第4章時間頻率測量

1、差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測周期法模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法222)()()()(ZZYYXXttcjjjsjrjA AG GC C放放大大器器溫溫度度控控制制隔隔離離放放大大器器加加熱熱器器傳傳感感器器輸輸出出頻頻率率調(diào)調(diào)整整晶晶體體電電路路絕絕熱熱層層輸出頻率:1/2.5/5/10MHz 準確度：10-5- 10-8日波動:210-10日老化:110-10秒穩(wěn):510-12。輸出波形:正弦輸出幅度:0.5Vrms(50)f fx xM ML LI IC C012xffLCR R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2

2、2f fx x1212122xxfRRCCx1x2jjCC143211（R +）R （）R1R12xfRCR1=R2=R, C1=C2=C受元件精度、判斷電橋平衡的準確程度（取決受元件精度、判斷電橋平衡的準確程度（取決于橋路諧振特性的尖銳度即指示器的靈敏度）于橋路諧振特性的尖銳度即指示器的靈敏度）和被測信號的頻譜純度的限制，準確度不高，和被測信號的頻譜純度的限制，準確度不高，一般約為一般約為(0.5(0.51)%1)%。xsfN f與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C測頻時，閘門時間即測頻時，閘門時間即為采樣時間。為采樣時間。測時時，閘門開啟時測時時，閘門

3、開啟時間即為被測時間。間即為被測時間。數(shù)字顯示器寄存器十進制計數(shù)器 A通道(放大、整形)B 通 道 ( 放大、整形) 主 門功能開關閘門選擇、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1) 時標選擇12345332112445時基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時序電路開門鎖存復位控制時序電路波形序號計數(shù)端信號(A)控制端信號(B、C)測試功能計數(shù)結(jié)果1內(nèi)時鐘（T0）內(nèi)時鐘（T）自檢N=T/T02被測信號（fx）內(nèi)時鐘（T）測量頻率（A）fxN/T3內(nèi)時鐘（T0）被測周期（Tx

4、）測量周期（B）TxNT04被測信號（fA）被測信號（fB）測量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時鐘（T0）被測信號相應間隔tB-C測量時間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（TA）被測信號相應間隔tB-C測量外控時間間隔B-CtB-C=NTA7外待測信號（Nx）手控或遙控累加計數(shù)（A）NxN8內(nèi)時鐘（秒信號）手控或遙控計時 N（秒）與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C十進制計數(shù)電路，十進制計數(shù)電路，最高計數(shù)頻率最高計數(shù)頻率主要由個位計數(shù)器決定主要由個位計數(shù)器決定中小規(guī)模計數(shù)器中小規(guī)模計數(shù)器IC如：如：74LS90（MC11C90）十進制計數(shù)）十進制

5、計數(shù)器；器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進制計數(shù)器。為雙十進制計數(shù)器?？删幊逃嫈?shù)器可編程計數(shù)器IC如：如：Intel8253/8254等。等。LED、LCD 、熒光（、熒光（VFD）顯示。）顯示。顯示電路包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。顯示電路包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。專用計數(shù)與顯示單元電路：如專用計數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。準備期準備期 （ 復零，等待）復零，等待） 測量期測量期 （開門，計數(shù)）（開門，計數(shù)） 顯示期顯示期（關門，停止計數(shù)）（關門，停止計數(shù)）控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機按控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機按“復零測量顯復零測量顯示示”的工作

6、程序完成自動測量的任務的工作程序完成自動測量的任務TB放大、整形放大、整形閘閘門門門控電路門控電路計數(shù)計數(shù)顯示顯示Afx分頻電路分頻電路時基時基TsBAABTfNTf頻率高者頻率高者A通道通道頻率低者頻率低者B通道通道B通道擴展通道擴展xsxsffNfNf1xcxsxcfffT ff 尖峰脈沖的干擾尖峰脈沖的干擾: 引起觸發(fā)點的改變，對計數(shù)影響不大。引起觸發(fā)點的改變，對計數(shù)影響不大。高頻疊加干擾高頻疊加干擾:產(chǎn)生錯誤計數(shù)。產(chǎn)生錯誤計數(shù)。措施措施:增大觸發(fā)窗或減小信號幅度增大觸發(fā)窗或減小信號幅度; 輸入濾波。輸入濾波。 00TTNNTTxx0 xTN TccxxccxccTfTkkTT fTT

