第5章頻率時間測量-1

第五章頻率與時間的測量5.1 頻率和時間的基本概念5.2 電子計數(shù)器的組成原理和測量功能5.3 電子計數(shù)法測量頻率5.4 電子計數(shù)法測量周期5.5 電子計數(shù)法測量時間間隔5.6

高分辨時間和頻率測量技術(shù)5.7

頻率穩(wěn)定度測量和頻率比對5.8

時頻測量技術(shù)5.9 時間和頻率的其他測量方法5.1時間、頻率的基本概念1）時間和頻率的定義◆時間有兩個含義：

“時刻”：即某個事件何時發(fā)生；

“時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久。◆時間的基本單位：秒，用s表示。還可以采用毫秒（ms,10-3s）、微秒（μs，10-6s）、納秒（ns,10-9s）、皮秒（ps，10-12s）。周期過程重復出現(xiàn)一次所需要的時間稱為它的周期。用T表示。5.1時間、頻率的基本概念1）時間和頻率的定義◆頻率的定義：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T0內(nèi)周期信號重復變化了N次，則頻率可表達為：f＝N/T0◆時間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。

周期T的單位為秒，頻率的單位為赫茲（Hz）2）時頻測量的特點◆最常見和最重要的測量（范圍廣） 時間是7個基本國際單位之一，時間、頻率是極為重要的物理量，在通信、航空航天、武器裝備、科學試驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民用和軍事方面都存在時頻測量。◆測量準確度高 時間頻率基準具有最高準確度（可達10-14），校準（比對）方便，因而數(shù)字化時頻測量可達到很高的準確度。因此，許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量。◆自動化程度高◆測量速度快各種測量方法有著不同的實現(xiàn)原理，其復雜程度不同。各種測量方法有著不同的測量準確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間、頻率測量的主要方法，是本章的重點。5.1.2.1時間與頻率的原始標準1）天文時標◆原始標準應(yīng)具有恒定不變性?！纛l率和時間互為倒數(shù)，其標準具有一致性?！艉暧^標準和微觀標準

宏觀標準：基于天文觀測； 微觀標準：基于量子電子學，更穩(wěn)定更準確。◆世界時（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級。5.1.2時間與頻率標準1）天文時標◆為世界時確定時間觀測的參考點，得到平太陽時：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽作為基本參考點。零類世界時（UT0）：以平太陽的子夜0時為參考。第一類世界時（UT1）：對地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。第二類世界時（UT2）：對地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準確度為3×10－8。歷書時（ET）：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標準，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31556925.9747分之一為1秒。參考點為1900年1月1日0時（國際天文學會定義）。準確度達1×10－9

。于1960年第11屆國際計量大會接受為“秒”的標準。2）原子時標◆基于天文觀測的宏觀標準用于測試計量中的不足設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測時間長；準確度有限?！粼訒r標（AT）的量子電子學基礎(chǔ) 原子（分子）在能級躍遷中將吸收(低能級到高能級)或輻射（高能級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。

hfn-m=En-Em 式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個能級，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。2）原子時標原子時標的定義

1967年10月，第13屆國際計量大會正式通過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個周期的時間”

1972年起實行，為全世界所接受。秒的定義由天文實物標準過渡到原子自然標準，準確度提高了4~5個量級，達5×10-14(相當于62萬年±1秒)，并仍在提高?！氨本r間”即按我國銫原子時頻標準來制定的。2）原子時標原子鐘原子時標的實物儀器，可用于時間、頻率標準的發(fā)布和比對。銫原子鐘準確度：10-13~10-14。大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準；小銫鐘，頻率工作基準。銣原子鐘準確度：10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高：10-14~10-15，但準確度較低（10-12）。3）標準時頻的傳遞1）本地比較法就是用戶把自己要校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，然后再通過中間測試設(shè)備進行比對。2）發(fā)送接收標準電磁波法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，便可得到標準的時頻信號，并與自己的裝置比對測量。標準電磁波是指其時間頻率受標準源控制的電磁波，或含有標準時頻信息的電磁波。5.1.2.2石英晶體振蕩器電子計數(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。石英有較高的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性?；趬弘娦?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。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。下圖為恒溫晶振的組成。1）組成2）指標◆晶體振蕩器的主要指標有: 輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動:2×10-10 ；日老化:1×10-10；秒穩(wěn):5×10-12。 輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負載50Ω)?！魩追N不同類型的晶體振蕩器指標

