電子測量技術(shù)第4章

1、2u 4.1 時間頻率測量u 4.2 電子計數(shù)器u 4.3 電子計數(shù)器測量誤差分析u 4.4 電子計數(shù)器性能的改進u 4.5 調(diào)制域測量4u時間是國際單位制中七個基本物理量之一,它的基本單位是秒(s)。u時間有兩種含義：n時刻：回答某事件或現(xiàn)象何時發(fā)生t t1 1n間隔：兩個時刻之間的間隔,回答某事件或現(xiàn)象持續(xù)多久u“時刻”“間隔”二者測量方法 是不同的。 t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T5u頻率標準時間標準 u頻率是時間的導(dǎo)出量，在法定計量單位中，是具有專門名稱的導(dǎo)出量。u頻率表征在1秒的時間間隔內(nèi)，周期現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)，出現(xiàn)1次，稱為1Hz。u在時

2、間t內(nèi)，周期現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)n次時，則頻率定義為f=n/t(Hz)。u時間準確度取決于頻率準確度,其標準相同整個電磁頻譜有各種各樣的劃分方式。在微波技術(shù)中，通常按波長劃分為米、分米、厘米、毫米、亞毫米波。在無線電廣播中，則劃分為長、中、短三個波段。在電視中，把48.5223 MHz按每頻道占據(jù)8 MHz范圍帶寬劃分為112頻道。 總之，頻率的劃分完全是根據(jù)各部門、各學(xué)科的需要來劃分的。在電子測量技術(shù)中，常以100 kHz為界，以下稱低頻測量，以上稱高頻測量。8uUT：以地球自轉(zhuǎn)周期為標準測定的時間uUT0(零類世界時)：直接通過天文觀察求得的時間秒n1秒=地球自轉(zhuǎn)周期1/84600 準確度10-6

3、uUT1(第一類世界時)：地球自轉(zhuǎn)受極運動的影響,校正了這個偏差而得到世界時 uUT2(第二類世界時)：再把地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性、年度性的變化校正后的世界時 準確度310-8 uET(歷書時)：1900回歸年(太陽連續(xù)兩次經(jīng)過春分點所經(jīng)歷的時間)長度的 13 1556 925. 974 7為1s。準確度110-9 9u近來引進了微觀計時標準,這就是利用原子或分子內(nèi)部能級躍遷所輻射或吸收的電磁波的頻率為基準來計量時間。u1967年10月13屆國際計量大會正式通過了秒的定義uAT(原子時)：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細能極之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間”。 準確度

4、10-13 10-1410u世界時和原子時之間互有聯(lián)系,可以精確運算，但不能彼此取代,各有各的用處。u原子時：只能提供準確的時間間隔u世界時：考慮了時刻和時間間隔。u目前國際上已應(yīng)用經(jīng)過原子標準修正過的時間來發(fā)送標準,用原子時來對天文時進行修正。uUTC (協(xié)調(diào)世界時)：n以原子秒定義為秒長,但通過閏秒方法使其時刻與世界時UT1接近的時間尺度。 u協(xié)調(diào)世界時是原子時和世界時UT1的一種折衷產(chǎn)物。 11u原子頻率標準(原子頻標) n原子頻標有許多種,高標準的頻率標準源大多采用銫束原子頻標,它的穩(wěn)定性、制作重復(fù)性較好。原子頻標的準確度可達10-13。 u高精度石英晶體振蕩器 n石英有很高的機械穩(wěn)定

5、性和熱穩(wěn)定性,它的振蕩頻率受外界因素的影響小,因而比較穩(wěn)定,頻率穩(wěn)定度可達到10-10。 u時間標準和頻率標準具有。 12u電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準采用石英晶體振蕩器(簡稱“晶振”)為基準信號源。u晶體振蕩器基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響(其頻率-溫度特性曲線有拐點,在拐點處最平坦),普通晶體頻率準確度為10-5。u采用溫度補償或恒溫措施(恒定在拐點處的溫度)可得到高穩(wěn)定、高準確的頻率輸出。13u本地比較法： n用戶把自己要核準的裝置搬到擁有標準源的地方,或者由有標準源的主控室通過電纜把標準信號送到需要的地方,然后通過中間測試設(shè)備進行比對。14u發(fā)送接收標準電磁波

