电子测量技术第4章

时间频率丈量及

调制域分析第4章2第4章时间频率丈量及调制域分析4.1时间频率丈量4.2电子计数器4.3电子计数器丈量误差分析4.4电子计数器性能的改良4.5调制域丈量4.1时间频率丈量44.1.1时间和频率的根本概念时间是国际单位制中七个根本物理量之一,它的根本单位是秒(s)。时间有两种含义：时辰：回答某事件或景象何时发生t1间隔：两个时辰之间的间隔,回答某事件或景象继续多久“时辰〞“间隔〞二者丈量方法是不同的。tU0t1t2t3t4T5时频关系频率规范←→时间规范频率是时间的导出量，在法定计量单位中，是具有专门称号的导出量。频率表征在1秒的时间间隔内，周期景象反复出现的次数，出现1次，称为1Hz。在时间t内，周期景象反复出现n次时，那么频率定义为f=n/t(Hz)。时间准确度取决于频率准确度,其规范一样整个电磁频谱有各种各样的划分方式。在微波技术中，通常按波长划分为米、分米、厘米、毫米、亚毫米波。在无线电广播中，那么划分为长、中、短三个波段。在电视中，把48.5~223MHz按每频道占据8MHz范围带宽划分为1~12频道。总之，频率的划分完全是根据各部门、各学科的需求来划分的。在电子丈量技术中，常以100kHz为界，以下称低频丈量，以上称高频丈量。时频关系时频关系84.1.2时间频率基准UT：以地球自转周期为规范测定的时间UT0(零类世界时)：直接经过天文察看求得的时间秒1秒=地球自转周期1/84600准确度10-6UT1(第一类世界时)：地球自转受极运动的影响,校正了这个偏向而得到世界时UT2(第二类世界时)：再把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时准确度3×10-8ET(历书时)：1900回归年(太阳延续两次经过春分点所阅历的时间)长度的1／31556925.9747为1s。准确度1×10-99时间频率基准近来引进了微观计时规范,这就是利用原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率为基准来计量时间。1967年10月13届国际计量大会正式经过了秒的定义AT(原子时)：“秒是Cs133原子基态的两个超精细能极之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所继续的时间〞。准确度10-13~10-1410时间频率基准世界时和原子时之间互有联络,可以准确运算，但不能彼此取代,各有各的用途。原子时：只能提供准确的时间间隔世界时：思索了时辰和时间间隔。目前国际上已运用经过原子规范修正过的时间来发送规范,用原子时来对天文时进展修正。UTC(协调世界时)：以原子秒定义为秒长,但经过闰秒方法使其时辰与世界时UT1接近的时间尺度。协调世界时是原子时和世界时UT1的一种折衷产物。11频率规范原子频率规范(原子频标)一级原子频标有许多种,高规范的频率规范源大多采用铯束原子频标,它的稳定性、制造反复性较好。原子频标的准确度可达10-13。高精度石英晶体振荡器二级石英有很高的机械稳定性和热稳定性,它的振荡频率受外界要素的影响小,因此比较稳定,频率稳定度可到达10-10。时间规范和频率规范具有同一性。12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。晶体振荡器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。13规范时频的传送本地比较法：用户把本人要核准的安装搬到拥有规范源的地方,或者由有规范源的主控室经过电缆把规范信号送到需求的地方,然后经过中间测试设备进展比对。14规范时频的传送发送—接纳规范电磁波法拥有规范源的地方经过发射设备将规范电磁波发送出去,用户用相应的接纳设备将规范电磁波接纳下来,便可得到规范时频信号,并与本人的安装进展比对丈量。用规范电磁波传送规范时频,是时频量值传送与其他物理量传送方法显著不同的地方,它极大地扩展了时频准确丈量的范围,大大提高了远间隔时频的准确丈量程度。154.1.3时间频率丈量的特点和方法丈量精度高频率(时间)丈量所到达的分辨率和准确度是最高的10-14丈量范围广0.01Hz以下~1012Hz以上，都可以做到高精度的丈量频率(时间)的丈量具有动态性质,即时间频率总在改动着。