测感技术2.ppt

第1页2.1 2.1 时间和频率的测量时间和频率的测量2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 时间时间、频频率的基本概念率的基本概念率的基本概念率的基本概念 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：“时刻时刻”、“时间间隔时间间隔”频率的定义：周期信号在单位时间（频率的定义：周期信号在单位时间（1s1s）内的变化次数（周期数）。如果）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔在一定时间间隔T T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N N次次，则频率可表达为：，则频率可表达为：f f f fN/T N/T N/T N/T 时间与频率的关系：可以互相转换。时间与频率的关系：可以互相转换。时间与频率的关系：可以互相转换。时间与频率的关系：可以互相转换。1.1.1.1.时间频率基准：时间频率基准：时间频率基准：时间频率基准：1）、世界时（Universal Time）“秒是按1900年起始时的地球公转平均角速度计算出的一个回归年的31 556 9259747分之一”，称为历书秒 其精确度可以达到。2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 时间时间、频频率的基本概念率的基本概念率的基本概念率的基本概念 1.1.时间频率基准时间频率基准时间频率基准时间频率基准 2）原子时（Atomic Time）原子时是以原子秒为基础构成的时间标准，称为原子时。1967年10月第十三届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒是铯133（）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间”。其精确度可以达到。3）协调世界时UTC（Coordinated Universal Time）是一种采用国际原子时TAI的速率（即以原子秒定义为秒长），但通过闰秒方法使其时刻与世界时UT接近的时间尺度。协调世界时是一种原子时和世界时折中产物 5 5 5 510101010-14-14-14-14(相当于相当于相当于相当于62626262万年万年万年万年1 1 1 1秒秒秒秒)2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 时间时间、频频率的基本概念率的基本概念率的基本概念率的基本概念 2.2.时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法 电子计数式测量是本章主要介绍的测量方法电子计数式测量是本章主要介绍的测量方法 第4页石英晶体振石英晶体振石英晶体振石英晶体振荡荡器器器器 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荡器（简称石英晶体振荡器（简称石英晶体振荡器（简称石英晶体振荡器（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。普通晶体频率准确度为普通晶体频率准确度为普通晶体频率准确度为普通晶体频率准确度为1010-5-5。作为标准，需要更高稳定、高准确的频率输出。作为标准，需要更高稳定、高准确的频率输出。作为标准，需要更高稳定、高准确的频率输出。作为标准，需要更高稳定、高准确的频率输出。要要要要 采用温度补采用温度补采用温度补采用温度补偿或恒温措施偿或恒温措施偿或恒温措施偿或恒温措施 2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 时间时间、频频率的基本概念率的基本概念率的基本概念率的基本概念 2.2.时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法时间和频率的测量方法 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 5，10101010-6-61010-7-7 1010-6-6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第5页门门控控控控计计数法数法数法数法测测量原理量原理量原理量原理 将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信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），由一个号），由一个号），由一个号），由一个“闸门闸门闸门闸门”（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个“门控门控门控门控”信号控制闸门信号控制闸门信号控制闸门信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。这种测量方法称为门控计数这种测量方法称为门控计数这种测量方法称为门控计数这种测量方法称为门控计数法法法法 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。上图为由上图为由上图为由上图为由“与与与与”逻辑逻辑逻辑逻辑门作为闸门，其门控信号为门作为闸门，其门控信号为门作为闸门，其门控信号为门作为闸门，其门控信号为 11时闸门开启（允许计数），为时闸门开启（允许计数），为时闸门开启（允许计数），为时闸门开启（允许计数），为 00时时时时闸门关闭（停止计数）。闸门关闭（停止计数）。闸门关闭（停止计数）。闸门关闭（停止计数）。（1 1）测频时测频时测频时测频时，闸门开启时间，闸门开启时间，闸门开启时间，闸门开启时间 （称为（称为（称为（称为“闸门时间闸门时间闸门时间闸门时间”）即为）即为）即为）即为 采样时间。频率为：采样时间。频率为：采样时间。频率为：采样时间。频率为：f=N/Tf=N/TB B N N为闸门时间为闸门时间为闸门时间为闸门时间T TB B内的内的内的内的 脉冲数。脉冲数。脉冲数。脉冲数。（2 2）测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间被测时间被测时间被测时间。