電子測量第四章課件

第四章頻率與時間的測量第一節(jié)

頻率或時間的原始基準

記時標準：UT0、UT1、UT2、ET－宏觀計時標準AT－原子時

第二節(jié)

電子計數(shù)器測頻方法

一、電子計數(shù)器的測頻原理

頻率：

11脈沖形成電路十進電子計數(shù)器閘門門控電路

時基信號發(fā)生器2543頻率表達式

N：重復(fù)次數(shù)

T：一定時間間隔

2計數(shù)器計數(shù)器是用觸發(fā)器構(gòu)成的。觸發(fā)器的和端有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，因此可用和端來表示二進制代碼。對應(yīng)每一個輸入時鐘脈沖CP，觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)一次，每兩個CP脈沖就使一個觸發(fā)器又回復(fù)到原態(tài)，并輸出一個進位信號，符合適二進一的特點，因此可利用它們作為二進制計數(shù)單元。對若干個觸發(fā)器進行適當(dāng)?shù)穆?lián)接，就構(gòu)成二進制、十進制或N進制計數(shù)器。但在數(shù)字儀表中，最常用的是按8421編碼的十進制計數(shù)器，又名二—十進制計數(shù)器。3①被測信號（正弦波）②由①信號轉(zhuǎn)換成的脈沖③由時基信號發(fā)生器提供④門控信號，作為時間基準（時基）⑤被計數(shù)的脈沖時基TT稱為閘門時間5＋12V閘門時間A－通道時標信號分頻器1、輸入單元：將被測正弦信號通過放大、整形形成計數(shù)的方波2、十進制電子計數(shù)器，用來進行脈沖計數(shù)3、時基信號產(chǎn)生與變換單元。4、邏輯控制單元6三、誤差分析

由

得

:儀器特有的誤差:閘門時間的相對誤差

（一）±1誤差

當(dāng)主門開啟時間時，達到最大計數(shù)誤差。

7這時

*最大誤差總是±1個計數(shù)單位稱為“±1誤差”。

*一定時，增大閘門時間T，可減小±1誤差對測頻誤差的影響。

*T一定時，越低，由±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差越大。

9（二）標準頻率誤差

閘門時間T的準確性決定于石英振蕩器提供的標準頻率的準確度。

設(shè)石英振蕩器的頻率為，分頻系數(shù)為K則10（三）結(jié)論

1、計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項2、測量低頻時，由于±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以測量低頻時不宜采用直接測頻方法。11第三節(jié)

電子計數(shù)器測周方法

一、測周的必要性與基本原理

由于較低時，±1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度，所以為了提高測量低頻時的準確度，可預(yù)先測周期。基本原理：13石英振蕩器十進電子計數(shù)器主門門控電路

脈沖形成電路k1門控信號輸入14二、誤差分析

而且

1517三、倒數(shù)計數(shù)器

由

標準時鐘主門1輸入觸發(fā)器計數(shù)器1定標器主門2門3預(yù)置到105－N時基分頻計數(shù)器2測周期模式測頻率模式閘門時間18定標器：每計滿N個標準脈沖就產(chǎn)生一個進位脈沖。計數(shù)器1：計的脈沖個數(shù)是N。測頻率模式測周期模式19第四節(jié)時間間隔的測量一、基本模式

當(dāng)跨接于兩個輸入端的選擇開關(guān)S斷開時，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；可用于測量兩個信號的時間差（相位差）。時間間隔的測量常用兩種工作方式：21兩個獨立的輸入通道(B和C)可分別設(shè)置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性(觸發(fā)沿)。輸入通道B為起始通道，用來開啟主門，而來自輸入通道C的信號為計數(shù)器的終止信號。22相位差觸發(fā)極性置于“＋”觸發(fā)極性置于“－”23當(dāng)需要測量脈沖的寬度時，開關(guān)S應(yīng)閉合，而且，B輸入觸發(fā)沿應(yīng)置于“十”，C輸入觸發(fā)沿應(yīng)置于“一”?？梢娭鏖T的開啟時間為，即脈沖寬度，在時間內(nèi)，時標通過主門計數(shù)。由于脈沖寬度是以50％脈沖幅度來定義的，為了獲得高的測量準確度，觸發(fā)電平必須準確設(shè)置在50％的脈沖幅度上。利用這種工作方式可以測量一個波形上任意兩點間的時間間隔，因此利用電子計數(shù)器可以進行波形分析。2526輸出“觸發(fā)窗”（也稱“滯后帶”）