必需依托信号源和钟的稳定性,期望后一周期是前一周期的准确复现信号可以经过电磁波传播,扩展了时间频率的比对和丈量范围如GPS卫星导航系统,可实现全球范围最高准确度的时频比对和丈量16频率丈量方法模拟法直读法比较法电桥法谐振法拍频法差频法示波法李沙育图形法测周期法计数法电容充放电式电子计式17频率丈量方法概述由于频率是时间的倒数,时间和频率共用一个规范源,并由频率导出时间,所以在实践中往往更多的讨论频率丈量。直接利用电路的某种频率呼应特性来丈量频率电桥法调和振法18频率丈量方法概述利用规范频率和被测频率进展比较来丈量频率拍频法、外差法、示波器法以及计数器测频由于数字电路的开展和数字集成电路的普及,利用电子计数器丈量时间和频率具有精度高,运用方便,迅速以及便于实现丈量过程自动化等一系列突出优点,成为近代频率丈量的重要手段。4.2电子计数器204.2.1电子计数器的功能与组成计数器通常具有三种主要功能累计计数—对输入信号延续地计数频率丈量—在确定的时间内对输入信号计数时间丈量—对周期准确的时标信号计数在三种主要功能的根底上,可扩展多种功能测脉冲宽度测时间差测相位测频率比自检21电子计数器的根本原理电子计数器的根本原理是基于比较法进展丈量根据频率(时间)的A/D转换原理来构成一个数字仪器,应包含：实现量化的比较电路——主门被转换量的输入电路量化单位fc(Tc)的产生电路转换结果N的计数与显示电路控制电路22主门主门也称为闸门功能经过“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。由“与门〞构成的主门,其“门控信号〞为‘1’时,允许计数脉冲经过；由“或门〞构成的主门,其“门控信号〞为‘0’时，允许计数脉冲经过。“门控信号〞还可手动操作得到,照实现手动累加计数。23输入通道组成它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(包括触发电平调理)等单元电路构成作用对输入信号处置以产生符合计数要求(波形、幅度)的脉冲信号。输入电路任务波形图ust0放大ttt000整形微分A输入(T0或Fx)24输入通道通道组合可完成不同的丈量功能：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；25时基产生电路功能：产生测频时的“门控信号〞(多档闸门时间可选)及时间丈量时的“时标〞信号(多档可选)。实现：由内部晶体振荡器(也可外接),经过倍频或分频得到。26时基产生电路要求：规范性:“门控信号〞和“时标〞作为计数器频率和时间丈量的本地任务基准,该当具有高稳定度和高准确度。多值性：为了顺应计数器较宽的丈量范围,要求“闸门时间〞和“时标〞可多档选择。27控制电路功能：产生各种控制信号,控制、协调各电路单元的任务使整机按“复零－丈量－显示〞的任务程序完成自动丈量的义务。电子计数器的任务流程图预备期复零，等待丈量期开门，计数显示期关门,停顿计数28计数与显示电路计数电路对经过主门的脉冲进展计数(计数值代表了被测频率或时间),并经过数码显示器将丈量结果直观地显示出来。为了便于察看和读数,通常运用十进制计数电路29计数与显示电路计数电路的重要目的：最高计数频率计数电路普通由多级双稳态电路构成,受内部形状翻转的时间限制,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议。显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。304.2.2.电子计数器丈量频率和周期根据频率的定义,假设某一信号在T秒时间内反复变化了N次,那么该信号的频率为：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。A0011B0101C000131电子计数器丈量频率计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成,由于其开启时间为T,所以称为“闸门时间〞。闸门时间通常以秒为单位,普通有10s,1s,0.1s,0.01s等几种,为了获得较多的丈量位数及丈量精度,较长的闸门时间普通用来丈量较低的频率32电子计数器丈量频率由于计数器的位数总是有限的,对于较高频率,那么应选用较小的闸门时间,以免使丈量数据溢出当被测信号的频率太低时,闸门时间(丈量时间)将会长到丈量者无法忍受的程度。例如,丈量1Hz左右的信号频率,位数需到达6位,那么闸门时间至少应为105s(约1个月),这显然是不可行的33电子计数器测周根本原理对于较低频率信号宜采取先丈量其周期T,然后再根据fx=1/Tx的关系求得其频率电子计数器丈量周期的原理34脉冲的宽度的丈量将测周原理中门控电路稍加改动,可丈量多种时间以下图为脉冲宽度丈量的原理图。它既可测正脉冲宽度,又可测负脉冲宽度。输入的被测信号首先进入整形电路,该电路除将被测信号整形为峻峭方波外,还经过倒相输出一对极性相反的信号,即图(b)中a,b点的信号。