6、法 n擁有標準源的地方通過發(fā)射設(shè)備將標準電磁波發(fā)送出去,用戶用相應(yīng)的接收設(shè)備將標準電磁波接收下來,便可得到標準時頻信號,并與自己的裝置進行比對測量。n用標準電磁波傳送標準時頻,是時頻量值傳遞與其他物理量傳遞方法顯著不同的地方,它極大地擴大了時頻精確測量的范圍,大大提高了遠距離時頻的精確測量水平。15u測量精度高n頻率(時間)測量所達到的分辨率和準確度是最高的10-14u測量范圍廣n0.01Hz以下1012 Hz以上，都可以做到高精度的測量u頻率(時間)的測量具有動態(tài)性質(zhì),即時間頻率總在改變著。n必須依靠信號源和鐘的穩(wěn)定性,期望后一周期是前一周期的準確復(fù)現(xiàn)u信號可以通過電磁波傳播,擴大了時間頻率

7、的比對和測量范圍n如GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可實現(xiàn)全球范圍最高準確度的時頻比對和測量 16模擬法直讀法比較法電橋法諧振法拍頻法差頻法示波法李沙育圖形法測周期法計數(shù)法電容充放電式電子計式17u由于頻率是時間的倒數(shù),時間和頻率共用一個標準源,并由頻率導(dǎo)出時間,所以在實際中往往更多的討論頻率測量。u直接利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來測量頻率n電橋法和諧振法 18u利用標準頻率和被測頻率進行比較來測量頻率n拍頻法、外差法、示波器法以及計數(shù)器測頻u由于數(shù)字電路的發(fā)展和數(shù)字集成電路的普及,利用電子計數(shù)器測量時間和頻率具有精度高,使用方便,迅速以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列突出優(yōu)點,成為近代頻率測量的重要手段

8、。 20u計數(shù)器通常具有三種主要功能n累計計數(shù)對輸入信號連續(xù)地計數(shù)n頻率測量在確定的時間內(nèi)對輸入信號計數(shù) n時間測量對周期準確的時標信號計數(shù)u在三種主要功能的基礎(chǔ)上,可擴展多種功能n測脈沖寬度n測時間差n測相位n測頻率比n自檢21u電子計數(shù)器的基本原理是基于比較法進行測量u根據(jù)頻率(時間)的A/D轉(zhuǎn)換原理來構(gòu)成一個數(shù)字儀器,應(yīng)包含：n實現(xiàn)量化的比較電路主門n被轉(zhuǎn)換量的輸入電路n量化單位fc (Tc)的產(chǎn)生電路n轉(zhuǎn)換結(jié)果N的計數(shù)與顯示電路n控制電路22u主門也稱為閘門u功能n通過“門控信號”控制進入計數(shù)器的脈沖,使計數(shù)器只對預(yù)定的“閘門時間”之內(nèi)的脈沖計數(shù)u 電路：由“與門”或“或門”構(gòu)成。n由

9、“與門”構(gòu)成的主門,其“門控信號”為1時,允許計數(shù)脈沖通過；n由“或門”構(gòu)成的主門,其“門控信號”為0時，允許計數(shù)脈沖通過。u“門控信號”還可手動操作得到,如實現(xiàn)手動累加計數(shù)。23u組成n它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)(包括觸發(fā)電平調(diào)節(jié))等單元電路構(gòu)成u作用n對輸入信號處理以產(chǎn)生符合計數(shù)要求(波形、幅度)的脈沖信號。輸入電路工作波形圖ust0放大ttt000整形微分A輸入(T0或Fx )24u通道組合可完成不同的測量功能：n被計數(shù)的信號(常從A通道輸入)稱為計數(shù)端；控制閘門開啟的信號通道(常從B、C通道輸入)稱為控制端。n從計數(shù)端輸入的信號有：被測信號(fx);內(nèi)部時標信號等;n從控制

10、端輸入的信號有：閘門信號；被測信號(Tx)等；25u功能：n產(chǎn)生測頻時的“門控信號”(多檔閘門時間可選)及時間測量時的“時標”信號(多檔可選)。u實現(xiàn)：n由內(nèi)部晶體振蕩器(也可外接),通過倍頻或分頻得到。26u要求：n標準性:“門控信號”和“時標”作為計數(shù)器頻率和時間測量的本地工作基準,應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準確度。n多值性：為了適應(yīng)計數(shù)器較寬的測量范圍,要求“閘門時間”和“時標”可多檔選擇。27u功能：n產(chǎn)生各種控制信號,控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作n使整機按“復(fù)零測量顯示”的工作程序完成自動測量的任務(wù)。電子計數(shù)器的工作流程圖準備期復(fù)零，等待測量期開門，計數(shù)顯示期關(guān)門,停止計數(shù)28u計數(shù)電路對通