：與之差。291、噪聲干擾引起的計數(shù)誤差疊加在信號波形上的噪聲?！逯岛艽髸r，每個信號周期與“滯后帶”相交的次數(shù)將大于兩次，即產(chǎn)生了額外的觸發(fā)達時計致器就會發(fā)生額外計數(shù)。觸發(fā)窗30為了消除噪聲干擾引起的計數(shù)誤差，可將信號通道(A通道)增益調(diào)小，這樣疊加在信號上的噪聲幅度同時減小，使得噪聲幅度小于觸發(fā)窗寬度，在這種情況下，每一個信號周期內(nèi)與觸發(fā)窗只相交兩次(圖中A和B兩點)，即不發(fā)生額外觸發(fā)。2、消除噪聲干擾引起的計數(shù)誤差觸發(fā)窗31二、測周模式的的誤差在測周時，門控信號由通過B通道的被測信號所控制，即通過斯密持電路把被測信號變成方波，并觸發(fā)門控電路產(chǎn)生控制主門開啟的門控信號。當(dāng)無噪聲干擾時，主門開啟時間剛好等于一個被測周期。石英振蕩器十進電子計數(shù)器主門門控電路

脈沖形成電路k1門控信號輸入32當(dāng)被測信號受干擾時，假設(shè)干擾為一尖峰脈沖，可見，斯密特電路將提前在觸發(fā)，于是形成的方波周期為，即產(chǎn)生的誤差，稱“轉(zhuǎn)換誤差（或觸發(fā)誤差）”。1、轉(zhuǎn)換誤差（或觸發(fā)誤差）33直線ab為Al點的正弦波切線，即接通電平處正弦曲線的斜率為2、轉(zhuǎn)換誤差（或觸發(fā)誤差）的計算3435同樣在正弦信號下一個上升沿上(圖中A2點附近)也可能存在于擾，即也可能產(chǎn)生觸發(fā)誤差36由于干擾或噪聲都是隨機的，和都屬于隨機誤差，并進行誤差合成：信噪比373、利用“多周期測量法”減小轉(zhuǎn)換誤差對測周的影響所謂“多周期測量法”是用計數(shù)器測量多個周期值，比如計數(shù)器計十個被測周期的數(shù)，即測，然后將計得的數(shù)除以10就等于一個周期的數(shù)。38多周期測量的測周方框圖39多周期測量減少轉(zhuǎn)換誤差的原因以為例，兩相鄰周期由于轉(zhuǎn)換誤差所產(chǎn)生的是互相抵消的，當(dāng)測10個周期時，只有第一個周期開始產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差和第十個周期終了產(chǎn)生的才產(chǎn)生10個周期引起的總測周誤差。40以為例，兩相鄰周期由于轉(zhuǎn)換誤差所產(chǎn)生的是互相抵消的，當(dāng)測10個周期時，只有第一個周期開始產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差和第十個周期終了產(chǎn)生的才產(chǎn)生10個周期引起的總測周誤差：一個周期的誤差為414、結(jié)論用計數(shù)器直接測周的誤差主要有：量化誤差轉(zhuǎn)換誤差標準頻率誤差合成誤差按下式計算：42采用多周期測量可提高測量準確度；選用小的時標(即k小)可提高測周分辨力；測量過程中盡可能提高傳噪比。