35时间间隔的丈量周期的丈量,本质上也是时间间隔的丈量丈量一个周期信号波形上两相邻同相位点之间的时间间隔。我们还可把它扩展到同一信号波形上两个不同点之间的时间间隔的丈量。36时间间隔的丈量37时间间隔的丈量时间间隔的丈量有两种任务方式：S断开,两个通道是完全独立的,来自两个信号源的信号控制计数器任务；用于丈量两个信号的时间差两个独立的输入通道(B、C)可分别设置触发电平和触发极性(触发沿)B为起始通道,用来开启主门C的信号为计数器的终止信号38时间间隔的丈量S闭合,两个输入端并联,仅一个信号加到计数器,但可独立地选择触发电平和触发极性,以完成起始和终止功能。用于丈量一个信号恣意两点间的时间间隔。39相位的丈量相位的丈量实践是指两个同频周期性信号的相位差的丈量先将S闭合，选择一样极性，测出一路信号周期T。再将S断开，分别输入两路被测信号，选择一样极性触发，测出两路信号一样边沿穿过触发电平的时间差Tx相位差的丈量tφφ··T360ºt40丈量频率比频率比f1／f2是加于A、B两路的信号源的频率比值自检41实践原理框图：42累计计数累计计数——对输入信号延续地计数传送带上的废品计数剪票口、百货商店、展览会的入场人数统计行人、自行车、船舶等交通量的丈量电线、钢板之类物体的长度丈量间隔丈量流量丈量分量丈量液面位置丈量传送带上的物品43频率丈量频率丈量——在确定的时间内对输入信号计数频率丈量(RC振荡器、信号发生器等)转速丈量(内燃机、电动机、滚筒)机械振动流量丈量产速率丈量44时间丈量时间丈量——对周期准确的时标信号计数快门时间丈量继电器动作时间丈量体育运动竞赛的计时速度丈量〔汽车或火车等运动中的物体、飞行中的物体、坠落的物体、流体〕水位、间隔丈量粘度、力矩、功率的丈量相位差丈量化学试剂反响时间的丈量电子计数器的运用45间隔的计数丈量用计数法丈量子弹的飞行速度46电子自动裁判安装的显示精度虽然不超越百分之一秒,但是它可以鉴别五千分之一秒的时间差,可以极准确地判别到达终点的先后次序,可以清楚地域别出利用摄影技术也很难鉴别的时间差。电子裁判4.3电子计数器

丈量误差分析计数误差测频时,主门的开启时辰与计数脉冲间的时间关系是不相关的,即它们在时间轴上的相对位置是随机的计数器值NT通常不是Tx的整数倍频率量化时带来的误差称量化误差,又称脉冲计数误差或±1误差。49量化误差量化误差：将模拟量转换为数字量(量化)时所产生的误差数字化仪器所特有的误差。计数法的最大量化误差为末尾±1字。±1误差的大小与门控时间T有关,T越大,±1误差越小。±1误差往往是丈量误差的主要部分。50时基误差闸门时间不准,呵斥主门启闭时间或长或短,显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc(周期为Tc),那么有=1×10-7~1×10-10石英晶体性能和切割方式----消费厂石英振荡器的输出频率准确度决议温度的影响---单、双层恒温糟振荡电路的质量----电路优化设计51测频误差计数器直接测频的误差主要有两项±1误差规范频率误差普通总误差可采用分项误差绝对值合成,即被测频率fx越高,闸门时间T越大,测频的相对误差Δfx/fx越小,即测频的准确度越高。52测频误差53电子计数器测周误差分析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5455噪声干扰引起的触发误差被测信号脉冲的构成通常采用施密特触发器。在不存在噪声干扰的情况下,施密特触发器可以将正弦波等较为规那么的信号整型成周期与输出信号一样的矩形脉冲来作为计数脉冲或闸门控制信号。56噪声干扰引起的触发误差假设被测信号中含有较强的噪声干扰(噪声干扰的幅度大于施密特触发器的触发窗口),且干扰脉冲落在施密特触发器的触发窗口内,将会使施密特触发器产生误触发,从而使计数器产生错误计数。57触发转换误差触发误差的表示图如以下图所示,图中所画干扰信号是延续的,但它也可以是离散的噪声脉冲。干扰信号的出现使触发转换时间出现了或前或后的错位,即闸门时间中包含了误差ΔT1及ΔT2。