《时间频率测量》PPT课件.ppt

电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第1页第四章第四章 时间与频率的测量时间与频率的测量4.14.1概述概述4.24.2时间与频率的原始基准时间与频率的原始基准4.34.3频率和时间的测量原理频率和时间的测量原理4.44.4电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.54.5电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差4.64.6高分辨时间和频率测量技术高分辨时间和频率测量技术4.74.7微波频率测量技术微波频率测量技术4.84.8频率稳定度测量和频率比对频率稳定度测量和频率比对4.94.9时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第2页4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念 1 1 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义）时间和频率的定义）时间和频率的定义 2 2 2 2）时频测量的特点）时频测量的特点）时频测量的特点）时频测量的特点 3 3 3 3）测量方法概述）测量方法概述）测量方法概述）测量方法概述4.1.2 4.1.2 电子计数器概述电子计数器概述 1 1 1 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类）电子计数器的分类）电子计数器的分类 2 2 2 2）主要技术指标）主要技术指标）主要技术指标）主要技术指标 3 3 3 3）电子计数器的发展）电子计数器的发展）电子计数器的发展）电子计数器的发展电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第3页4.1.1 4.1.1 时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念 1 1 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义）时间和频率的定义）时间和频率的定义时间有两个含义：时间有两个含义：时间有两个含义：时间有两个含义：“时刻时刻时刻时刻”：即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；“时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义：频率的定义：频率的定义：频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s1s1s）内的变化次数）内的变化次数）内的变化次数）内的变化次数（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔T T T T内周期信号重复变化内周期信号重复变化内周期信号重复变化内周期信号重复变化了了了了N N N N次次次次，则频率可表达为：，则频率可表达为：，则频率可表达为：，则频率可表达为：f fN/TN/T时间与频率的关系：时间与频率的关系：时间与频率的关系：时间与频率的关系：可以互相转换。可以互相转换。可以互相转换。可以互相转换。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第4页2)2)时频测量的特点时频测量的特点最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量时间是时间是时间是时间是7 7 7 7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等疗、工业自动化等疗、工业自动化等疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。测量准确度高测量准确度高测量准确度高测量准确度高时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（可达可达可达可达10101010-14-14-14-14），校准），校准），校准），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，因此，因此，因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。自动化程度高自动化程度高自动化程度高自动化程度高测量速度快测量速度快测量速度快测量速度快电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第5页3）测量方法概述）测量方法概述频率的测量方法可以分为：频率的测量方法可以分为：频率的测量方法可以分为：频率的测量方法可以分为：差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6页u各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着不同的实现原理不同的实现原理不同的实现原理不同的实现原理，其复杂程度，其复杂程度，其复杂程度，其复杂程度不同。不同。不同。不同。u各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频率范围率范围率范围率范围。u数字化数字化数字化数字化电子计数器法电子计数器法电子计数器法电子计数器法是时间、频率测量的主要方是时间、频率测量的主要方是时间、频率测量的主要方是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。法，是本章的重点。法，是本章的重点。法，是本章的重点。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第7页4.1.2 4.1.2 电子计数器概述电子计数器概述1 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类）电子计数器的分类）电子计数器的分类按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：（1 1 1 1）通用计数器通用计数器通用计数器通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间可测量频率、频率比、周期、时间间可测量频率、频率比、周期、时间间可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。