数法测量频率5.4 电子计数法测量周期5.5 电子计数法测量时间间隔5.6

高分辨时间和频率测量技术5.7

频率稳定度测量和频率比对5.8

时频测量技术5.9 时间和频率的其他测量方法5.1时间、频率的基本概念1）时间和频率的定义◆时间有两个含义：

“时刻”：即某个事件何时发生；

“时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。◆时间的基本单位：秒，用s表示。还可以采用毫秒（ms,10-3s）、微秒（μs，10-6s）、纳秒（ns,10-9s）、皮秒（ps，10-12s）。周期过程重复出现一次所需要的时间称为它的周期。用T表示。5.1时间、频率的基本概念1）时间和频率的定义◆频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T0内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：f＝N/T0◆时间与频率的关系：可以互相转换。

周期T的单位为秒，频率的单位为赫兹（Hz）2）时频测量的特点◆最常见和最重要的测量（范围广） 时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。◆测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。◆自动化程度高◆测量速度快各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度不同。各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。5.1.2.1时间与频率的原始标准1）天文时标◆原始标准应具有恒定不变性。◆频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。◆宏观标准和微观标准

宏观标准：基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。◆世界时（UT,UniversalTime）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。5.1.2时间与频率标准1）天文时标◆为世界时确定时间观测的参考点，得到平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的平太阳作为基本参考点。零类世界时（UT0）：以平太阳的子夜0时为参考。第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为3×10－8。历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31556925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1×10－9

。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。2）原子时标◆基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。◆原子时标（AT）的量子电子学基础 原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。

hfn-m=En-Em 式中，h=6.6252×10-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。2）原子时标原子时标的定义

1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”

1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4~5个量级，达5×10-14(相当于62万年±1秒)，并仍在提高。“北京时间”即按我国铯原子时频标准来制定的。2）原子时标原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。铯原子钟准确度：10-13~10-14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。铷原子钟准确度：10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。氢原子钟短期稳定度高：10-14~10-15，但准确度较低（10-12）。3）标准时频的传递1）本地比较法就是用户把自己要校准的装置搬到拥有标准源的地方，或者由有标准源的主控室通过电缆把标准信号送到需要的地方，然后再通过中间测试设备进行比对。2）发送接收标准电磁波法拥有标准源的地方通过发射设备将标准电磁波发送出去，用户用相应的接收设备将标准电磁波接收下来，便可得到标准的时频信号，并与自己的装置比对测量。标准电磁波是指其时间频率受标准源控制的电磁波，或含有标准时频信息的电磁波。5.1.2.2石英晶体振荡器电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。石英有较高的机械稳定性和热稳定性。基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。下图为恒温晶振的组成。1）组成2）指标◆晶体振荡器的主要指标有: 输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波动:2×10-10 ；日老化:1×10-10；秒稳:5×10-12。 输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)。◆几种不同类型的晶体振荡器指标

5.1.4测量方法概述◆频率的测量方法可以分为：差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法5.2

电子计数器的组成原理和测量功能1）电子计数器的分类◆按功能可以分为如下四类：（1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。（2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。（3）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。（4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。5.2.1

电子计数器概述1）电子计数器的分类按用途可分为：

测量用计数器和控制用计数器。按测量范围可分为： （1）低速计数器（低于10MHz） （2）中速计数器（10~100MHz） （3）高速计数器（高于100MHz） （4）微波计数器（1~80GHz）

2）主要技术指标（1）测量范围：毫赫~几十GHz。（2）准确度：可达10-9以上。（3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。（4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可调）、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）闸门时间(测频)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）时标(测周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）显示：包括显示位数及显示方式等。3）电子计数器的发展◆测量方法的不断发展：模拟数字技术智能化。◆测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断提高及功能的扩展和完善。◆例子：●通道：两个225MHz通道，也可 选择第三个12.4GHz通道。●每秒12位的频率分辨率、150ps的时间间隔分辨率。●测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。●处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。4）通用计数器的基本组成通用电子计数器的组成框图如下图所示：5）通用计数器的基本组成通用计数器包括如下几个部分输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。 通过预定标器还可扩展频率测量范围。主门电路：完成计数的闸门控制作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路：控制协调整机工作，即准备测量显示。5.2.2电子计数器的组成原理和测量功能5.2.2.1电子计数器的组成

1）A、B输入通道

2）主门电路 3）计数与显示电路 4）时基产生电路 5）控制电路5.2.2.2电子计数器的测量功能

1）频率测量

2）频率比测量 3）周期测量 4）时间间隔测量 5）自检5.2.2.1电子计数器的组成组成原理框图数字显示器寄存器十进制计数器

A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主门功能开关闸门选择、周期倍乘

÷10

÷10

÷10

÷1010s(×104)1s(×103)100ms(×102)10ms(×10)1ms(×1)

时标选择12345332112445时基部分

×10

×10

÷10

÷10

÷101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制时序电路开门锁存复位控制时序电路波形1）A、B输入通道◆作用：它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发（包括出发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。

通过预定标器（外插件）还可扩展频率测量范围。◆斯密特触发电路：利用斯密特触发器的回差特性，对输入信号具有较好的抗干扰作用。1）A、B输入通道通道组合可完成不同的测量功能：被计数的信号（常从A通道输入）称为计数端；控制闸门开启的信号通道（常从B、C通道输入）称为控制端。从计数端输入的信号有：被测信号(fx);内部时标信号等;从控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号(Tx)等；序号计数端信号控制端信号测试功能计数结果1内时钟（T0）内时钟（T）自检N=T/T02被测信号（fx）内时钟（T）测量频率（A）fx＝N/T3内时钟（T0）被测周期（Tx）测量周期（B）Tx＝NT04被测信号（fA）被测信号（fB）测量频率比（A/B）fA/fB=N5内时钟（T0）被测信号相应间隔tB-C测量时间间隔（A-B）tB-C=NT06外输入（TA）被测信号相应间隔tB-C测量外控时间间隔B-CtB-C=NTA7外待测信号（Nx）手控或遥控累加计数（A）Nx＝N8内时钟（秒信号）手控或遥控计时

N（秒）2）主门电路◆功能：主门也称为闸门，通过“门控信号”控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数。◆电路：由“与门”或“或门”构成。其原理如下图：◆由“与门”构成的主门，其“门控信号”为‘1’时，允许计数脉冲通过；由“或门”构成的主门，其“门控信号”为‘0’时，允许计数脉冲通过。◆“门控信号”还可手动操作得到，如实现手动累加计数。3）计数与显示电路◆功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。 为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路。◆计数电路的重要指标：最高计数频率。 计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的时间限制，使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器，最高计数频率主要由个位计数器决定。◆不同电路具有不同的工作速度：如74LS（74HC）系列为30～40MHz；74S系列为100MHz；CMOS电路约5MHz；ECL电路可达600MHz。3）计数与显示电路类型：单片集成与可编程计数器单片集成的中小规模IC如：74LS90（MC11C90）十进制计数器；74LS390、CD4018(MC14018)为双十进制计数