電子測(cè)量第5章時(shí)頻測(cè)量(新)

1、第五章第五章 時(shí)頻測(cè)量時(shí)頻測(cè)量本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：u 時(shí)間的原始基準(zhǔn)時(shí)間的原始基準(zhǔn)u電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻方法及誤差分析測(cè)頻方法及誤差分析u電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器測(cè)周方法及誤差分析測(cè)周方法及誤差分析 u 時(shí)間間隔的測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量u調(diào)制域分析調(diào)制域分析 5.1 頻率與時(shí)間的原始基準(zhǔn)頻率與時(shí)間的原始基準(zhǔn)5.1.1 時(shí)頻關(guān)系時(shí)頻關(guān)系指某事件發(fā)生的瞬間。如指某事件發(fā)生的瞬間。如t tl l時(shí)刻開(kāi)始出現(xiàn)，在時(shí)刻開(kāi)始出現(xiàn)，在t t2 2時(shí)刻消失；通常要與時(shí)刻消失；通常要與年月日時(shí)分秒年月日時(shí)分秒關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián) 。“時(shí)間時(shí)間 ”“時(shí)刻時(shí)刻”, “間隔間隔”,即兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔，表示該事件持續(xù)了多即兩個(gè)時(shí)刻之

2、間的間隔，表示該事件持續(xù)了多久久. .如圖中，如圖中， t t = =t t2 2- -t tl l是兩時(shí)刻之間的是兩時(shí)刻之間的“間隔間隔”, ,例如矩形脈沖持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。例如矩形脈沖持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。 “周期周期”是指同一事件重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間，是指同一事件重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間，如如T。 “頻率頻率”是單位時(shí)間（是單位時(shí)間（1秒）內(nèi)周期性事秒）內(nèi)周期性事 件重復(fù)的次數(shù)，單位是赫茲件重復(fù)的次數(shù)，單位是赫茲Hz。圖圖4.1 4.1 時(shí)頻關(guān)系示意圖時(shí)頻關(guān)系示意圖t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T電子表走時(shí)是否準(zhǔn)確取決于電子表走時(shí)是否準(zhǔn)確取決于石英晶體作振蕩器石英晶體作振

3、蕩器.設(shè)石英晶設(shè)石英晶 體振蕩器日頻率穩(wěn)定度為體振蕩器日頻率穩(wěn)定度為10-6610246060t則日誤差：則日誤差：頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 32768Hz32768Hz（2 21515HzHz）液晶屏液晶屏分分頻頻計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)譯譯碼碼2 215151 1秒秒60601 1分分60601 1小時(shí)小時(shí)2424日日?qǐng)D圖4.2 4.2 電子表的組成原理電子表的組成原理振振蕩蕩驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)5.1.2 時(shí)頻基準(zhǔn)時(shí)頻基準(zhǔn)時(shí)間的單位是秒。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間的單位是秒。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“秒秒”的定義曾作過(guò)三的定義曾作過(guò)三次重大的修改：次重大的修改：1.世界時(shí)秒（世界時(shí)秒（UT）由天文觀測(cè)得到的，以

4、地球自轉(zhuǎn)周期為標(biāo)準(zhǔn)而測(cè)定的時(shí)間稱(chēng)為由天文觀測(cè)得到的，以地球自轉(zhuǎn)周期為標(biāo)準(zhǔn)而測(cè)定的時(shí)間稱(chēng)為世界時(shí)（世界時(shí)（UT）。定義地球自轉(zhuǎn)周期的）。定義地球自轉(zhuǎn)周期的 186400作為世界時(shí)的作為世界時(shí)的1s，零類(lèi)世界時(shí)（零類(lèi)世界時(shí)（UT0），），其準(zhǔn)確度在其準(zhǔn)確度在10-6量級(jí)。量級(jí)。校正后的世界時(shí)稱(chēng)為校正后的世界時(shí)稱(chēng)為第二類(lèi)世界時(shí)（第二類(lèi)世界時(shí)（UT2）,其準(zhǔn)確度在其準(zhǔn)確度在310-8量級(jí)。量級(jí)。歷書(shū)時(shí)秒歷書(shū)時(shí)秒(ET)是以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)定義的時(shí)間，是以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)定義的時(shí)間，作為時(shí)間單位提高到十億分之一秒，即作為時(shí)間單位提高到十億分之一秒，即110-9量級(jí)。量級(jí)。世界時(shí)秒是世界時(shí)秒是與年、月、日、時(shí)