隔、累加计数等。其测量功能可扩展。隔、累加计数等。其测量功能可扩展。隔、累加计数等。其测量功能可扩展。（2 2 2 2）频率计数器频率计数器频率计数器频率计数器：其功能限于测频和计数。但其功能限于测频和计数。但其功能限于测频和计数。但其功能限于测频和计数。但测频范围测频范围测频范围测频范围往往很宽。往往很宽。往往很宽。往往很宽。（3 3 3 3）时间计数器时间计数器时间计数器时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉以时间测量为基础，可测量周期、脉以时间测量为基础，可测量周期、脉以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。（4 4 4 4）特种计数器特种计数器特种计数器特种计数器:具有特殊功能的计数器。具有特殊功能的计数器。具有特殊功能的计数器。具有特殊功能的计数器。包括可逆计包括可逆计包括可逆计包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第8页1）电子计数器的分类）电子计数器的分类u按用途可分为：按用途可分为：按用途可分为：按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。测量用计数器和控制用计数器。测量用计数器和控制用计数器。测量用计数器和控制用计数器。u按测量范围可分为：按测量范围可分为：按测量范围可分为：按测量范围可分为：（1 1 1 1）低速计数器低速计数器低速计数器低速计数器（低于（低于（低于（低于10MHz10MHz10MHz10MHz）（2 2 2 2）中速计数器中速计数器中速计数器中速计数器（10100MHz10100MHz10100MHz10100MHz）（3 3 3 3）高速计数器高速计数器高速计数器高速计数器（高于（高于（高于（高于100MHz100MHz100MHz100MHz）（4 4 4 4）微波计数器微波计数器微波计数器微波计数器（180GHz180GHz180GHz180GHz）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第9页2 2）主要技术指标）主要技术指标（1 1）测量范围：）测量范围：）测量范围：）测量范围：毫赫毫赫毫赫毫赫 几十几十几十几十GHzGHz。（2 2）准确度：）准确度：）准确度：）准确度：可达可达可达可达1010-9-9以上。以上。以上。以上。（3 3）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（1010倍）。输出频率为倍）。输出频率为倍）。输出频率为倍）。输出频率为1MHz1MHz、2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz等，普通晶振稳定度为等，普通晶振稳定度为等，普通晶振稳定度为等，普通晶振稳定度为1010-5-5，恒温晶振达，恒温晶振达，恒温晶振达，恒温晶振达1010-7-71010-9-9。（4 4）输入特性：）输入特性：）输入特性：）输入特性：包括耦合方式（包括耦合方式（包括耦合方式（包括耦合方式（DCDC、ACAC）、触发电平）、触发电平）、触发电平）、触发电平（可调）、灵敏度（可调）、灵敏度（可调）、灵敏度（可调）、灵敏度（10100mV10100mV）、输入阻抗（）、输入阻抗（）、输入阻抗（）、输入阻抗（50 50 低阻低阻低阻低阻和和和和1M 1M/25pF/25pF/25pF/25pF高阻）等。高阻）等。高阻）等。高阻）等。（5 5）闸门时间）闸门时间）闸门时间）闸门时间(测频测频测频测频)：有：有：有：有1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s、10s10s。（6 6）时标）时标）时标）时标(测周测周测周测周)：有：有：有：有10ns10ns、100ns100ns、1ms1ms、10ms10ms。（7 7）显示：）显示：）显示：）显示：包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第10页3 3）电子计数器的发展）电子计数器的发展测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：模拟模拟模拟模拟数字技术数字技术数字技术数字技术智能化。智能化。智能化。智能化。测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指是电子计数器的两个重要指是电子计数器的两个重要指是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断指标的不断指标的不断指标的不断提高提高提高提高及及及及功能的扩展和完善功能的扩展和完善功能的扩展和完善功能的扩展和完善。例子：例子：例子：例子：通道：通道：通道：通道：两个两个两个两个225MHz225MHz225MHz225MHz通道，也可通道，也可通道，也可通道，也可选择第三个选择第三个选择第三个选择第三个12.4GHz12.4GHz12.4GHz12.4GHz通道。通道。通道。通道。每秒每秒每秒每秒12121212位的频率分辨率、位的频率分辨率、位的频率分辨率、位的频率分辨率、150ps150ps150ps150ps的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间峰电压、时间间峰电压、时间间峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。处理功能：处理功能：处理功能：处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第11页4.2 时间与频率标准时间与频率标准4.2.1 4.2.1 时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准 1 1 1 1）天文时标）天文时标）天文时标）天文时标 2 2 2 2）原子时标）原子时标）原子时标）原子时标4.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1 1 1 1）组成）组成）组成）组成 2 2 2 2）指标）指标）指标）指标电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第12页4.2.1 4.2.1 时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准1 1）天文时标）天文时标原始标准应具有原始标准应具有原始标准应具有原始标准应具有恒定不变性恒定不变性恒定不变性恒定不变性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。