7、ff 測頻時，測頻時，fx愈低，量化誤差愈大；愈低，量化誤差愈大； 測周時，測周時，fx愈高，量愈高，量化誤差愈大。在測頻與測周之間，存在一個中界頻率化誤差愈大。在測頻與測周之間，存在一個中界頻率fm，當當fxfm時，應采用測頻；當時，應采用測頻；當fxfm時，應采用測周。時，應采用測周。01msfT T例：若例：若Ts=1s,T0=1us，則，則fm=1kHz,在該頻率上在該頻率上,測頻與測測頻與測周的量化誤差相等。周的量化誤差相等。尖峰脈沖的干擾對測量結(jié)果的影響非常嚴重。尖峰脈沖的干擾對測量結(jié)果的影響非常嚴重。 設輸入為正弦波：設輸入為正弦波： ,干擾幅度為干擾幅度為Vn。 對觸發(fā)點對觸發(fā)

8、點A1作切線作切線ab，其斜率為，其斜率為sinxmxvVttanxBxvVdvdttannVT觸發(fā)點愈陡峭，誤差愈小。觸發(fā)點愈陡峭，誤差愈小。22)(12sin12cosmBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBxta n2nxnmVTVTV（如選擇過零觸發(fā)）22122xnnmTVTTTV測周時為減小觸發(fā)誤差，應提高信噪比。測周時為減小觸發(fā)誤差，應提高信噪比。（考慮開始和結(jié)束都存在觸發(fā)誤差）減小量化誤差和觸發(fā)誤差減小量化誤差和觸發(fā)誤差12xncxxcmcTVfkTmT fVfm 閘門時間閘門時間=被測信號整周期數(shù)。被測信號整周期數(shù)。 被測信號計數(shù)被測信號計數(shù)Nx 同步閘門

9、的測量同步閘門的測量N0 Nx無無1誤差，誤差， N0存在存在1誤誤差，但一般差，但一般N0較大，較大，1/N0較較小。小。 實現(xiàn)不同閘門時間內(nèi)的實現(xiàn)不同閘門時間內(nèi)的等精度等精度測量測量。0000 xxxxsNNNffTN TN輸輸入入信信號號起起始始終終止止時時鐘鐘脈脈沖沖xT1T0T2T 基本思路：對基本思路：對T T1 1和和T T2 2作時間擴展作時間擴展（放大）后測量。（放大）后測量。 三次測量三次測量 時間擴展電路時間擴展電路 校準校準整整形形、門門控控C C恒恒流流源源1kT1T起起始始控控制制信信號號起起始始脈脈沖沖停停止止脈脈沖沖輸輸入入信信號號開開門門脈脈沖沖（Q Q1 1

10、）( (R R- -S S觸觸發(fā)發(fā)器器) )開開門門脈脈沖沖（Q Q2 2）( (D D觸觸發(fā)發(fā)器器) )主主時時鐘鐘（F F0 01 1）游游標標脈脈沖沖1 1（F F0 02 2）游游標標脈脈沖沖2 2（F F0 02 2）x01 12 23 34 45 56 67 78 89 96 6N N2 2= =6 6N N0 0= =8 8N N1 1= =4 4T T0 01 1T T0 02 2T T0 02 2符符合合點點2 2符符合合點點1 11 12 23 34 45 51 12 23 34 45 51211020110()N TTNT22020120()N TTNT011200112

11、001()()xTNNN TNNNTKK01012()TN KNNK010100201TTKTTT00201011TTTTK分辨力由分辨力由T T0101提高到了提高到了T T0101/K/K。11xxxxTfTfNn 多次測量平均有效性的前提：多次測量平均有效性的前提：量化誤差的隨機性量化誤差的隨機性。 時基脈沖的隨機調(diào)相技術時基脈沖的隨機調(diào)相技術：采用齊納二極管產(chǎn)生噪聲對時：采用齊納二極管產(chǎn)生噪聲對時基脈沖進行隨機相位調(diào)制，使時基脈沖具有隨機相位抖動。基脈沖進行隨機相位調(diào)制，使時基脈沖具有隨機相位抖動。 基基 準準振振 蕩蕩 器器倍倍 頻頻 器器1 1 0 0 M M H H z z具具

