第4章 時(shí)間頻率測(cè)量

1、4.1.1 4.1.1 時(shí)間、頻率的基本概念時(shí)間、頻率的基本概念時(shí)間:“時(shí)刻”、“時(shí)間間隔”. 7個(gè)基本國(guó)際單位之一頻率:周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次，則:fN/T最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量,很多測(cè)量轉(zhuǎn)換為頻率測(cè)量測(cè)量準(zhǔn)確度高:基準(zhǔn)達(dá)10-14自動(dòng)化程度高測(cè)量速度快3.3.時(shí)間頻率測(cè)量的意義時(shí)間頻率測(cè)量的意義 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(美GPS、俄GLONASS、北斗)。 GPS:24顆衛(wèi)星, 任何地方任何時(shí)候都可以至少看到4-11顆衛(wèi)星。 GPS定位原理：測(cè)距. 如果衛(wèi)星與用戶接收機(jī)的時(shí)鐘嚴(yán)格同步，并且衛(wèi)星的位置、發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)刻信息確定

2、，則可以通過(guò)在同一時(shí)刻tr同時(shí)接收3顆GPS星的發(fā)播信號(hào)，求解用戶接收機(jī)的坐標(biāo)位置。 實(shí)際上,用戶接收機(jī)與衛(wèi)星時(shí)鐘存在 一定的時(shí)間差,需同時(shí)觀測(cè)4顆GPS 衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位.4.4.頻率測(cè)量方法頻率測(cè)量方法不同的實(shí)現(xiàn)原理不同的準(zhǔn)確度和適用范圍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(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法222)()()()(ZZYYXXttcjjjsjrj4.1.2 4.1.2 電子計(jì)數(shù)器概述電子計(jì)數(shù)器概述按功能：按功能： 通用計(jì)數(shù)器：測(cè)頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。測(cè)量功能可擴(kuò)展。 頻率計(jì)數(shù)器：測(cè)頻和計(jì)數(shù)。但測(cè)頻范圍往往很寬。 時(shí)間計(jì)數(shù)

3、器：以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)，測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度高。 特種計(jì)數(shù)器：特殊功能。包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測(cè)控。按用途：按用途： 測(cè)量用計(jì)數(shù)器和控制用計(jì)數(shù)器。按測(cè)量范圍：按測(cè)量范圍： 低速（低于10MHz）、中速（10-100MHz） 高速（高于100MHz）、微波（1-80GHz）測(cè)量范圍：毫赫幾十GHz。準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。晶振頻率及穩(wěn)定度：內(nèi)部基準(zhǔn)，普通10-5，恒溫10-710-9。輸入特性：耦合方式（DC/AC）、觸發(fā)電平、靈敏度（10100mV）、輸入阻抗（50 和1M /25pF）等。閘門時(shí)間(測(cè)頻)：如1ms、10ms、100ms、1s、10s。時(shí)標(biāo)(測(cè)周)：

4、如10ns、100ns、1ms、10ms。顯示能力：顯示位數(shù)及顯示方式等。模擬數(shù)字技術(shù)智能化準(zhǔn)確度和頻率上限提高：12位，150ps功能擴(kuò)展和完善 脈沖參數(shù)、處理能力 原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性。原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性。 宏觀標(biāo)準(zhǔn)宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測(cè)。：基于天文觀測(cè)。設(shè)備龐大、操作麻煩、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備龐大、操作麻煩、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、準(zhǔn)確度有限。準(zhǔn)確度有限。 微觀標(biāo)準(zhǔn)微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確。：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確。 世界時(shí)世界時(shí)（UT,Universal TimeUT,Universal Time）: :以以地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)。為依據(jù)。1/(241/(24606060