43三、測時間間隔模式時的誤差在這一測量模式中，同樣也會產(chǎn)生由噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差。此外，由于斯密持觸發(fā)電路的滯后，也會產(chǎn)生誤差，稱“觸發(fā)滯后誤差”。1、誤差的種類觸發(fā)窗標稱觸發(fā)電平44以測量脈沖寬度為例，由于觸發(fā)電路存在滯后，電路不是在標稱觸發(fā)電平A點(50％脈沖幅度)產(chǎn)生觸發(fā)，而是在接通電平(點)產(chǎn)生觸發(fā)；同樣，在下降沿上，電路不是在B點翻轉(zhuǎn)，而是在斷開電平()上翻轉(zhuǎn)，故測得的脈沖寬度為，而不是所定義的脈沖寬度。2、產(chǎn)生觸發(fā)滯后誤差的原因觸發(fā)窗標稱觸發(fā)電平45－觸發(fā)窗寬度－上升沿斜率；－下降沿斜率。3、觸發(fā)滯后誤差的計算464、消除觸發(fā)滯后誤差的方法現(xiàn)代時間間隔計數(shù)器，內(nèi)部裝有補償網(wǎng)絡(luò)，借助于移動觸發(fā)窗的方法，可自動消除觸發(fā)滯后誤差。對正斜率(上升沿)，將觸發(fā)窗往下移半個窗口寬度，而對負斜率(下降沿)則向上移半個窗口寬度，則觸發(fā)點A和B正好處在50％脈沖幅度的電平上。觸發(fā)窗47第六節(jié)標準頻率源的測量一、引言1、標準頻率源指的是什么？標準頻率源(簡稱頻率源)主要是指各級頻率標準、頻率合成器和通用計數(shù)器中的高穩(wěn)定石英振蕩器（常稱小晶振）。2、標準頻率源的基本要求頻率準確度和頻率穩(wěn)定度是標準頻率源的兩項主要指標。483、標準頻率源測量的特點標準頻率源的測量屬于頻率精密測量(頻率計量)的內(nèi)容，這種測量是在一個(被測的)頻率源和另一個準確度更高的頻率源之間進行比對來實現(xiàn)的。由于一個頻率源的準確度是由它的頻率穩(wěn)定度來保證的，因此，檢定一個頻率源的主要內(nèi)容是測量它的頻率穩(wěn)定度。49二、頻率準確度頻率準確度是指頻率實際值對其標稱值。的相對偏差，其表達式為三、頻率穩(wěn)定度1、頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定度是指在一定時間間隔內(nèi)，頻率源的頻率準確度的變化，所以實際上是頻率不穩(wěn)定度，它表征頻率源維持其工作于恒定頻率上的工作能力。50(1)系統(tǒng)性的或確定性的變化，比如，構(gòu)成頻率源的元器件的老化或系統(tǒng)性漂移；環(huán)境溫度、供電電壓等外界條件變化所引起的頻率漂移。