5、、分、秒相關(guān)聯(lián)的，屬年歷計(jì)時(shí)。與年、月、日、時(shí)、分、秒相關(guān)聯(lián)的，屬年歷計(jì)時(shí)。地球地球太陽(yáng)太陽(yáng)從宏觀世界轉(zhuǎn)向微觀世界，利用原子能級(jí)躍遷頻率作為計(jì)時(shí)標(biāo)從宏觀世界轉(zhuǎn)向微觀世界，利用原子能級(jí)躍遷頻率作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)。1967年年10月第月第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的定義：屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的定義：“秒秒”是是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)F=4，mF=0和和F=3，mF=0之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9192631770個(gè)周期的時(shí)間個(gè)周期的時(shí)間” 2.原子時(shí)秒（原子時(shí)秒（AT）F=4F=4mmF F=0=0F=3F=3mmF

6、 F=0=091926317709192631770個(gè)周期個(gè)周期= =1 1秒秒躍遷躍遷頻率頻率很高很很高很穩(wěn)定穩(wěn)定為原子時(shí)秒為原子時(shí)秒(記作記作AT)。并自。并自1972年年1月月1日零時(shí)起，時(shí)間單位秒日零時(shí)起，時(shí)間單位秒由天文秒改為原子秒。這樣，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)改為由頻率標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義，由天文秒改為原子秒。這樣，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)改為由頻率標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義，其準(zhǔn)確度可達(dá)其準(zhǔn)確度可達(dá)510-14，是所有其它物理量標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。，是所有其它物理量標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。3.協(xié)調(diào)世界時(shí)秒（協(xié)調(diào)世界時(shí)秒（UTC） 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

7、的用處。代，各有各的用處。 原子時(shí)只能提供準(zhǔn)確的時(shí)間間隔，而世界時(shí)考慮了原子時(shí)只能提供準(zhǔn)確的時(shí)間間隔，而世界時(shí)考慮了時(shí)刻時(shí)刻（年（年月日時(shí)分秒）和時(shí)間月日時(shí)分秒）和時(shí)間間隔間隔。 協(xié)調(diào)世界時(shí)秒（協(xié)調(diào)世界時(shí)秒（UTC）是原子時(shí)和世界時(shí)折衷的產(chǎn)物，即用閏）是原子時(shí)和世界時(shí)折衷的產(chǎn)物，即用閏秒的方法來(lái)對(duì)天文時(shí)進(jìn)行修正。這樣，國(guó)際上則可采用協(xié)調(diào)世秒的方法來(lái)對(duì)天文時(shí)進(jìn)行修正。這樣，國(guó)際上則可采用協(xié)調(diào)世界時(shí)來(lái)發(fā)送時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，既擺脫了天文定義，又使準(zhǔn)確度可提高界時(shí)來(lái)發(fā)送時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，既擺脫了天文定義，又使準(zhǔn)確度可提高45個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)在各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)播臺(tái)所發(fā)送的就是世界協(xié)個(gè)數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)在各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)播臺(tái)所發(fā)送的就是世界

8、協(xié)調(diào)時(shí)調(diào)時(shí)UTC，其準(zhǔn)確度優(yōu)于，其準(zhǔn)確度優(yōu)于210-11。我國(guó)的中國(guó)計(jì)量科學(xué)院、。我國(guó)的中國(guó)計(jì)量科學(xué)院、陜西天文臺(tái)、上海天文臺(tái)都建立了地方原子時(shí)，參加了國(guó)際原陜西天文臺(tái)、上海天文臺(tái)都建立了地方原子時(shí)，參加了國(guó)際原子時(shí)（子時(shí)（TAI）200多臺(tái)原子鐘聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行加權(quán)平均修正，作為我國(guó)多臺(tái)原子鐘聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行加權(quán)平均修正，作為我國(guó)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)由中央人民廣播電臺(tái)發(fā)布。時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)由中央人民廣播電臺(tái)發(fā)布。 7年來(lái)首次閏秒2005年底實(shí)施2005年7月4日，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）發(fā)布C公報(bào)，協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）將在2005年底實(shí)施一個(gè)正閏秒，即增加1秒。屆時(shí)，所有的時(shí)鐘將撥慢1秒。具體實(shí)施步驟如下：UTC協(xié)調(diào)世

9、界時(shí)：23時(shí)59分59秒（2005年12月31日）23時(shí)59分60秒（2005年12月31日）00時(shí)00分00秒（2006年1月1日）相應(yīng)地，北京時(shí)間：7時(shí)59分59秒（2006年1月1日）7時(shí)59分60秒（2006年1月1日）8時(shí)00分00秒（2006年1月1日）世界時(shí)是基于地球自轉(zhuǎn)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，原子時(shí)是基于原子物理技術(shù)的一種更加均勻的時(shí)間系統(tǒng)。由于兩種時(shí)間尺度速率上的差異，一般來(lái)說(shuō)12年會(huì)差1秒。我們?nèi)粘Ｉ钏玫臅r(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），它是一種折衷的時(shí)間尺度，用原子時(shí)的速率，而在時(shí)刻上逼近世界時(shí)，所用方法就是“閏秒”，也就是協(xié)調(diào)世界時(shí)和世界時(shí)之差即將超過(guò)0.9秒時(shí)，就對(duì)協(xié)調(diào)世界