5、)=1/8640060)=1/86400天為天為1 1秒，秒，10107 7量級(jí)。量級(jí)。 平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí)：自轉(zhuǎn)不均勻性，以假想：自轉(zhuǎn)不均勻性，以假想平太陽(yáng)平太陽(yáng)作為基本參考點(diǎn)。作為基本參考點(diǎn)。 零類世界時(shí)零類世界時(shí)（UTUT0 0 ）：以平太陽(yáng)的子夜）：以平太陽(yáng)的子夜0 0時(shí)為參考。時(shí)為參考。 第一類世界時(shí)第一類世界時(shí)（UTUT1 1）：修正極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）。）：修正極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）。 第二類世界時(shí)第二類世界時(shí)（UTUT2 2）：修正季節(jié)性變化。準(zhǔn)確度）：修正季節(jié)性變化。準(zhǔn)確度3 310109 9 。 歷書(shū)時(shí)（歷書(shū)時(shí)（ETET）：以以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為依據(jù)為依

6、據(jù)，1/31 556 925.97471/31 556 925.9747年年為為1 1秒。參考點(diǎn)為秒。參考點(diǎn)為19001900年年1 1月月1 1日日0 0時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義），準(zhǔn)確時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義），準(zhǔn)確度度1 110109 9 。19601960年第年第1111屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒秒”的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。（1）原子時(shí)標(biāo)（原子時(shí)標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ)）的量子電子學(xué)基礎(chǔ)原子原子( (分子分子) )在能級(jí)躍遷中將吸收在能級(jí)躍遷中將吸收( (低能級(jí)到高能級(jí)低能級(jí)到高能級(jí)) )或輻射（高能或輻射（高能級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。

7、hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em m （h=6.6252h=6.62521010-27-27普朗克常數(shù)）普朗克常數(shù)）（2）原子時(shí)標(biāo)的定義）原子時(shí)標(biāo)的定義 19671967年年1010月，第月，第1313屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，“秒是秒是CsCs133133原子基態(tài)的兩個(gè)原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,7709,192,631,770個(gè)個(gè)周期的時(shí)間周期的時(shí)間”。 19721972年起實(shí)行。天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)年起實(shí)行。天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高4-54-5個(gè)個(gè)量級(jí)，

8、達(dá)量級(jí)，達(dá)5 51010-14-14( (相當(dāng)于相當(dāng)于6262萬(wàn)年萬(wàn)年1 1秒秒) )，并仍在提高。，并仍在提高。（3）原子鐘）原子鐘 原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器，用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器，用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。 銫原子鐘銫原子鐘:10-1310-14。大銫鐘。大銫鐘,專用高穩(wěn)基準(zhǔn)；小銫鐘專用高穩(wěn)基準(zhǔn)；小銫鐘,工作基準(zhǔn)。工作基準(zhǔn)。 銣原子鐘銣原子鐘: 10-11，體積小、重量輕，工作基準(zhǔn)。，體積小、重量輕，工作基準(zhǔn)。 氫原子鐘氫原子鐘:短期穩(wěn)定度高短期穩(wěn)定度高(10-1410-15 ) ，準(zhǔn)確度較低，準(zhǔn)確度較低(10-12)。常用的工作基準(zhǔn)，電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部基準(zhǔn)常用的

9、工作基準(zhǔn)，電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部基準(zhǔn): :晶振晶振。壓電效應(yīng)，易受溫度影響，普通晶體頻率準(zhǔn)確度為壓電效應(yīng)，易受溫度影響，普通晶體頻率準(zhǔn)確度為1010-5-5。溫補(bǔ)晶振溫補(bǔ)晶振（1010-6-6）恒溫晶振（恒定在拐點(diǎn)處的溫度，可優(yōu)于恒溫晶振（恒定在拐點(diǎn)處的溫度，可優(yōu)于10-8 ） 。A 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(zhǔn)確度：10-5- 10-8日波動(dòng):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) 利用電路的

10、某種頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率值，分為利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率值，分為諧振法和諧振法和電橋法電橋法兩種。兩種。（1 1）諧振法諧振法 調(diào)節(jié)可變電容器調(diào)節(jié)可變電容器C使回路發(fā)生諧振，此時(shí)回路電流達(dá)到最大使回路發(fā)生諧振，此時(shí)回路電流達(dá)到最大(高頻電壓表指示高頻電壓表指示) 。 可測(cè)量可測(cè)量1500MHz以下的頻率，準(zhǔn)確度以下的頻率，準(zhǔn)確度(0.25(0.251)%1)%。 f fx xM ML LI IC C012xffLC ( ( 2）電橋電橋法法 利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量, 文文氏電橋，調(diào)節(jié)氏電橋，調(diào)節(jié)R1、R2使