5.1.4測量方法概述◆頻率的測量方法可以分為：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5.2

電子計數(shù)器的組成原理和測量功能1）電子計數(shù)器的分類◆按功能可以分為如下四類：（1）通用計數(shù)器：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。（2）頻率計數(shù)器：其功能限于測頻和計數(shù)。但測頻范圍往往很寬。（3）時間計數(shù)器：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。（4）特種計數(shù)器: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、預置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控。5.2.1

電子計數(shù)器概述1）電子計數(shù)器的分類按用途可分為：

測量用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。按測量范圍可分為： （1）低速計數(shù)器（低于10MHz） （2）中速計數(shù)器（10~100MHz） （3）高速計數(shù)器（高于100MHz） （4）微波計數(shù)器（1~80GHz）

2）主要技術(shù)指標（1）測量范圍：毫赫~幾十GHz。（2）準確度：可達10-9以上。（3）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、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達10-7~10-9。（4）輸入特性：包括耦合方式（DC、AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（10~100mV）、輸入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）閘門時間(測頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時標(測周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。3）電子計數(shù)器的發(fā)展◆測量方法的不斷發(fā)展：模擬數(shù)字技術(shù)智能化。◆測量準確度和頻率上限是電子計數(shù)器的兩個重要指標，電子計數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個指標的不斷提高及功能的擴展和完善?！衾樱骸裢ǖ溃簝蓚€225MHz通道，也可 選擇第三個12.4GHz通道。●每秒12位的頻率分辨率、150ps的時間間隔分辨率?！駵y量功能：包括頻率、頻率比、時間間隔、上升時間、下降時間、相位、占空比、正脈沖寬度、負脈沖寬度、總和、峰電壓、時間間隔平均和時間間隔延遲。●處理功能：平均值、最小值、最大值和標準偏差。4）通用計數(shù)器的基本組成通用電子計數(shù)器的組成框圖如下圖所示：5）通用計數(shù)器的基本組成通用計數(shù)器包括如下幾個部分輸入通道：通常有A、B、C多個通道，以實現(xiàn)不同的測量功能。輸入通道電路對輸入信號進行放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。 通過預定標器還可擴展頻率測量范圍。主門電路：完成計數(shù)的閘門控制作用。計數(shù)與顯示電路：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果（反映測量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來。時基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機內(nèi)時間、頻率測量的基準，即時間測量的時標和頻率測量的閘門信號。控制電路：控制協(xié)調(diào)整機工作，即準備測量顯示。5.2.2電子計數(shù)器的組成原理和測量功能5.2.2.1電子計數(shù)器的組成

1）A、B輸入通道

2）主門電路 3）計數(shù)與顯示電路 4）時基產(chǎn)生電路 5）控制電路5.2.2.2電子計數(shù)器的測量功能

1）頻率測量

2）頻率比測量 3）周期測量 4）時間間隔測量 5）自檢5.2.2.1電子計數(shù)器的組成組成原理框圖數(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(guān)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1）A、B輸入通道◆作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)（包括出發(fā)電平調(diào)節(jié)）等單元電路構(gòu)成。其作用是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。

通過預定標器（外插件）還可擴展頻率測量范圍?！羲姑芴赜|發(fā)電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對輸入信號具有較好的抗干擾作用。1）A、B輸入通道通道組合可完成不同的測量功能：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。從計數(shù)端輸入的信號有：被測信號(fx);內(nèi)部時標信號等;從控制端輸入的信號有：閘門信號；被測信號(Tx)等；序號計數(shù)端信號控制端信號測試功能計數(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）fx＝N/T3內(nèi)時鐘（T0）被測周期（Tx）測量周期（B）Tx＝NT04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(yīng)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(yīng)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）Nx＝N8內(nèi)時鐘（秒信號）手控或遙控計時

N（秒）2）主門電路◆功能：主門也稱為閘門，通過“門控信號”控制進入計數(shù)器的脈沖，使計數(shù)器只對預定的“閘門時間”之內(nèi)的脈沖計數(shù)?！綦娐罚河伞芭c門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“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；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?！簟伴T控信號”還可手動操作得到，如實現(xiàn)手動累加計數(shù)。3）計數(shù)與顯示電路◆功能：計數(shù)電路對通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。 為了便于觀察和讀數(shù)，通常使用十進制計數(shù)電路?！粲嫈?shù)電路的重要指標：最高計數(shù)頻率。 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?！舨煌娐肪哂胁煌墓ぷ魉俣龋喝?4LS（74HC）系列為30～40MHz；74S系列為100MHz；CMOS電路約5MHz；ECL電路可達600MHz。3）計數(shù)與顯示電路類型：單片集成與可編程計數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS90（MC11C90）十進制計數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進制計數(shù)