12、有有 變變 容容 調(diào)調(diào) 相相 器器的的 1 1 0 0 M M H H z z 回回 路路K KA A G G C C放放 大大 器器 E E齊齊 納納噪噪 聲聲 源源5 5 0 0 0 0 M M H H z z已已 調(diào)調(diào) 制制 時時 基基 脈脈 沖沖 5 5 0 0混頻器差頻放大器電子計數(shù)器諧波濾波器（YIG電調(diào)濾波器）諧波發(fā)生器（階躍恢復二極管）輸入fxfI 輸入fs 輸出Nfs掃描捕獲電路檢波器fI （fx-Nfs）xsIfN ff諧波Nfs幅度低，靈敏度低，但分辨力高。主通道： fI=fx-NfL=fs fx = fs+ NfL輔助通道：確定N鎖相環(huán)路增益高，靈敏度高，分辨力差。00

13、,xfffff 頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度：頻率準確度隨時間的變化頻率準確度隨時間的變化 長期、短期穩(wěn)定度長期、短期穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度引入時間概念，在一定時間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度引入時間概念，在一定時間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度 長期長期年、月、日；短期年、月、日；短期秒級穩(wěn)定度秒級穩(wěn)定度。2010210000021ffffffffKfffff 日老化率日老化率 最小二乘擬合，計算斜率最小二乘擬合，計算斜率 日波動日波動老化漂移老化漂移 + + 隨機起伏隨機起伏f f1 1f f2 21 1天天tf210ffKff fm mi in nf fm ma ax x1 1天天tfmaxmin0ffSf日

14、老化率和日波動長期穩(wěn)定度00( )sin2( )v tAf tt0( )( )( ),( )2tdtf tffftdt 00( )/ 2ftff( ) t為瞬時相位（起伏變化）瞬時頻率 相對頻率起伏2210011niifn ffffn對f(t)作n次測量，用貝塞爾公式計算其估計值。實際fi是平均值（P175） 當存在當存在閃爍相位噪聲閃爍相位噪聲（低頻噪聲即（低頻噪聲即1/f噪聲）時，上述標準噪聲）時，上述標準偏差將發(fā)散。偏差將發(fā)散。廣義廣義阿侖方差阿侖方差：將上述：將上述N次測量重復多次（次測量重復多次（m組），可以證組），可以證明：明：m個標準偏差的平均值的極限存在。個標準偏差的平均值的極

15、限存在。21012miiiafffmf fi i和和f fi i為相鄰（無間隙）兩次測量值，并將為相鄰（無間隙）兩次測量值，并將其作為一組，共進行其作為一組，共進行m m組測量得到組測量得到2m2m個數(shù)據(jù)。個數(shù)據(jù)。阿侖方差描述相鄰兩次頻率值的起伏變化。阿侖方差描述相鄰兩次頻率值的起伏變化。1/f1/f噪聲在相鄰兩次測量中無影響。噪聲在相鄰兩次測量中無影響。秒級穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時秒級穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時間間1s1s，組數(shù)，組數(shù)100100。mTNTNmim)()(22lim、N=2N=2時，為時，為阿侖方差阿侖方差相對方差 檢相器的檢相靈敏度譜密度檢相器輸出電壓的功率頻

16、譜儀的噪聲帶寬相位譜KfSBfHzradKfSBKfVBffSVnVnn)()()()()()(222222)(f)()( (f)22)( )(21)(22222HzHzfSfBfBfffSfffdttdtfnnf1)()(202HzfSfffSY偏離載頻為f處，每Hz帶寬的單邊帶功率與載波功率之比2)(lg10lg10)(fSHzdBPPfLCSSBSSB是表征短穩(wěn)最常用的方法。是對頻率源輸出信號純度或信噪比的直接描述。計計數(shù)數(shù)器器（1 1）門門控控2 2B B計計數(shù)數(shù)器器（2 2）A A通通道道閘閘門門時時間間晶晶振振時時標標B B通通道道門門控控 1 1A Aa ab bK K1 1a ab bK K2 21 12 23 34 4K1、K2接a，信號由A通道輸入，測頻方式。第一個閘門時間計數(shù)器1工作，測得f1；第二個閘門時間計數(shù)器2工作，測得f1。往復。開關K1、K2接b，計數(shù)器即工作在測周方式，信號由B通道輸入。11 00tNTt22 01tNTttvABC t t0 0t t1 1t t2 21110101MMfFN TN2202MfFN事事 件件 信信 號號門門 控控 信信 號號正正 反反 同同 步步 信信 號號M M1 1M M2 2時時 間間 信信 號號N N1 1N N2 2計計 數(shù)數(shù)計計 數(shù)數(shù)計計 數(shù)數(shù)計計 數(shù)