11、電橋達(dá)到平衡。使電橋達(dá)到平衡。R R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2 2f fx x1212122xxfRRCCx1x2jjCC143211（R +）R （）R1R12xfRCR1=R2=R, C1=C2=C受元件精度、判斷電橋平衡的準(zhǔn)確程度（取決受元件精度、判斷電橋平衡的準(zhǔn)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(cè)信號(hào)的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，和被測(cè)信號(hào)的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，一般約為一般約為(0.5(0.51)%1)%。 基本原理基本原理 利用標(biāo)準(zhǔn)頻率利用標(biāo)準(zhǔn)頻率f fs s和被測(cè)量頻率和被測(cè)量

12、頻率f fx x進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率。進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率。有拍頻法、外差法、示波法以及計(jì)數(shù)法等。有拍頻法、外差法、示波法以及計(jì)數(shù)法等。 拍頻法拍頻法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率疊加，由指示器（耳：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率疊加，由指示器（耳機(jī)或電壓表）指示。適于音頻測(cè)量（很少用）。機(jī)或電壓表）指示。適于音頻測(cè)量（很少用）。 外差法外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率混頻，取出差頻并測(cè)：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率混頻，取出差頻并測(cè)量?？蓽y(cè)量范圍達(dá)幾十量?？蓽y(cè)量范圍達(dá)幾十MHzMHz（外差式頻率計(jì)）。（外差式頻率計(jì)）。 示波法示波法： 李沙育圖形法李沙育圖形法：將：將f fx x和和f fs s分別接到示波器分別接到示波器Y

13、 Y軸和軸和X X軸（軸（X-X-Y Y圖示方式），當(dāng)圖示方式），當(dāng)f fx xf fs s時(shí)顯示為斜線（橢圓或園）。時(shí)顯示為斜線（橢圓或園）。測(cè)周期法測(cè)周期法：直接根據(jù)顯示波形由：直接根據(jù)顯示波形由X X通道掃描速率得到周通道掃描速率得到周期，進(jìn)而得到頻率。期，進(jìn)而得到頻率。xsfN f頻率測(cè)量：確定一個(gè)取樣時(shí)間頻率測(cè)量：確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)周期累加計(jì)數(shù)(N)，根據(jù)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。得到頻率值。時(shí)間間隔測(cè)量：將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位（時(shí)標(biāo)）時(shí)間間隔測(cè)量：將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位（時(shí)標(biāo)）進(jìn)行量化，累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所

14、包含的時(shí)間單位數(shù)。進(jìn)行量化，累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)。“閘門閘門”控制：將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)（頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信控制：將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)（頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào)，時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)），由一個(gè)號(hào)，時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)），由一個(gè)“門控門控”信號(hào)控制。信號(hào)控制。與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C測(cè)頻時(shí)，閘門時(shí)間即測(cè)頻時(shí)，閘門時(shí)間即為采樣時(shí)間。為采樣時(shí)間。測(cè)時(shí)時(shí)，閘門開(kāi)啟時(shí)測(cè)時(shí)時(shí)，閘門開(kāi)啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。間即為被測(cè)時(shí)間。輸入通道輸入通道：通常有多個(gè)，預(yù)定標(biāo)器可擴(kuò)展測(cè)量范圍。：通常有多個(gè)，預(yù)定標(biāo)器可擴(kuò)展測(cè)量范圍。主門電路主門電路：閘門控制。：閘門控制。計(jì)數(shù)

15、與顯示電路計(jì)數(shù)與顯示電路：時(shí)基產(chǎn)生電路時(shí)基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。：產(chǎn)生時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。控制電路控制電路：準(zhǔn)備：準(zhǔn)備測(cè)量測(cè)量顯示。顯示。數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 A通道(放大、整形)B 通 道 ( 放大、整形) 主 門功能開(kāi)關(guān)閘門選擇、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1) 時(shí)標(biāo)選擇12345332112445時(shí)基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時(shí)序電路開(kāi)門鎖存復(fù)位控制時(shí)序電路波形序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)(A)控制端信號(hào)(B、C)測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)