11、過主門的脈沖進行計數(shù)(計數(shù)值代表了被測頻率或時間),并通過數(shù)碼顯示器將測量結(jié)果直觀地顯示出來。u為了便于觀察和讀數(shù),通常使用十進制計數(shù)電路29u計數(shù)電路的重要指標：最高計數(shù)頻率n計數(shù)電路一般由多級雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成,受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時間限制,使計數(shù)電路存在最高計數(shù)頻率的限制。而且對多位計數(shù)器,最高計數(shù)頻率主要由個位計數(shù)器決定。u顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。30u根據(jù)頻率的定義,若某一信號在T秒時間內(nèi)重復(fù)變化了N次,則該信號的頻率為：門電路復(fù)習(xí)： 與門A1/0B1/0C1/0同理“或”門、與非、或非門等也有類似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00

12、00 01 1TNfx31u計數(shù)控制閘門可由門電路或模擬開關(guān)構(gòu)成,由于其開啟時間為T,所以稱為“閘門時間”。 u閘門時間通常以秒為單位,一般有10s,1s,0.1s, 0.01s等幾種,為了獲得較多的測量位數(shù)及測量精度,較長的閘門時間一般用來測量較低的頻率32u由于計數(shù)器的位數(shù)總是有限的,對于較高頻率,則應(yīng)選用較小的閘門時間,以免使測量數(shù)據(jù)溢出u當(dāng)被測信號的頻率太低時,閘門時間(測量時間)將會長到測量者無法忍受的程度。n例如,測量1Hz左右的信號頻率,位數(shù)需達到6位,則閘門時間至少應(yīng)為105s(約1個月),這顯然是不可行的33u對于較低頻率信號宜采取先測量其周期T,然后再根據(jù)f x=1/Tx

13、的關(guān)系求得其頻率u電子計數(shù)器測量周期的原理ccxfNNTT34u將測周原理中門控電路稍加改變,可測量多種時間u下圖為脈沖寬度測量的原理圖。它既可測正脈沖寬度,又可測負脈沖寬度。u輸入的被測信號首先進入整形電路,該電路除將被測信號整形為陡峭方波外,還通過倒相輸出一對極性相反的信號,即圖(b)中a,b點的信號。 35u周期的測量,本質(zhì)上也是時間間隔的測量n測量一個周期信號波形上兩相鄰?fù)辔稽c之間的時間間隔。n我們還可把它擴展到同一信號波形上兩個不同點之間的時間間隔的測量。3637u時間間隔的測量有兩種工作方式：uS斷開,兩個通道是完全獨立的,來自兩個信號源的信號控制計數(shù)器工作；n用于測量兩個信號的

14、時間差n兩個獨立的輸入通道(B、C)可分別設(shè)置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性(觸發(fā)沿) uB為起始通道,用來開啟主門uC的信號為計數(shù)器的終止信號38uS閉合,兩個輸入端并聯(lián),僅一個信號加到計數(shù)器,但可獨立地選擇觸發(fā)電平和觸發(fā)極性,以完成起始和終止功能。n用于測量一個信號任意兩點間的時間間隔。39u相位的測量實際是指兩個同頻周期性信號的相位差的測量u先將S閉合，選擇相同極性，測出一路信號周期T。u再將S斷開，分別輸入兩路被測信號，選擇相同極性觸發(fā)，測出兩路信號 相同邊沿穿過觸發(fā)電平的 時間差Tx2xTT相位差的測量相位差的測量t T360t t40u頻率比f1 f2是加于A、B兩路的信號源的頻率比值nNff

15、102141實際原理框圖：實際原理框圖： 42u累計計數(shù)對輸入信號連續(xù)地計數(shù)n傳送帶上的成品計數(shù) n剪票口、百貨商店、展覽會的入場人數(shù)統(tǒng)計 n行人、自行車、船舶等交通量的測量n電線、鋼板之類物體的長度測量n距離測量n流量測量n重量測量n液面位置測量傳送帶上的物品傳送帶上的物品43u頻率測量在確定的時間內(nèi)對輸入信號計數(shù) n頻率測量(RC振蕩器、信號發(fā)生器等)n轉(zhuǎn)速測量(內(nèi)燃機、電動機、滾筒)n機械振動n流量測量n產(chǎn)速率測量44u時間測量對周期準確的時標信號計數(shù) n快門時間測量n繼電器動作時間測量n體育運動比賽的計時n速度測量（汽車或火車等運動中的物體、飛行中的物體、墜落的物體、流體）n水位、距離