宏观标准和微观标准宏观标准和微观标准宏观标准和微观标准宏观标准和微观标准宏观标准：基于天文观测；宏观标准：基于天文观测；宏观标准：基于天文观测；宏观标准：基于天文观测；微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。世界时世界时世界时世界时（UT,Universal TimeUT,Universal TimeUT,Universal TimeUT,Universal Time）:以以以以地球自转周期地球自转周期地球自转周期地球自转周期(1(1(1(1天天天天)确确确确定的时间，即定的时间，即定的时间，即定的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/864001/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为为为为1 1 1 1秒。其误差约秒。其误差约秒。其误差约秒。其误差约为为为为101010107 7 7 7量级。量级。量级。量级。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第13页1 1）天文时标）天文时标为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的参考点参考点参考点参考点，得到，得到，得到，得到平太阳时平太阳时平太阳时平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的的的的平太阳平太阳平太阳平太阳作为基本参考点。作为基本参考点。作为基本参考点。作为基本参考点。零类世界时（零类世界时（零类世界时（零类世界时（UTUTUTUT0 0 0 0）：以平太阳的子夜：以平太阳的子夜：以平太阳的子夜：以平太阳的子夜0 0 0 0时为参考。时为参考。时为参考。时为参考。第一类世界时（第一类世界时（第一类世界时（第一类世界时（UTUTUTUT1 1 1 1）：对地球自转的极移效应（自转：对地球自转的极移效应（自转：对地球自转的极移效应（自转：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。轴微小位移）作修正得到。轴微小位移）作修正得到。轴微小位移）作修正得到。第二类世界时（第二类世界时（第二类世界时（第二类世界时（UTUTUTUT2 2 2 2）：对地球自转的季节性变化（影：对地球自转的季节性变化（影：对地球自转的季节性变化（影：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为响自转速率）作修正得到。准确度为响自转速率）作修正得到。准确度为响自转速率）作修正得到。准确度为3103103103108 8 8 8 。历书时（历书时（历书时（历书时（ETETETET）：以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，即公转周，即公转周，即公转周，即公转周期（期（期（期（1 1 1 1年）的年）的年）的年）的31 556 925.974731 556 925.974731 556 925.974731 556 925.9747分之一为分之一为分之一为分之一为1 1 1 1秒。参考点为秒。参考点为秒。参考点为秒。参考点为1900190019001900年年年年1 1 1 1月月月月1 1 1 1日日日日0 0 0 0时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达1101101101109 9 9 9 。于于于于1960196019601960年第年第年第年第11111111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒秒秒”的标准。的标准。的标准。的标准。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第14页2 2）原子时标）原子时标 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；观测时间长；观测时间长；观测时间长；观测时间长；准确度有限。准确度有限。准确度有限。准确度有限。原子时标（原子时标（原子时标（原子时标（ATAT）的量子电子学基础的量子电子学基础的量子电子学基础的量子电子学基础原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级低能级到高能级低能级到高能级低能级到高能级)或辐或辐或辐或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em m式中，式中，式中，式中，h=6.625210h=6.625210h=6.625210h=6.625210-27-27-27-27为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，E E E En n n n、E E E Em m m m为受激态的为受激态的为受激态的为受激态的两个能级，两个能级，两个能级，两个能级，f f f fn-mn-mn-mn-m为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第15页2 2）原子时标）原子时标u原子时标的定义原子时标的定义1967196719671967年年年年10101010月，第月，第月，第月，第13131313届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了秒的新定义：秒的新定义：秒的新定义：秒的新定义：“秒是秒是秒是秒是CsCsCsCs133133133133原子原子原子原子基态的两个超精细基态的两个超精细基态的两个超精细基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,7709,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间个周期的时间个周期的时间”。1972197219721972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由年起实行，为全世界所接受。秒的定义由年起实行，为全世界所接受。