10、時(shí)作一整秒的調(diào)整。由于地球自轉(zhuǎn)變慢，而引起到2005年底協(xié)調(diào)世界時(shí)和世界時(shí)之差即將越限，因此，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織宣布此次閏秒。 上一次閏秒發(fā)生在7年之前的1999年1月1日。國(guó)家授時(shí)中心在時(shí)間頻率公報(bào)中提前數(shù)月向全國(guó)時(shí)間用戶(hù)通知了這一消息。我們?nèi)粘Ｋ玫谋本r(shí)間既不是原子時(shí)（TAI），也不是世界時(shí)(UT1)，而是協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)。相對(duì)于以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(shí)來(lái)說(shuō)，原子時(shí)是均勻的計(jì)量系統(tǒng)，這對(duì)于測(cè)量時(shí)間間隔非常重要，但世界時(shí)時(shí)刻反映了地球在空間的位置，這也是需要的。為兼顧這兩種需要，引入了協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）系統(tǒng)。UTC在本質(zhì)上還是一種原子時(shí)，因?yàn)樗拿腴L(zhǎng)規(guī)定要和原子時(shí)秒長(zhǎng)相等，只是在時(shí)

11、刻上，通過(guò)人工干預(yù)，盡量靠近世界時(shí)。 協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）盡量靠近世界時(shí)(UT1)的意思是：必要時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)世界時(shí)作一整秒的調(diào)整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的時(shí)刻之差保持在0.9秒以?xún)?nèi)。這一技術(shù)措施就稱(chēng)為閏秒（或跳秒），增加1秒稱(chēng)為正閏秒（或正跳秒）；去掉1秒稱(chēng)為負(fù)閏秒（或負(fù)跳秒）。是否閏秒，由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（英文縮寫(xiě)為IERS）決定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正閏秒，則在閏秒當(dāng)天的23時(shí)59分59秒后插入1秒，插入后的時(shí)序是：58秒，59秒，60秒，0秒，這表示地球自轉(zhuǎn)慢了，這一天不是86400秒，而是86401秒；如果

12、是負(fù)閏秒，則把閏秒當(dāng)天23時(shí)59分中的第59秒去掉，去掉后的時(shí)序是：57秒，58秒，0秒，這一天是86399秒。最近的一次跳秒日是1999年1月1日。國(guó)家授時(shí)中心（陜西天文臺(tái)）在1998年11月的時(shí)間頻率公報(bào)中通知了這一消息，使BPM、BPL時(shí)號(hào)用戶(hù)周知。國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）如通知跳秒，該通知至少要提前8周發(fā)出。Jobs 關(guān)于時(shí)間的哲學(xué)Your time is limited, so dont waste it living someone elses life. Dont be trapped by dogma - which is living with the results

13、 of other peoples thinking. Dont let the noise of others opinions drown out your own inner voice. And most important, have the courage to follow your heart and intuition. They somehow already know what you truly want to become. Everything else is secondary. 你的時(shí)間是有限的，不要浪費(fèi)在重復(fù)別人的生活上。不要被教條束縛，那意味著會(huì)和別人思考的

14、結(jié)果一塊兒生活。不要被其他人的喧囂觀點(diǎn)掩蓋自己內(nèi)心真正的聲音。你的直覺(jué)和內(nèi)心知道你想要變成什么樣子。所有其他東西都是次要的。 5.1.3 頻率測(cè)量方法頻率測(cè)量方法頻率測(cè)量方法頻率測(cè)量方法模擬法模擬法計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)法法頻響頻響法法比較法比較法電橋法電橋法諧振法諧振法拍頻法拍頻法差頻法差頻法示波法示波法李沙育圖形法李沙育圖形法測(cè)周期法測(cè)周期法電容充放電式電容充放電式電子計(jì)數(shù)式電子計(jì)數(shù)式1 11010-8-81 11010-13-13量級(jí)量級(jí)1 11010-2-2量級(jí)量級(jí)5.2 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率5.2.1. 電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理1.基本原理基本原理根據(jù)頻率的定義，若某一

15、信號(hào)在根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則次，則該信號(hào)的頻率為：該信號(hào)的頻率為： TNfx（5-1） 門(mén)電路復(fù)習(xí)：門(mén)電路復(fù)習(xí)： 與門(mén)與門(mén)A A1/01/0B B1 1/ /0 0c c1/01/0同理同理“或或”門(mén)、與非、或非門(mén)等也有類(lèi)似功能。門(mén)、與非、或非門(mén)等也有類(lèi)似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由圖可見(jiàn)：由圖可見(jiàn)：TNTx因此因此TNfx實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻原理原理：“定時(shí)計(jì)數(shù)定時(shí)計(jì)數(shù)”實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：比較法比較法 圖圖5.2 5.2 測(cè)頻的原理測(cè)頻的原理與與門(mén)門(mén)A AB BT T1s1sT