vx=VmSinωxt58测周误差综合上面的讨论,可知测周误差由三部分组成:量化误差时基误差触发误差因此,测周法的总误差(采用绝对值合成法.按最坏的情况思索)为59测周误差为了减小丈量误差,提高丈量的准确度,应留意:⑴在条件允许的情况下,尽量提高时标信号(计数脉冲)的频率fs。⑵提高晶振频率的准确度和稳定度。⑶运用周期倍乘法,把主门时间从被测信号的周期Tx扩展为mTx,通常m为10n(n＝1,2,…)。此时,测周误差为60测周误差例题1：被测信号fx=10Hz，采用测周法，知信噪比为20dB，当周期被乘开关分别置乘1和乘1000时，由触发误差引入的测周误差为多少？例题2：某计数器最高规范频率fcmax=10MHz。假设忽略规范频率误差和触发误差，那么当被测时间间隔Tx为50us和5us丈量误差。假设最高规范频率fcmax一定，且给定最大相对误差rmax，最小可丈量的时间间隔是多少？61中界频率直接测频与测周法测频的相对误差是不一样的量化误差：测频：fx↑ΔN／N↓T=1s,fx=106Hz,ΔN／N=10-6fx=108Hz,ΔN／N=10-8测周：fx↑ΔN／N↑fc=10Hz,fx=10Hz,ΔN／N=10-5fx=100Hz,ΔN／N=10-462误差分析假设被测频率fx较高,那么直接丈量频率,以坚持最正确的丈量形状；假设被测频率fx较低,那么运用测周法测频。所谓高频低频是以中界频率为界划定的中界频率：对某信号运用测频法和测周法丈量频率,两者引起的误差相等,那么该信号的频率定义为中界频率63中界频率令测频误差和测周误差相等求得测频与测周相对误差都一样的中界频率为：64中界频率例题3某电子计数器，假设可取的最大的T、fc值分别为10s、100MHz，并取k=104,n=102，试确定该仪器可以选择的中界频率fm。65电子计数器的分类⑴通用计数器：可丈量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其丈量功能可扩展。⑵频率计数器：其功能限于测频和计数,但测频范围往往很宽⑶时间计数器：以时间丈量为根底,可丈量周期、脉冲参数等,其测时分辨力和准确度很高。⑷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66主要技术目的⑴丈量范围:mHz~GHz。⑵准确度:可达10-9以上。⑶晶振频率及稳定度:晶体振荡器是电子计数器的内部基准,普通要求高于所要求的丈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。⑷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。⑸闸门时间(测频):有1ms,10ms,100ms,1s,10s。⑹时标(测周):有10ns、100ns、1ms、10ms。⑺显示:包括显示位数及显示方式等。4.4计数器性能的改良68计数器的改良计数器的改良主要表达在减小丈量误差方面,在计数器开展中提出假设干从电路构造上的改良措施。最突出的是运用了μP和IC技术的微机化等相对误差计数器,它是计数器最重要的改良之一。传统计数器在测低频信号时不能用测频方式,测高频信号时不能用测周方式,否那么±1误差会很大69微机化等相对误差计数器微机化等相对误差计数器的原理如简图,它既可以测周期又可以测频率。电路中有S和C两个计数器,分别对被测信号S和知时钟信号C进展计数。70微机化等相对误差计数器例题4分别用通用计数器和多周期同步计数器对50Hz正弦信号频率进展丈量，计算其误差。闸门时间为1s，晶振规范频率为1MHz71提高计数器准确度的常见措施抑制计数错误的常见措施抑制计数错误最主要的就是防止触发整形电路中发生误触发。触发整形电路任务不正常,必然导致闸门时间不对或者计数脉冲个数不对,最终呵斥丈量结果错误。72提高计数器准确度的常见措施减小计数误差的电路改良措施由于计数误差或者说±1误差往往是计数器误差的主要成分,所以减小它就成为改良的重要方面。在通常情况下计数误差为±1／N,一方面前面讨论了不少增大N的方法,另一方面人们也思索能否在减小“l〞的影响上做文章。73内插扩展法为丈量时间间隔Tx＝Nτ＋Δt1－Δt2T的丈量与普通计数器一样,Δt1和Δt2采用内插法来丈量,即用两个内插器将Δt1和Δt2分别扩展1000倍,然后再在扩展后的时间间隔内,对同一时钟脉冲进展计数,故被测时间间隔74游标法游标法是利用机械丈量中游标卡尺的概念来求Δt1和Δt2游标法运用两种频率非常接进的时钟信号f和f1Tx＝N