秒的定义由年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了了了了45454545个量级，达个量级，达个量级，达个量级，达510510510510-14-14-14-14(相当于相当于相当于相当于62626262万年万年万年万年1111秒秒秒秒)，并仍在提高。并仍在提高。并仍在提高。并仍在提高。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第16页2 2）原子时标）原子时标uu原子钟原子钟原子钟原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。uu铯原子钟铯原子钟铯原子钟铯原子钟准确度：准确度：准确度：准确度：1010-13-131010-14-14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。uu铷原子钟铷原子钟铷原子钟铷原子钟准确度：准确度：准确度：准确度：1010-11-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。uu氢原子钟氢原子钟氢原子钟氢原子钟短期稳定度高：短期稳定度高：短期稳定度高：短期稳定度高：1010-14-141010-15-15，但准确度较低（，但准确度较低（，但准确度较低（，但准确度较低（1010-12-12）。）。）。）。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第17页4.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器u电子计数器电子计数器电子计数器电子计数器内部时间、频率基准内部时间、频率基准内部时间、频率基准内部时间、频率基准采用采用采用采用石英晶体振石英晶体振石英晶体振石英晶体振荡器（简称荡器（简称荡器（简称荡器（简称“晶振晶振晶振晶振”）为基准信号源。为基准信号源。为基准信号源。为基准信号源。u基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率率率率易受温度影响易受温度影响易受温度影响易受温度影响（其频率（其频率（其频率（其频率-温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为1010-5-5。u采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）（恒定在拐点处的温度）（恒定在拐点处的温度）（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。可得到高稳定、高准确的频率输出。可得到高稳定、高准确的频率输出。可得到高稳定、高准确的频率输出。u下图为恒温晶振的组成。下图为恒温晶振的组成。下图为恒温晶振的组成。下图为恒温晶振的组成。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第18页1）组成）组成电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第19页2 2）指标）指标晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有:输出频率输出频率输出频率输出频率:1MHz:1MHz:1MHz:1MHz、2.5MHz2.5MHz2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz5MHz5MHz、10MHz10MHz10MHz10MHz。日波动日波动日波动日波动:210:210:210:210-10-10-10-10；日老化；日老化；日老化；日老化:110:110:110:110-10-10-10-10；秒稳；秒稳；秒稳；秒稳:510:510:510:510-12-12-12-12。输出波形输出波形输出波形输出波形:正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度:0.5Vrms(:0.5Vrms(:0.5Vrms(:0.5Vrms(负载负载负载负载50)50)50)50)。几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标 晶振类型晶振类型晶振类型晶振类型输出频率输出频率输出频率输出频率(MHz)(MHz)日稳定度日稳定度日稳定度日稳定度准确度准确度准确度准确度普通普通普通普通1 1，10101010-5-51010-6-61010-5-5温度补偿温度补偿温度补偿温度补偿1 1，5 5，10101010-6-61010-7-71010-6-6单恒温槽单恒温槽单恒温槽单恒温槽1 1，2.52.5，5 5，10101010-7-71010-9-91010-6-61010-8-8双恒温槽双恒温槽双恒温槽双恒温槽2.52.5，5 5，10101010-9-91010-11-11优于优于优于优于1010-8-8电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第20页4.3 时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理 1 1 1 1）直接法）直接法）直接法）直接法 2 2 2 2）比较法）比较法）比较法）比较法4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理 1 1 1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理 2 2 2 2）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第21页4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理 1 1 1 1）直接法）直接法）直接法）直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细分为又可细分为又可细分为又可细分为谐振法和电桥法谐振法和电桥法谐振法和电桥法谐振法和电桥法两种。两种。两种。两种。（1 1 1 1）谐振法：谐振法：谐振法：谐振法：调节可变电容器调节可变电容器调节可变电容器调节可变电容器C C使回路发生谐振使回路发生谐振使回路发生谐振使回路发生谐振，此时回，此时回，此时回，此时回路电流达到最大路电流达到最大路电流达到最大路电流达到最大(高频电压表指示高频电压表指示高频电压表指示高频电压表指示)，则，则，则，则 可测量可测量可测量可测量1500MHz1500MHz以下以下以下以下的频率，准确度的频率，准确度的频率，准确度的频率，准确度(0.25(0.25(0.25(0.251)%1)%1)%1)%。