16、TN NT Tx xC C1s1s重點(diǎn)掌握2組成框圖組成框圖 下圖是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)頻的框圖。它主要由下列四部分組成。下圖是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)頻的框圖。它主要由下列四部分組成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 時(shí)基電路時(shí)基電路計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)一一 輸入電路輸入電路 分分 頻頻 顯示顯示 晶晶 振振 門(mén)門(mén) 控控 主主門(mén)門(mén)控制電路控制電路 A AB BC CD DE E1)輸入單元輸入單元 由放大整形電路和主門(mén)電路組成。由放大整形電路和主門(mén)電路組成。 被測(cè)輸入周期信號(hào)（頻率為被測(cè)輸入周期信號(hào)（頻率為fx，周期

17、為周期為T(mén)x）經(jīng)放大、整形、微分）經(jīng)放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脈沖，送主門(mén)的一的窄脈沖，送主門(mén)的一個(gè)輸入端。個(gè)輸入端。 圖圖4.5 4.5 輸入電路工作波形圖輸入電路工作波形圖u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A輸入輸入( (T T0 0或或F Fx x ) )放大放大整形整形微分微分2)時(shí)基（時(shí)基（T）電路）電路兩個(gè)兩個(gè)特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)標(biāo)準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)性 閘門(mén)時(shí)間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測(cè)頻率高一數(shù)量級(jí)以上，故閘門(mén)時(shí)間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測(cè)頻率高一數(shù)量級(jí)以上，故通常通常晶振晶振頻率穩(wěn)定度要求達(dá)頻率穩(wěn)定度要求達(dá)10-610-10。（。（恒溫糟恒溫糟）(2)多值性多值性 閘門(mén)時(shí)間閘

18、門(mén)時(shí)間T不一定為不一定為1秒，應(yīng)讓用戶(hù)根據(jù)測(cè)頻精度和秒，應(yīng)讓用戶(hù)根據(jù)測(cè)頻精度和速度的不同要求自由選擇。例如速度的不同要求自由選擇。例如（教材（教材p191,圖圖4-3） 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 門(mén)控（雙穩(wěn)）電路：門(mén)控（雙穩(wěn)）電路： TT3)計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路 這部分電路的作用，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是這部分電路的作用，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是計(jì)數(shù)被測(cè)周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù)，顯示計(jì)數(shù)被測(cè)周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù)，顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、被測(cè)信號(hào)的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。邏輯控制電路、譯碼

19、器和顯示器組成。 4)控制電路控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按一定的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。一定的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)器的工作按照器的工作按照“復(fù)零一測(cè)量復(fù)零一測(cè)量顯示顯示”的的程序自動(dòng)地進(jìn)行，其工作流程如圖程序自動(dòng)地進(jìn)行，其工作流程如圖4.6所示。所示。 準(zhǔn)備準(zhǔn)備期期（復(fù)零，等待）（復(fù)零，等待）顯示顯示期期（關(guān)門(mén)，停止計(jì)數(shù)）（關(guān)門(mén)，停止計(jì)數(shù)）測(cè)量測(cè)量期期（開(kāi)門(mén)，計(jì)數(shù)）（開(kāi)門(mén)，計(jì)數(shù)）圖圖4.6 4.6 電子計(jì)數(shù)

20、器的工作流程圖電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖請(qǐng)注意：請(qǐng)注意：測(cè)頻模式顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的測(cè)頻模式顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，意義，它它表示了頻率測(cè)量的分辨力表示了頻率測(cè)量的分辨力。例如：例如：閘門(mén)時(shí)間閘門(mén)時(shí)間Ts=1s，若計(jì)數(shù)值，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的則顯示的fx為為“10000”Hz，或，或“10.000”kHz。如閘門(mén)時(shí)間如閘門(mén)時(shí)間Ts=0.1s，則計(jì)數(shù)值，則計(jì)數(shù)值N=1000，則，則顯示的顯示的fx為為“10.00”kHz。5.2.2. 測(cè)頻模式誤差分析測(cè)頻模式誤差分析由第二章誤差傳遞公式（由第二章誤差傳遞公式（2-28，教材，教材p46）jmjjxxfy1可對(duì)可對(duì)式式TNfx求