16、測量n粘度、力矩、功率的測量n相位差測量n化學(xué)試劑反應(yīng)時間的測量 45距離的計數(shù)測量距離的計數(shù)測量用計數(shù)法測量子彈的飛行速度用計數(shù)法測量子彈的飛行速度46u電子自動裁判裝置的顯示精度雖然不超過百分之一秒,但是它能夠鑒別五千分之一秒的時間差,能夠極精確地判斷到達終點的先后次序,能夠清楚地區(qū)別出利用攝影技術(shù)也很難鑒別的時間差。 電子裁判電子裁判u測頻時,主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖間的時間關(guān)系是不相關(guān)的,即它們在時間軸上的相對位置是隨機的u計數(shù)器值NuT通常不是Tx 的整數(shù)倍 xTNTu頻率量化時帶來的誤差稱量化誤差,又稱脈沖計數(shù)誤差或1誤差。49u量化誤差：n將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(量化)時所產(chǎn)生的誤

17、差n數(shù)字化儀器所特有的誤差。u計數(shù)法的最大量化誤差為末尾1字。u1誤差的大小與門控時間T有關(guān),T越大,1誤差越小。u1誤差往往是測量誤差的主要部分。TfNNNx1150u閘門時間不準,造成主門啟閉時間或長或短,顯然要產(chǎn)生測 頻誤差。u閘門信號T是由晶振信號分頻而得。設(shè)晶振頻率為fc(周期為Tc),則有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶體性能和切割方式-生產(chǎn)廠 石英振蕩器的輸出頻率準確度決定 溫度的影響-單、雙層恒溫糟 振蕩電路的質(zhì)量-電路優(yōu)化設(shè)計 51u計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項 n1誤差n標準頻率誤差u一般總誤差可采用分項誤差絕對值合成,即 |)|1(ccxxxffTfff

18、u被測頻率fx越高,閘門時間T越大,測頻的相對誤差fx / fx越小,即測頻的精確度越高。5253u量化誤差和基準頻率誤差n與分析電子計數(shù)器測頻時的誤差類似,這里 cxNTT ccxxTTNNTTcccxcccxxxfffTTTfTTT115455u被測信號脈沖的形成通常采用施密特觸發(fā)器。u在不存在噪聲干擾的情況下,施密特觸發(fā)器可以將正弦波等較為規(guī)則的信號整型成周期與輸出信號相同的矩形脈沖來作為計數(shù)脈沖或閘門控制信號。56u如果被測信號中含有較強的噪聲干擾(噪聲干擾的幅度大于施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口),且干擾脈沖落在施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口內(nèi),將會使施密特觸發(fā)器產(chǎn)生誤觸發(fā),從而使計數(shù)器產(chǎn)生錯誤計數(shù)

19、。57u觸發(fā)誤差的示意圖如下圖所示,圖中所畫干擾信號是連續(xù)的,但它也可以是離散的噪聲脈沖。u干擾信號的出現(xiàn)使觸發(fā)轉(zhuǎn)換時間出現(xiàn)了或前或后的錯位,即閘門時間中包含了誤差T1及T2。vx=VmSinxt58u綜合上面的討論,可知測周誤差由三部分組成:n量化誤差n時基誤差n觸發(fā)誤差u因此,測周法的總誤差(采用絕對值合成法.按最壞的情況考慮)為()1324 1nmxccxxcffUUkTTTf59u為了減小測量誤差,提高測量的準確度,應(yīng)注意:n在條件允許的情況下,盡量提高時標信號(計數(shù)脈沖)的頻率fs。n提高晶振頻率的準確度和穩(wěn)定度。n使用,把主門時間從被測信號的周期Tx擴大為mTx,通常m為10n(n

20、1,2,)。u此時,測周誤差為(4 14)110102nnmnxcxcxcffUUkTTTf60u例題1：被測信號fx=10Hz，采用測周法，已知信噪比為20dB，當(dāng)周期被乘開關(guān)分別置乘1和乘1000時，由觸發(fā)誤差引入的測周誤差為多少？u例題2：某計數(shù)器最高標準頻率fcmax=10MHz。若忽略標準頻率誤差和觸發(fā)誤差，則當(dāng)被測時間間隔Tx為50us和5us測量誤差。若最高標準頻率fcmax一定，且給定最大相對誤差rmax，最小可測量的時間間隔是多少？61u直接測頻與測周法測頻的相對誤差是不一樣的u量化誤差：u測頻：fxNN T=1s, fx = 106Hz,NN = 10-6 fx = 108