16、時(shí)鐘（T0）內(nèi)時(shí)鐘（T）自檢N=T/T02被測(cè)信號(hào)（fx）內(nèi)時(shí)鐘（T）測(cè)量頻率（A）fxN/T3內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)周期（Tx）測(cè)量周期（B）TxNT04被測(cè)信號(hào)（fA）被測(cè)信號(hào)（fB）測(cè)量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（TA）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)（Nx）手控或遙控累加計(jì)數(shù)（A）NxN8內(nèi)時(shí)鐘（秒信號(hào)）手控或遙控計(jì)時(shí) N（秒）“門控信號(hào)”還可手動(dòng)操作，如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路

17、，十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路，最高計(jì)數(shù)頻率最高計(jì)數(shù)頻率主要由個(gè)位計(jì)數(shù)器決定主要由個(gè)位計(jì)數(shù)器決定中小規(guī)模計(jì)數(shù)器中小規(guī)模計(jì)數(shù)器IC如：如：74LS90（MC11C90）十進(jìn)制計(jì)數(shù)）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？删幊逃?jì)數(shù)器可編程計(jì)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(dòng)電路。顯示電路包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。專用計(jì)數(shù)與顯示單元電路：如專用計(jì)數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控信號(hào)門控信號(hào)”（閘門時(shí)間）及時(shí)間測(cè)量時(shí)的（

18、閘門時(shí)間）及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)時(shí)標(biāo)”信號(hào)。信號(hào)。由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到。由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到。再通過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到再通過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號(hào)門控信號(hào)”。準(zhǔn)備期準(zhǔn)備期 （ 復(fù)零，等待）復(fù)零，等待） 測(cè)量期測(cè)量期 （開(kāi)門，計(jì)數(shù)）（開(kāi)門，計(jì)數(shù)） 顯示期顯示期（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按“復(fù)零測(cè)量顯復(fù)零測(cè)量顯示示”的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)1.頻率測(cè)量頻率測(cè)量u 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，閘門時(shí)間設(shè)定為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，閘門時(shí)間設(shè)定為10的

19、冪次方的冪次方，直接顯示計(jì)，直接顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，得到被測(cè)頻率。數(shù)結(jié)果，移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，得到被測(cè)頻率。u 測(cè)量速度與分辨力測(cè)量速度與分辨力：閘門時(shí)間：閘門時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，Ts愈大，測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值愈大，測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。TB放大、整形放大、整形閘閘門門門控電路門控電路計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)顯示顯示Afx分頻電路分頻電路時(shí)基時(shí)基TsBAABTfNTf “時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”,在在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。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(kuò)展通道擴(kuò)展 時(shí)間

20、間隔的兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)由兩個(gè)時(shí)間間隔的兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)由兩個(gè)事件事件確定。如確定。如同一波形上兩同一波形上兩個(gè)不同點(diǎn)個(gè)不同點(diǎn)脈沖信號(hào)參數(shù)脈沖信號(hào)參數(shù)；手動(dòng)觸發(fā)；手動(dòng)觸發(fā)定時(shí)、累加計(jì)數(shù)。定時(shí)、累加計(jì)數(shù)。 兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終止信號(hào)，經(jīng)過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終止信號(hào)，經(jīng)過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到電路得到“門控信號(hào)門控信號(hào)”，采用，采用“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)” 觸發(fā)極性觸發(fā)極性選擇和選擇和觸發(fā)電平觸發(fā)電平調(diào)節(jié)：靈活完成各種時(shí)間間隔的調(diào)節(jié)：靈活完成各種時(shí)間間隔的測(cè)量。如各種測(cè)量。如各種脈沖參數(shù)測(cè)量脈沖參數(shù)測(cè)量、相位差測(cè)量相位差測(cè)量。 用機(jī)內(nèi)的時(shí)基對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)用機(jī)內(nèi)的時(shí)基對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)量化誤差：截?cái)嗾`差，量