21、得求得 TTNNffxx計(jì)數(shù)誤差時(shí)基誤差TNfx12TNTfxTTNNffxxTNfxTTNTNTTfNNffxxx2公式推導(dǎo)過(guò)程：公式推導(dǎo)過(guò)程：1.量化誤差量化誤差計(jì)數(shù)誤差、計(jì)數(shù)誤差、1誤差誤差在測(cè)頻時(shí)，在測(cè)頻時(shí)，主門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相主門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，即是說(shuō)它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。關(guān)的，即是說(shuō)它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。這樣，既這樣，既便在相同的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間便在相同的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間T，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同。，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同?？赡芏嗫赡芏?個(gè)或少個(gè)或少1個(gè)的個(gè)的1誤差，這是頻率量化時(shí)帶來(lái)的誤差故誤差，這

22、是頻率量化時(shí)帶來(lái)的誤差故稱(chēng)量化誤差，又稱(chēng)脈沖稱(chēng)量化誤差，又稱(chēng)脈沖計(jì)數(shù)誤差或計(jì)數(shù)誤差或1誤差誤差。 TfNNNx11NN= =1 1 N=f N=fx xT T圖圖4.7 4.7 量化誤差量化誤差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)黑門(mén)進(jìn)8個(gè)脈沖紅門(mén)進(jìn)7個(gè)脈沖教材教材p1942.閘門(mén)時(shí)間誤差（時(shí)基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差）閘門(mén)時(shí)間誤差（時(shí)基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差） TTNNffxx 閘門(mén)時(shí)間不準(zhǔn)，造成主門(mén)啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，顯然要產(chǎn)生測(cè)閘門(mén)時(shí)間不準(zhǔn)，造成主門(mén)啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，顯然要產(chǎn)生測(cè) 頻

23、誤差。閘門(mén)信號(hào)頻誤差。閘門(mén)信號(hào)T是由晶振信號(hào)分頻而得。設(shè)晶振頻率為是由晶振信號(hào)分頻而得。設(shè)晶振頻率為fc（周期為（周期為T(mén)c），則有），則有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶體性能和切割方式石英晶體性能和切割方式-生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠 石英振蕩器的輸出石英振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確度決定頻率準(zhǔn)確度決定 溫度的影響溫度的影響-單、雙層恒溫糟單、雙層恒溫糟 振蕩電路的質(zhì)量振蕩電路的質(zhì)量-電路優(yōu)化設(shè)計(jì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì) 為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，振蕩器的為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，振蕩器的輸輸出頻率穩(wěn)定度出頻率穩(wěn)定度應(yīng)比應(yīng)比1誤差誤差引起的測(cè)頻誤差引起的測(cè)頻誤差低一個(gè)數(shù)量級(jí)低一個(gè)

24、數(shù)量級(jí)為分頻系數(shù)kfkkTTcc,2ccffkT5.2.3. 結(jié)論結(jié)論1.計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要有兩項(xiàng)主要有兩項(xiàng) 即即1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般總誤差可采用分項(xiàng)差一般總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即誤差絕對(duì)值合成，即 )1(ccxxxffTfff（4-5） 2.測(cè)量低頻時(shí)，由于測(cè)量低頻時(shí)，由于1誤誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人例如，例如，fx= 10Hz，T=1s，則由，則由1誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)10，所以，所以，測(cè)量低頻時(shí)不宜采用直接測(cè)頻方法。測(cè)量低頻時(shí)不宜采用直接測(cè)頻方法。5.3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)周電子計(jì)數(shù)法測(cè)周

25、5.3.1.電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的必要性電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的必要性 如前所述，當(dāng)被測(cè)頻率如前所述，當(dāng)被測(cè)頻率fx較低時(shí)，利用計(jì)數(shù)器直較低時(shí)，利用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的接測(cè)頻的1誤差所引起的測(cè)頻誤差將會(huì)達(dá)到不誤差所引起的測(cè)頻誤差將會(huì)達(dá)到不可允許的程度。所以可以先測(cè)周期可允許的程度。所以可以先測(cè)周期Tx，然后計(jì)算，然后計(jì)算fx=1/Tx。 測(cè)量原理是以測(cè)量原理是以Tx（被測(cè)信號(hào)）作為門(mén)控信號(hào)對(duì)時(shí)（被測(cè)信號(hào)）作為門(mén)控信號(hào)對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)（晶振分頻）進(jìn)行計(jì)數(shù)，基本原理與測(cè)頻標(biāo)信號(hào)（晶振分頻）進(jìn)行計(jì)數(shù)，基本原理與測(cè)頻模式正好相反，本質(zhì)也是比較法。模式正好相反，本質(zhì)也是比較法。 因?yàn)橐驗(yàn)閒x越低，越低，Tx越大，計(jì)數(shù)器