21、Hz,NN = 10-8u測周：fxNN fc =10Hz, fx = 10Hz,NN = 10-5 fx = 100Hz,NN = 10-4|)|1(ccxxxffTfff|)|1(cccxxxfffTff62u若被測頻率fx較高,則直接測量頻率,以保持最佳的測量狀態(tài)；u若被測頻率fx較低,則應(yīng)用測周法測頻。u所謂高頻低頻是以中界頻率為界劃定的u中界頻率：n對某信號使用測頻法和測周法測量頻率,兩者引起的誤差相等,則該信號的頻率定義為中界頻率63u令測頻誤差和測周誤差相等u求得測頻與測周相對誤差都一樣的中界頻率為： |)|1(|)|1(cccxccxfffTffTfTffcm64u例題3u某電

22、子計數(shù)器， 若可取的最大的T、 fc值分別為10 s、 100 MHz， 并取k=104, n=102， 試確定該儀器可以選擇的中界頻率fm。65：n可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)等。其測量功能可擴展。：n其功能限于測頻和計數(shù),但測頻范圍往往很寬：n以時間測量為基礎(chǔ),可測量周期、脈沖參數(shù)等,其測時分辨力和準確度很高。:n具有特殊功能的計數(shù)器。包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預(yù)置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控66測量范圍: mHzGHz。準確度: 可達10-9以上。晶振頻率及穩(wěn)定度:晶體振蕩器是電子計數(shù)器的內(nèi)部基準,一般要求高于所要求的測量準確度的一個數(shù)量級(10倍)。 輸出頻率為1MHz,2

23、.5MHz,5MHz,10MHz等,普通晶振穩(wěn)定度為10-5,恒溫晶振達10-710-9。輸入特性: 包括耦合方式(DC、AC)、觸發(fā)電平(可調(diào))、靈敏度(10100mV)、輸入阻抗(50低阻和1M /25pF高阻)等。閘門時間(測頻): 有1ms,10ms,100ms,1s,10s。時標(測周): 有10ns、100ns、1ms、10ms。顯示: 包括顯示位數(shù)及顯示方式等。68u計數(shù)器的改進主要體現(xiàn)在減小測量誤差方面,在計數(shù)器發(fā)展中提出若干從電路結(jié)構(gòu)上的改進措施。u最突出的是運用了P和IC技術(shù)的微機化等相對誤差計數(shù)器,它是計數(shù)器最重要的改進之一。u傳統(tǒng)計數(shù)器在測低頻信號時不能用測頻方式,測高

24、頻信號時不能用測周方式,否則 1誤差會很大69u微機化等相對誤差計數(shù)器的原理如簡圖,它既可以測周期又可以測頻率。 u電路中有S和C兩個計數(shù)器,分別對被測信號S和已知時鐘信號C進行計數(shù)。 70u例題4u分別用通用計數(shù)器和多周期同步計數(shù)器對50Hz正弦信號頻率進行測量，計算其誤差。閘門時間為1s，晶振標準頻率為1MHz71u克服計數(shù)錯誤的常見措施 n克服計數(shù)錯誤最主要的就是避免觸發(fā)整形電路中發(fā)生誤觸發(fā)。n觸發(fā)整形電路工作不正常,必然導(dǎo)致閘門時間不對或者計數(shù)脈沖個數(shù)不對,最終造成測量結(jié)果錯誤。72u減小計數(shù)誤差的電路改進措施n由于計數(shù)誤差或者說1誤差往往是計數(shù)器誤差的主要成分,所以減小它就成為改進的重要方面。n在通常情況下計數(shù)誤差為1N,一方面前面討論了不少增大N的方法,另一方面人們也考慮能否在減小“l(fā)”的影響上做文章。73u為測量時間間隔 TxNt1t2uT的測量與普通計數(shù)器相同, t1和t2采用內(nèi)插法來測量,即用兩個內(nèi)插器將t1和t2分別擴展1000倍,然后再在擴展后的時間間隔內(nèi),對同一時鐘脈沖進行計數(shù),故被測時間間隔 1000100011NNNTx74u游標法是利用機械測量中游標卡尺的概念來求t1和t2u游標法