(2)非確定性的或隨機性的變化，其主要原因是各種噪聲對輸出信號進行寄生調(diào)頻和調(diào)相，從而產(chǎn)生頻率的隨機起伏。2、影響頻率穩(wěn)定度內(nèi)外因素51四、頻率穩(wěn)定度的描述用長期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度來描述頻率穩(wěn)定度。長期穩(wěn)定度指長時間(年或月范圍內(nèi))的頻率變化，在石英振蕩器中，長時間的頻率漂移主要是由石英諧振器(晶體)的老化引起的，它屬于系統(tǒng)性的或確定性的變化其值與頻率的隨機性變化無關(guān)．所以，長期穩(wěn)定度一般是指年或月的老化率。短期穩(wěn)定度是秒或毫秒內(nèi)的隨機頻率變化，這種無規(guī)則的隨機變化與長期的頻率漂移無關(guān)．比如，用于計數(shù)器的石英振蕩器，其輸出頻率在一秒內(nèi)穩(wěn)不穩(wěn)具有重要意義，故常用“秒級穩(wěn)定度”來表征。521、長期穩(wěn)定度表征長期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化而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．多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時間的預(yù)熱后，其頻率的老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性(增加或減小)。長期穩(wěn)定度的定義（天、月、年）53對石英振蕩器，通常用一天內(nèi)的頻率平均漂移作為長期穩(wěn)定度的表征，叫做“日老化率”。用一天內(nèi)頻率平均漂移的相對值表示。日老化率－老化曲線上相隔一天(24小時)的兩個頻率值；－標稱頻率．54老化曲線是由離散的測試點通過數(shù)據(jù)處理后得到的，通常是利用最小二乘法得到日老化率。在實際測量中，需要連續(xù)測一周或一個月，設(shè)每天測一個數(shù)據(jù)，共測n天，則依次得n個等精度測量數(shù)據(jù)于是可利用最小二乘法擬合得到一條老化曲線，不難求得其斜率的估計值。設(shè)回歸方程為：根據(jù)最小二乘法原理，對于等精度測量，應(yīng)滿足55正規(guī)方程56日老化率57當(dāng)外界條件(溫度、供電電壓等)恒定時，一天內(nèi)的振蕩頻率，除老化漂移外，還將產(chǎn)生頻率的隨機起伏，可用日波動來綜合表征老化漂移和隨機起伏這兩種頻率變化，日波動是指頻率源經(jīng)規(guī)定時間的預(yù)熱以后在24小時內(nèi)頻率的最大變化。日波動58四、頻率穩(wěn)定度的時域測量頻率穩(wěn)定度的時域測量是建立在與標準頻率比對的基礎(chǔ)上。完成這種比對必須具備兩個條件：(1)作為基準的標準頻率，其準確度和穩(wěn)定度至少應(yīng)比被測頻率源高一個數(shù)量級(2)測量(比對)設(shè)備的測量準確度至少應(yīng)比被測頻率源商3倍．59(一)計數(shù)器直接測頻[例]一臺標準頻率為2．5MKz的石英振蕩器，用計數(shù)器直接測頻，若提供計數(shù)器的時基信號頻率準確度為1x10－9，則當(dāng)T＝1s時的測頻誤差為

計數(shù)器直接測頻的測量準確度，主要受到誤差的限制，即使閉門時間選為10s，也只能達到10－8量級，而且閘門時間的選擇往往受到取樣時間的限制，例如，測量秒級穩(wěn)定度，閘門時間必須為1s．60(二)測差頻周期法測差頻周期法是先把被測頻率降低，然后測其周期。周期計數(shù)器被測頻率標準頻率鑒相器被測頻率和標淮頻率由混頻器檢出兩者的差頻，用測周計數(shù)器測差頻信號的周期然后計算，可測得被測頻率值1、什么是測差頻周期法？612、測差頻周期法的誤差分析設(shè)土1誤差所產(chǎn)生的周期絕對誤差為由得最后的測頻誤差為：被測頻率源的標準頻率62例：設(shè)和的標稱頻率，差頻，即，若計數(shù)器的時標為，“周期倍乘”置于“1”，求測頻誤差。解：土1誤差所產(chǎn)生的周期絕對誤差如果只考慮誤差，那么63討論1、為了保證測差額周期法的高準確度，作為比對用的標準頻率，其準確度應(yīng)比被測頻率源至少高一個量級?？烧J為完全由的不穩(wěn)定產(chǎn)生的。642、利用這種方法來測一個頻率源的秒級穩(wěn)定度，這時我們必須把被測頻率源的頻率調(diào)整到使。即，這是因為計數(shù)器測周時的取樣時間等于被測信號周期(當(dāng)周期倍增置于“1”)．但是，這一點不是在任何情況下都做得到的，特別是當(dāng)測量高穩(wěn)定的石英振蕩器時，其頻率微調(diào)范圍較小(一般只能在其穩(wěn)定度范圍內(nèi)調(diào)節(jié))，差額不能調(diào)到1Hz，同時，頻率調(diào)得太偏，會使石英振蕩器的頻率穩(wěn)定度變壞。65(三)差額倍增技術(shù)差額倍增技術(shù)是目前頻率測量中廣泛采用的一種方案，其實質(zhì)是將被測頻率源的頻率起伏進行倍增。至頻率計數(shù)器至周期計數(shù)器被測頻率標準頻率鑒相器66由計數(shù)器測得的差頻為，且被測頻率源的準確度為67（四）示波測量法被測頻率標準頻率68由于和有偏差，兩信號之間的相位差將隨時間而變