26、計(jì)得的數(shù)越大，計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)N越大，越大， 1誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響自然減小誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響自然減小。5.3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)周電子計(jì)數(shù)法測(cè)周5.3.2.電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理 （參見(jiàn)p158圖5-3)t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Ts sT Ts sN NT Tx xT Tx x由右圖可得由右圖可得csxkTNNTT5.3.3. 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析1.量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差與分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻時(shí)的誤差類(lèi)似，這里與分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻時(shí)的誤差類(lèi)似

27、，這里 ，根據(jù)，根據(jù)誤差傳遞公式可得誤差傳遞公式可得 根據(jù)圖根據(jù)圖5-3所示的測(cè)周原理，可得所示的測(cè)周原理，可得 ，而，而N=1 ssxxTTNNTTkfTkTTTTNcxcxsxcccxcccxxxfffTkTTfTkTTSxNTT 2.觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差測(cè)周時(shí)，還有一項(xiàng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。下圖給出了一測(cè)周時(shí)，還有一項(xiàng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。下圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的情況，即干擾為一尖峰脈沖個(gè)簡(jiǎn)單的情況，即干擾為一尖峰脈沖Un，UB為施密特電路觸為施密特電路觸發(fā)電平?？梢?jiàn)，施密特電路將提前在發(fā)電平?？梢?jiàn)，施密特電路將提前在 1AxT1T觸發(fā)，于是形成的方觸發(fā)，于是形成的方波周期為波周期為 ，

28、即產(chǎn)生，即產(chǎn)生 的誤差，稱(chēng)的誤差，稱(chēng)“轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差”(或觸發(fā)誤差或觸發(fā)誤差)。 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圖圖 轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生與計(jì)算轉(zhuǎn)換誤差的產(chǎn)生與計(jì)算a aU Un n T T1 1A A1 1A A 1 1 b b( (b b) )( (a a) )BUBxUuxdtdutantan1nUT 從圖可得從圖可得 式中式中Un干擾或噪聲幅度。干擾或噪聲幅度。設(shè)被測(cè)信號(hào)為正弦波設(shè)被測(cè)信號(hào)為正弦波 tUuxmxsinBxUuxdtdutan2212sin1

29、2costanmBxmBxmxBxmxVxUUTUtUTtUdtduBxBtt BxmBtUUsin將上式代入，實(shí)際上將上式代入，實(shí)際上 mBUU ，得，得mnxUUTT21式中式中 Um信號(hào)振幅。信號(hào)振幅。 同樣，在正弦信號(hào)下一個(gè)上升沿上同樣，在正弦信號(hào)下一個(gè)上升沿上(圖中圖中A2點(diǎn)附近點(diǎn)附近)也可能存在也可能存在于擾，即也可能產(chǎn)生于擾，即也可能產(chǎn)生 觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差 2:TmnxUUTT22由于干擾或噪聲都是隨機(jī)的，所以由于干擾或噪聲都是隨機(jī)的，所以 1T和和 2T都屬于隨機(jī)誤差，都屬于隨機(jī)誤差，我們可按我們可按 2221TTTn來(lái)合成，于是可得來(lái)合成，于是可得mnxxnUUTTTTT21

30、2221 （5-5b） 多周期測(cè)量多周期測(cè)量進(jìn)一步分析可知，多周期測(cè)量可以減小轉(zhuǎn)換誤差和進(jìn)一步分析可知，多周期測(cè)量可以減小轉(zhuǎn)換誤差和 1 1誤差。誤差。我們可以利用下圖我們可以利用下圖 多周期測(cè)量可減小轉(zhuǎn)換誤差多周期測(cè)量可減小轉(zhuǎn)換誤差 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無(wú)干擾無(wú)干擾A A 2 2T T2 2x x T T2 2T T1 01 0 x x1010T Tx x T T2 2A A 1010T Tx x有干擾有干擾來(lái)說(shuō)明，圖中取周期倍增系數(shù)來(lái)說(shuō)

31、明，圖中取周期倍增系數(shù)10為例，即測(cè)為例，即測(cè)10個(gè)周期。從圖個(gè)周期。從圖可見(jiàn)，兩相鄰周期由于轉(zhuǎn)換誤差所產(chǎn)生的可見(jiàn)，兩相鄰周期由于轉(zhuǎn)換誤差所產(chǎn)生的 T比如，第一個(gè)周期比如，第一個(gè)周期T1x終了，這樣終了，這樣10個(gè)周期引起的總誤差與個(gè)周期引起的總誤差與測(cè)測(cè)個(gè)周期產(chǎn)生的誤差一樣，經(jīng)除個(gè)周期產(chǎn)生的誤差一樣，經(jīng)除10，得一個(gè)周期的誤差為，得一個(gè)周期的誤差為 是互相抵消的，是互相抵消的，2212+ /10，可見(jiàn)減小了，可見(jiàn)減小了10倍。倍。 此外，由于周期倍增后計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)也增加到此外，由于周期倍增后計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)也增加到10n倍，這樣，倍，這樣，由由1誤差所引起的測(cè)量誤差也可減小誤差所引起的測(cè)量誤