21、化誤差：截?cái)嗾`差，1 1誤差誤差 產(chǎn)生原因：閘門與被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生原因：閘門與被測(cè)信號(hào) 不同步不同步, , 時(shí)間零頭時(shí)間零頭 輸入信號(hào)輸入信號(hào)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)，“轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差”時(shí)基準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的時(shí)基準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度直接影響測(cè)量結(jié)果。短期穩(wěn)定度直接影響測(cè)量結(jié)果。要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。外部基準(zhǔn)源。外部基準(zhǔn)源。 fx=N/Ts=NfsxsxsffNfNf1xcxsxcfffT ff 尖峰脈沖的干擾尖峰脈沖的干擾: 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變，對(duì)計(jì)數(shù)影響不大。引起觸發(fā)點(diǎn)的改變，對(duì)計(jì)數(shù)影響不大。高頻疊加干擾高頻疊加干擾:產(chǎn)生錯(cuò)

22、誤計(jì)數(shù)。產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。措施措施:增大觸發(fā)窗或減小信號(hào)幅度增大觸發(fā)窗或減小信號(hào)幅度; 輸入濾波。輸入濾波。 00TTNNTTxx0 xTN TccxxccxccTfTkkTT fTT ff 測(cè)頻時(shí)，測(cè)頻時(shí)，fx愈低，量化誤差愈大；愈低，量化誤差愈大； 測(cè)周時(shí)，測(cè)周時(shí)，fx愈高，量愈高，量化誤差愈大。在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率化誤差愈大。在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率fm，當(dāng)當(dāng)fxfm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)fxfm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)周。時(shí)，應(yīng)采用測(cè)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(cè)頻與測(cè)測(cè)頻與測(cè)周的量化誤差相

23、等。周的量化誤差相等。尖峰脈沖的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。尖峰脈沖的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。 設(shè)輸入為正弦波：設(shè)輸入為正弦波： ,干擾幅度為干擾幅度為Vn。 對(duì)觸發(fā)點(diǎn)對(duì)觸發(fā)點(diǎn)A1作切線作切線ab，其斜率為，其斜率為sinxmxvVttanxBxvVdvdttannVT觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。22)(12sin12cosmBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBxtan2nxnmVTVTV（如選擇過(guò)零觸發(fā)）22122xnnmTVTTTV測(cè)周時(shí)為減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比。測(cè)周時(shí)為減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比。（考慮開(kāi)始和結(jié)束都存在觸發(fā)誤差）減小

24、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(shí)間閘門時(shí)間=被測(cè)信號(hào)整周期數(shù)。被測(cè)信號(hào)整周期數(shù)。 被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)Nx 同步閘門的測(cè)量同步閘門的測(cè)量N0 Nx無(wú)無(wú)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(shí)現(xiàn)不同閘門時(shí)間內(nèi)的實(shí)現(xiàn)不同閘門時(shí)間內(nèi)的等精度等精度測(cè)量測(cè)量。0000 xxxxsNNNffTN TN 減小量化誤差受時(shí)基和計(jì)數(shù)器工作頻率、計(jì)數(shù)容量限制。減小量化誤差受時(shí)基和計(jì)數(shù)器工作頻率、計(jì)數(shù)容量限制。 內(nèi)插法：測(cè)量量化單位以下的尾數(shù)內(nèi)插法：測(cè)量量化單位以下的尾數(shù)(零頭時(shí)間零頭時(shí)間)。TxT