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第22页 (2 2）电桥电桥电桥电桥法：法：法：法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量行频率测量行频率测量行频率测量,通常采用如下图所示的通常采用如下图所示的通常采用如下图所示的通常采用如下图所示的文氏电桥文氏电桥文氏电桥文氏电桥来进行测量。来进行测量。来进行测量。来进行测量。调节调节调节调节R R1 1、R R2 2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第23页令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：和和和和于是，被测信号频率为：于是，被测信号频率为：于是，被测信号频率为：于是，被测信号频率为：通常取通常取通常取通常取R R1 1=R=R2 2=R,C=R,C1 1=C=C2 2=C=C，则，则，则，则测量准确度测量准确度测量准确度测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为(0.5(0.5(0.5(0.51)%1)%1)%1)%。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第24页2 2）比较法）比较法基本原理基本原理基本原理基本原理利用利用利用利用标准频率标准频率标准频率标准频率f f f fs s s s和被测量频率和被测量频率和被测量频率和被测量频率f f f fx x x x进行比较进行比较进行比较进行比较来测量频率。有来测量频率。有来测量频率。有来测量频率。有拍频法、外差法、示波法以及计数法拍频法、外差法、示波法以及计数法拍频法、外差法、示波法以及计数法拍频法、外差法、示波法以及计数法等。等。等。等。数学模型为：数学模型为：数学模型为：数学模型为：拍频法：拍频法：拍频法：拍频法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率叠加叠加叠加叠加，由指示器（耳，由指示器（耳，由指示器（耳，由指示器（耳机或电压表）指示。适于机或电压表）指示。适于机或电压表）指示。适于机或电压表）指示。适于音频测量音频测量音频测量音频测量（很少用）。（很少用）。（很少用）。（很少用）。外差法：外差法：外差法：外差法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率混频混频混频混频，取出差频并测，取出差频并测，取出差频并测，取出差频并测量。可测量范围达量。可测量范围达量。可测量范围达量。可测量范围达几十几十几十几十MHzMHzMHzMHz（外差式频率计）。（外差式频率计）。（外差式频率计）。（外差式频率计）。示波法：示波法：示波法：示波法：李沙育图形法李沙育图形法李沙育图形法李沙育图形法：将：将：将：将f f f fx x x x和和和和f f f fs s s s分别接到示波器分别接到示波器分别接到示波器分别接到示波器Y Y Y Y轴和轴和轴和轴和X X X X轴（轴（轴（轴（X-YX-YX-YX-Y图示方式），当图示方式），当图示方式），当图示方式），当f f f fx x x xf f f fs s s s时显示为斜线时显示为斜线时显示为斜线时显示为斜线（椭圆或园）；（椭圆或园）；（椭圆或园）；（椭圆或园）；测周期法测周期法测周期法测周期法：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由X X X X通通通通道道道道扫描速率扫描速率扫描速率扫描速率得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第25页4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理1 1 1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率频率频率频率是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量需确定一个需确定一个需确定一个需确定一个取样时间取样时间取样时间取样时间T T，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累加计数加计数加计数加计数(若若若若计数值为计数值为计数值为计数值为N N)，根据，根据，根据，根据f fx x=N/T=N/T得到频率值。得到频率值。得到频率值。得到频率值。为实现为实现为实现为实现时间时间时间时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过进行量化，通过进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。得到。得到。得到。测量原理测量原理测量原理测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个“闸门闸门闸门闸门”（主门）（主门）（主门）（主门）控制，并由一控制，并由一控制，并由一控制，并由一个个个个“门控门控门控门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。数停止）。数停止）。数停止）。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第26页4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理闸门可由闸门可由闸门可由闸门可由一个与（或一个与（或一个与（或一个与（或“或或或或”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种测量。这种测量。这种测量。这种测量方法称为方法称为方法称为方法称为门控计数法门控计数法门控计数法门控计数法。其原理如下图所示。其原理如下图所示。其原理如下图所示。其原理如下图所示。上图为由上图为由上图为由上图为由“与与与与”逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为11时闸门开启时闸门开启时闸门开启时闸门开启（允许计数），为（允许计数），为（允许计数），为（允许计数），为00时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。测频时，闸门开启时间（称为测频时，闸门开启时