32、差也可減小 n10倍。圖倍。圖4-7中的中的10Tx和和100Tx兩曲線說(shuō)明這個(gè)結(jié)果。兩曲線說(shuō)明這個(gè)結(jié)果。 結(jié)論結(jié)論1)用計(jì)數(shù)器直接測(cè)周的誤差主要有三項(xiàng)，即量化誤差、轉(zhuǎn)換誤用計(jì)數(shù)器直接測(cè)周的誤差主要有三項(xiàng)，即量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差以及標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。其合成誤差可按下式計(jì)算（將上式中差以及標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。其合成誤差可按下式計(jì)算（將上式中k換成換成 n10 ）：）：（5-6b） 2)采用多周期測(cè)量可提高測(cè)量準(zhǔn)確度；采用多周期測(cè)量可提高測(cè)量準(zhǔn)確度； 3)提高標(biāo)準(zhǔn)頻率，可以提高測(cè)周分辨力；提高標(biāo)準(zhǔn)頻率，可以提高測(cè)周分辨力；4)測(cè)量過(guò)程中盡可能提高信噪比測(cè)量過(guò)程中盡可能提高信噪比VmVn。ccmnncxnxxf

33、fVVfTkTT10)2(1105.3.4 5.3.4 中界頻率（補(bǔ)充內(nèi)容）中界頻率（補(bǔ)充內(nèi)容）研究研究量化誤差（量化誤差（1誤差）對(duì)測(cè)頻和測(cè)周的影響誤差）對(duì)測(cè)頻和測(cè)周的影響。測(cè)頻、測(cè)周量化誤差相等的頻率稱(chēng)為中界頻率。測(cè)頻、測(cè)周量化誤差相等的頻率稱(chēng)為中界頻率。將（將（4-5）和（）和（4-7）式中）式中 量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得 式中，式中， Mf為中界頻率，為中界頻率， cf為標(biāo)準(zhǔn)頻率，為標(biāo)準(zhǔn)頻率，T為閘門(mén)時(shí)間。為閘門(mén)時(shí)間。 MxxfTf1TffcM令令 則則 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 圖圖4.14中給出了不同閘門(mén)時(shí)間：中給出了不同閘門(mén)時(shí)間：0.1s、

34、1s、10s和不同標(biāo)準(zhǔn)頻和不同標(biāo)準(zhǔn)頻率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線?，F(xiàn)以三種情況的交叉曲線?，F(xiàn)以T=1s， cf=100MHz為例，可查知為例，可查知 Mf=10kHz。 100MHz100MHz圖圖4.14 4.14 測(cè)頻量化誤差與測(cè)周量化誤差測(cè)頻量化誤差與測(cè)周量化誤差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf

35、 fc c=100MH=100MHz z測(cè)頻的量化誤差測(cè)頻的量化誤差測(cè)周的量化誤差測(cè)周的量化誤差Mff f100MHz100MHz因此，當(dāng)因此，當(dāng) xMff 宜測(cè)頻；宜測(cè)頻； 當(dāng)當(dāng) xMff，宜測(cè)周。，宜測(cè)周。 5.4 時(shí)間間隔的測(cè)量（通用計(jì)數(shù)器的其他功能）時(shí)間間隔的測(cè)量（通用計(jì)數(shù)器的其他功能）1.基本原理基本原理輸入輸入C C10S10S時(shí)基分頻器時(shí)基分頻器+ +主主 門(mén)門(mén)觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器起起 始始觸發(fā)器觸發(fā)器終終 止止觸發(fā)器觸發(fā)器門(mén)控門(mén)控電路電路十進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器1MHz1MHz石英石英振振 蕩蕩 器器觸發(fā)沿選擇觸發(fā)沿選擇+ +- - -輸入輸入B BS S1S1S10S10

36、S（a a）觸發(fā)電平、觸發(fā)極性可調(diào)圖圖4.15 4.15 基本時(shí)間間隔測(cè)量模式基本時(shí)間間隔測(cè)量模式(b)(b)被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)時(shí)標(biāo)時(shí)標(biāo)門(mén)控信號(hào)門(mén)控信號(hào)輸入輸入C C終止終止輸入輸入B B起始起始（a a）組成方框圖）組成方框圖 （b b）工作波形圖）工作波形圖2.相位測(cè)量相位測(cè)量相位差的測(cè)量，見(jiàn)圖相位差的測(cè)量，見(jiàn)圖4.16。Tt360則則 t對(duì)應(yīng)的相位可以計(jì)得對(duì)應(yīng)的相位可以計(jì)得360Tt圖圖4.16 4.16 相位差的測(cè)量相位差的測(cè)量t t T T360360t t測(cè)相位要求兩信號(hào)：同頻 同幅3.3.脈沖時(shí)間參數(shù)測(cè)量脈沖時(shí)間參數(shù)測(cè)量圖圖4.17 4.17 脈沖寬度測(cè)量模式脈沖寬度測(cè)量模式