25、x=T=T0 0+T+T1 1-T-T2 2輸輸入入信信號(hào)號(hào)起起始始終終止止時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖xT1T0T2T 基本思路：對(duì)基本思路：對(duì)T T1 1和和T T2 2作時(shí)間擴(kuò)展作時(shí)間擴(kuò)展（放大）后測(cè)量。（放大）后測(cè)量。 三次測(cè)量三次測(cè)量 時(shí)間擴(kuò)展電路時(shí)間擴(kuò)展電路 校準(zhǔn)校準(zhǔn)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(hào)號(hào)游標(biāo)卡尺原理游標(biāo)卡尺原理，利用相差很微小的兩個(gè)量，對(duì)量化單位以，利用相差很微小的兩個(gè)量，對(duì)量化單位以下的差值進(jìn)行多次疊加，直到疊加的值達(dá)到一個(gè)量化單位下的差值進(jìn)行多次疊加，直到疊加的值達(dá)到一個(gè)量化單位為止，通過(guò)計(jì)算獲得較精確的差值。為止，通過(guò)計(jì)算獲得較精確的差值

26、。雙游標(biāo)法測(cè)量?jī)蓚€(gè)零頭時(shí)間雙游標(biāo)法測(cè)量?jī)蓚€(gè)零頭時(shí)間起起始始脈脈沖沖停停止止脈脈沖沖輸輸入入信信號(hào)號(hào)開(kāi)開(kāi)門門脈脈沖沖（Q Q1 1）( (R R- -S S觸觸發(fā)發(fā)器器) )開(kāi)開(kāi)門門脈脈沖沖（Q Q2 2）( (D D觸觸發(fā)發(fā)器器) )主主時(shí)時(shí)鐘鐘（F F0 01 1）游游標(biāo)標(biāo)脈脈沖沖1 1（F F0 02 2）游游標(biāo)標(biāo)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(diǎn)點(diǎn)2 2符符合合點(diǎn)點(diǎn)1 11 12 23 3

27、4 45 51 12 23 34 45 51211020110()N TTNT22020120()N TTNT011200112001()()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。 多周期測(cè)量實(shí)際屬于硬件上的平均多周期測(cè)量實(shí)際屬于硬件上的平均。 多次測(cè)量取平均：利用隨機(jī)誤差的抵償性，減小測(cè)量誤差。多次測(cè)量取平均：利用隨機(jī)誤差的抵償性，減小測(cè)量誤差。11xxxxTfTfNn 多次測(cè)量平均有效性的前提：多次測(cè)量平均有效性的前提：量化誤差的隨機(jī)性量化誤差的隨機(jī)

28、性。 時(shí)基脈沖的隨機(jī)調(diào)相技術(shù)時(shí)基脈沖的隨機(jī)調(diào)相技術(shù)：采用齊納二極管產(chǎn)生噪聲對(duì)時(shí)：采用齊納二極管產(chǎn)生噪聲對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，使時(shí)基脈沖具有隨機(jī)相位抖動(dòng)?；}沖進(jìn)行隨機(jī)相位調(diào)制，使時(shí)基脈沖具有隨機(jī)相位抖動(dòng)。 基基 準(zhǔn)準(zhǔn)振振 蕩蕩 器器倍倍 頻頻 器器1 1 0 0 M M H H z z具具 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(shí)時(shí) 基基 脈脈 沖沖 5 5 0 0變頻法（外差法）變頻法（外差法）

29、：將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)差頻變換成頻率較低：將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號(hào)，再由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。的中頻信號(hào)，再由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)?；祛l器差頻放大器電子計(jì)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(fù)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。利用一個(gè)頻率較低的置換振蕩器的利用一個(gè)頻率較低的置換振蕩器的N N次諧波，與被測(cè)微波頻率次諧波，與被測(cè)微波頻率f fx x進(jìn)行分頻式鎖相，把進(jìn)行分頻式鎖相，把f fx x轉(zhuǎn)換到較低的頻率轉(zhuǎn)換到較低的頻率f fL L（100MHz100MHz以下）。以

30、下）。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。 晶振的晶振的老化與漂移老化與漂移，需要，需要定期校準(zhǔn)定期校準(zhǔn)（微調(diào)）。（微調(diào)）。 “ “頻率計(jì)量頻率計(jì)量”, ,主要內(nèi)容為主要內(nèi)容為“頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度”。 頻率準(zhǔn)確度：頻率準(zhǔn)確度：實(shí)際頻率值實(shí)際頻率值fxfx對(duì)其標(biāo)稱值對(duì)其標(biāo)稱值f f0 0的相對(duì)頻率偏差。的相對(duì)頻率偏差。00,xfffff 頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度：頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化 長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度引入時(shí)間概念，在一定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度引入時(shí)間概念，在一