T TB B N/fN/f，N N为为为为被测时间被测时间被测时间被测时间内对频率为内对频率为内对频率为内对频率为f f信号的计数个数信号的计数个数信号的计数个数信号的计数个数2.1 2.1 时间和频率的测量时间和频率的测量2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 时间时间和和和和频频率率率率测测量的基本原理量的基本原理量的基本原理量的基本原理2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 时间时间和和和和频频率率率率测测量的基本原理量的基本原理量的基本原理量的基本原理1.1.1.1.频率的测量频率的测量频率的测量频率的测量1）测量原理）测量原理 输入频率信号经整形后作为计数器的输入信号，石英晶体振荡器的输出信号 ，经分频和整形之后作为时基信号加到闸门上，控制闸门的开启与关闭,闸门时间T T 为Ts:Ts=K TC2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 时间时间和和和和频频率率率率测测量的基本原理量的基本原理量的基本原理量的基本原理1.1.1.1.频率的测量频率的测量频率的测量频率的测量2）误差分析）误差分析量化误差量化误差标准频率误差标准频率误差 有个笔误，在哪里？闸门时间闸门时间越长时，或被测频率越高越长时，或被测频率越高的误差就越小，测频误差也就越小。的误差就越小，测频误差也就越小。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 时间时间和和和和频频率率率率测测量的基本原理量的基本原理量的基本原理量的基本原理2.2.2.2.周期的测量周期的测量周期的测量周期的测量1）测量原理）测量原理2）误差分析）误差分析K为倍频倍数为倍频倍数 一方面决定于振荡频率的精度，另一方面决定于一方面决定于振荡频率的精度，另一方面决定于 个字误差，增大个字误差，增大 或采用多周期测量，可以减小周期测量误差或采用多周期测量，可以减小周期测量误差 多周期测周多周期测周多周期测周多周期测周 基本测周模式下，闸门时间由单个周期确定。在干扰信号下，被测基本测周模式下，闸门时间由单个周期确定。在干扰信号下，被测基本测周模式下，闸门时间由单个周期确定。在干扰信号下，被测基本测周模式下，闸门时间由单个周期确定。在干扰信号下，被测信号周期的触发前后存在触发误差由多个周期构成闸门时间，使相邻周信号周期的触发前后存在触发误差由多个周期构成闸门时间，使相邻周信号周期的触发前后存在触发误差由多个周期构成闸门时间，使相邻周信号周期的触发前后存在触发误差由多个周期构成闸门时间，使相邻周期的触发误差相互抵消。如下图。期的触发误差相互抵消。如下图。期的触发误差相互抵消。如下图。期的触发误差相互抵消。如下图。例如：由例如：由例如：由例如：由1010个周期构成闸门时间测量，触发误差降为个周期构成闸门时间测量，触发误差降为个周期构成闸门时间测量，触发误差降为个周期构成闸门时间测量，触发误差降为1/101/10。同时，同时，同时，同时，由于计数值也增大了由于计数值也增大了由于计数值也增大了由于计数值也增大了1010倍，则倍，则倍，则倍，则 1 1误差也减小为误差也减小为误差也减小为误差也减小为1/101/10。10TxT1T2 10TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A102.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 时间时间和和和和频频率率率率测测量的基本原理量的基本原理量的基本原理量的基本原理3 3 3 3时间间隔的测量时间间隔的测量时间间隔的测量时间间隔的测量问：门控电路由什么组成问：门控电路由什么组成举例：超声波测距举例：超声波测距2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 电子计数式频率计举例电子计数式频率计举例电子计数式频率计举例电子计数式频率计举例1.1.1.1.电子计数式频率计的组成电子计数式频率计的组成电子计数式频率计的组成电子计数式频率计的组成1）输入单元（）输入单元（A通道）通道）将被测的正弦信号通过放大、整形，转换成计数器可以计数的波形 2）时基信号产生与变换单元）时基信号产生与变换单元3）逻辑控制单元）逻辑控制单元 包括准备、计数、显示和复零等几步。控制单元由门电路和触发器等逻辑等组成。第12页数字显示器寄存器十进制 计数器 A通道(放大、整形)B通 道(放大、整形)主 门功能开关闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时标选择12345332112445时基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制时序电路 开门锁存复位 控制时序电路波形2.1.4 2.1.4 2.1.4 2.1.4 电子计数器举例（了解内容）电子计数器举例（了解内容）电子计数器举例（了解内容）电子计数器举例（了解内容）1.1.1.1.电子计数器的组成电子计数器的组成电子计数器的组成电子计数器的组成1 1 1 1）A A A A、B B B B输输入通道；入通道；入通道；入通道；2 2 2 2）主）主）主）主门电门电路；路；路；路；3 3 3 3）计计数与数与数与数与显显示示示示电电路；路；路；路；4 4 4 4）时时基基基基产产生生生生电电路；路；路；路；5 5 5 5）控制）控制）控制）控制电电路路路路第13页2.1.4 2.1.4 2.1.4 2.1.4 电子计数器举例（了解内容）电子计数器举例（了解内容）电子计数器举例（了解内容）电子计数器举例（了解内容）2.2.2.2.电子计数器的功能电子计数器的功能电子计数器的功能电子计数器的功能1 1 1 1）频率测量）频率测量）频率测量）频率测量 ；2 2 2 2）频率比测量）频率比测量）频率比测量）频率比测量 ；3 3 3 3）周期测量）周期测量）周期测量）周期测量 4 4 4 4）时间间隔测量）时间间隔测量）时间间隔测量）时间间隔测量 ；5 5 5 5）自检）自检）自检）自检 序号 计数端信号 控制端信号 测试功能 计数结果 1 内时钟（T0）内时钟（T）自检 N=T/T0 2 被测信号（fx）内时钟（T）测量频率（A）fxN/T 3 内时钟（T0）被测周期（Tx）测量周期（B）TxNT0 4 被测信号（fA）被测信号（fB）测量频率比（A/B）fA/fB=N 5 内时钟（T0）被测信号相应间隔tB-C 测量时间间隔（A-B）tB-C=NT0 6 外输入（TA）被测信号相应间隔tB-C 测量外控时间间隔B-C tB-C=NTA 7 外待测信号（Nx）手控或遥控 累加计数（A）NxN 8 内时钟（秒信号）手控或遥控 计时 N（秒）