37、起始脈沖起始脈沖門(mén)控信號(hào)門(mén)控信號(hào)終至脈沖終至脈沖觸發(fā)器輸出觸發(fā)器輸出輸入信號(hào)輸入信號(hào)0.50.5t tr r0.10.10.90.9脈沖上升時(shí)間測(cè)量模式脈沖上升時(shí)間測(cè)量模式5.55.5 電子計(jì)數(shù)器性能的改進(jìn)電子計(jì)數(shù)器性能的改進(jìn) 電子計(jì)數(shù)器性能改進(jìn)的主要內(nèi)容是如何減小測(cè)量誤差，尤其是電子計(jì)數(shù)器性能改進(jìn)的主要內(nèi)容是如何減小測(cè)量誤差，尤其是量化誤差量化誤差；如何提高測(cè)時(shí)間的；如何提高測(cè)時(shí)間的分辨力分辨力；如何提高測(cè)頻的頻率范；如何提高測(cè)頻的頻率范圍，以至可測(cè)量更高波段的頻率。圍，以至可測(cè)量更高波段的頻率。 1.采用觸發(fā)窗可以避免較小噪聲波動(dòng)的誤觸發(fā)一、采用觸發(fā)窗一、采用觸發(fā)窗2.觸發(fā)窗的選擇應(yīng)避開(kāi)噪

38、聲和毛刺 二、二、 減小計(jì)數(shù)誤差的電路改進(jìn)措施減小計(jì)數(shù)誤差的電路改進(jìn)措施在直接計(jì)數(shù)器中，為了提高測(cè)時(shí)分辨力和精度，就必須提高基在直接計(jì)數(shù)器中，為了提高測(cè)時(shí)分辨力和精度，就必須提高基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，但是，鐘頻的提高意味著計(jì)數(shù)速度的提高，即使準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，但是，鐘頻的提高意味著計(jì)數(shù)速度的提高，即使采用采用1GHz1GHz鐘頻，測(cè)時(shí)分辨力也只能達(dá)到鐘頻，測(cè)時(shí)分辨力也只能達(dá)到1ns1ns。因此，必須用。因此，必須用其它方法來(lái)提高測(cè)時(shí)分辨力。其它方法來(lái)提高測(cè)時(shí)分辨力。 1 1 內(nèi)插法擴(kuò)展法內(nèi)插法擴(kuò)展法用內(nèi)插法測(cè)時(shí)間的原理，如圖用內(nèi)插法測(cè)時(shí)間的原理，如圖5-155-15所示。為了測(cè)量時(shí)間間隔所示。為了測(cè)量時(shí)間間

39、隔 x計(jì)數(shù)器實(shí)際測(cè)量的是計(jì)數(shù)器實(shí)際測(cè)量的是 0,1和和 2等三個(gè)參數(shù)，其中等三個(gè)參數(shù)，其中 0起始脈沖后的第一個(gè)鐘脈沖與終止脈沖后的第一個(gè)起始脈沖后的第一個(gè)鐘脈沖與終止脈沖后的第一個(gè)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔；鐘脈沖之間的時(shí)間間隔； 1起始脈沖與第一個(gè)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔；起始脈沖與第一個(gè)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔； 2一終止脈沖與緊接著到來(lái)的鐘脈沖之間的時(shí)間間隔。一終止脈沖與緊接著到來(lái)的鐘脈沖之間的時(shí)間間隔。 由圖由圖4.234.23可知，被測(cè)時(shí)間間隔可知，被測(cè)時(shí)間間隔 x為為 210 x時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)輸入信號(hào)起始起始終止終止 x x 0 0 1 1 2 2圖圖5-15 5-15 內(nèi)插法原理內(nèi)插法原理整形、門(mén)控整形、門(mén)控起始起始控制信號(hào)控制信號(hào)C C999999 1 1 1 1圖圖4.24 4.24 時(shí)間放大器原理時(shí)間放大器原理 1 1100010001 1起始起始充充放放例如，擴(kuò)展器控制的開(kāi)門(mén)時(shí)間為 的1000倍(k取999)，即：999 1000在T1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo) 計(jì)數(shù)得N1，則類(lèi)似地： 999 1000在T2時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo) 計(jì)數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測(cè)量分辨力提高了1000倍。021010001000TNNNx12111222101111000TNT02221000TNT012 的測(cè)量與普通計(jì)數(shù)器相同，即累計(jì)該時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的測(cè)量與普通計(jì)數(shù)器相同，即累計(jì)該時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的