31、定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度 長(zhǎng)期長(zhǎng)期年、月、日；短期年、月、日；短期秒級(jí)穩(wěn)定度秒級(jí)穩(wěn)定度。 長(zhǎng)期穩(wěn)定度長(zhǎng)期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化引起的振蕩頻率在其平均是指石英諧振器老化引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。 多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的預(yù)熱后，頻率多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的預(yù)熱后，頻率老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性( (增加或減少增加或減少) )。2010210000021ffffffffKfffff 日老化率日老化率 最小二乘擬合，計(jì)算斜率最小二乘擬合，計(jì)算斜率 日波動(dòng)日波動(dòng)老化漂移老化漂移 +

32、+ 隨機(jī)起伏隨機(jī)起伏f f1 1f f2 21 1天天tf210ffKff fm mi in nf fm ma ax x1 1天天tfmaxmin0ffSf日老化率和日波動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定度（1 1）相對(duì)頻率起伏）相對(duì)頻率起伏由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相，頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相，頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均為時(shí)間均為時(shí)間t t的函數(shù)。的函數(shù)。 將頻率源輸出信號(hào)作為隨機(jī)過(guò)程將頻率源輸出信號(hào)作為隨機(jī)過(guò)程00( )sin2( )v tAf tt0( )( )( ),( )2tdtf tffftdt 00( )/ 2ftff( ) t為瞬時(shí)相位（起伏變化）瞬時(shí)頻率 相對(duì)頻率起伏（2）短穩(wěn)的

33、時(shí)域表征）短穩(wěn)的時(shí)域表征阿侖方差阿侖方差相對(duì)頻率起伏為隨機(jī)變量，用取樣方差表示。相對(duì)頻率起伏為隨機(jī)變量，用取樣方差表示。 標(biāo)準(zhǔn)偏差：標(biāo)準(zhǔn)偏差：2210011niifn ffffn對(duì)f(t)作n次測(cè)量，用貝塞爾公式計(jì)算其估計(jì)值。實(shí)際fi是平均值（P175） 當(dāng)存在當(dāng)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(shí)，上述標(biāo)準(zhǔn)噪聲）時(shí)，上述標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量重復(fù)多次（次測(cè)量重復(fù)多次（m組），可以證組），可以證明：明：m個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值的極限存在。個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值的極限存在。21012miiiafffmf fi i和和f

34、fi i為相鄰（無(wú)間隙）兩次測(cè)量值，并將為相鄰（無(wú)間隙）兩次測(cè)量值，并將其作為一組，共進(jìn)行其作為一組，共進(jìn)行m m組測(cè)量得到組測(cè)量得到2m2m個(gè)數(shù)據(jù)。個(gè)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(cè)量中無(wú)影響。噪聲在相鄰兩次測(cè)量中無(wú)影響。秒級(jí)穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時(shí)秒級(jí)穩(wěn)定度的阿侖方差檢定規(guī)程：取樣時(shí)間間1s1s，組數(shù)，組數(shù)100100。mTNTNmim)()(22lim、N=2N=2時(shí)，為時(shí)，為阿侖方差阿侖方差相對(duì)方差 （2 2）短穩(wěn)的頻域表征）短穩(wěn)的頻域表征相位噪聲相位噪聲 阿侖方差的局限性：較好地描述秒級(jí)頻率穩(wěn)定度。但對(duì)于更阿侖方差的局限性：較好地描述秒級(jí)頻率穩(wěn)定度。但對(duì)于更短時(shí)間（如短時(shí)間（如10ms以內(nèi)）的短期頻率穩(wěn)定度，由于測(cè)量上困難以內(nèi)）的短期頻率穩(wěn)定度，由于測(cè)量上困難而失去意義。而失去意義。 由噪聲引起的相位起伏，等效于一個(gè)噪聲源的相位調(diào)制（相由噪聲引起的相位起伏，等效于一個(gè)噪聲源