电子测量-第5章-时频测量(新).ppt

5.1 频率与时间的原始基准频率与时间的原始基准5.1.1 时频关系时频关系指某事件发生的瞬间。如指某事件发生的瞬间。如t tl l时刻开始出现，在时刻开始出现，在t t2 2时刻消失；通常要与时刻消失；通常要与年月日时分秒年月日时分秒关联关联 。“时间时间”“时刻时刻”,“间隔间隔”,即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多久久.如图中，如图中，t t =t t2 2-t tl l是两时刻之间的是两时刻之间的“间隔间隔”,例如矩形脉冲持续的时间长度。例如矩形脉冲持续的时间长度。“周期周期”是指同一事件重复出现的时间，是指同一事件重复出现的时间，如如T。“频率频率”是单位时间（是单位时间（1秒）内周期性事秒）内周期性事 件重复的次数，单位是赫兹件重复的次数，单位是赫兹Hz。图图4.1 4.1 时频关系示意图时频关系示意图t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T电子表走时是否准确取决于电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器石英晶体作振荡器.设石英晶设石英晶 体振荡器日频率稳定度为体振荡器日频率稳定度为10-6则日误差：则日误差：频率标准频率标准 时间标准时间标准 32768Hz32768Hz（2 21515HzHz）液晶屏液晶屏分分频频计计数数译译码码2 215151 1秒秒60601 1分分60601 1小时小时2424日日图图4.2 4.2 电子表的组成原理电子表的组成原理振振荡荡驱驱动动5.1.2 时频基准时频基准时间的单位是秒。随着科学技术的发展，时间的单位是秒。随着科学技术的发展，“秒秒”的定义曾作过三的定义曾作过三次重大的修改：次重大的修改：1.世界时秒（世界时秒（UT）由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（世界时（UT）。定义地球自转周期的）。定义地球自转周期的 186400作为世界时的作为世界时的1s，零类世界时（零类世界时（UT0），），其准确度在其准确度在10-6量级。量级。校正后的世界时称为校正后的世界时称为第二类世界时（第二类世界时（UT2）,其准确度在其准确度在310-8量级。量级。历书时秒历书时秒(ET)是以地球绕太阳公转定义的时间，是以地球绕太阳公转定义的时间，作为时间单位提高到十亿分之一秒，即作为时间单位提高到十亿分之一秒，即110-9量级。量级。世界时秒是世界时秒是与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。地球地球太阳太阳从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。准。1967年年10月第月第13届国际计量大会正式通过了秒的定义：届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒秒”是是Cs133原子基态的两个超精细结构能级原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF=0和和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续之间跃迁频率相应的射线束持续9192631770个周期的时间个周期的时间”2.原子时秒（原子时秒（AT）F=4F=4mmF F=0=0F=3F=3mmF F=0=091926317709192631770个个 周周 期期=1 1秒秒跃跃迁迁频频率率很很高高很很稳稳定定为原子时秒为原子时秒(记作记作AT)。并自。并自1972年年1月月1日零时起，时间单位秒日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，其准确度可达其准确度可达510-14，是所有其它物理量标准远远不及的。，是所有其它物理量标准远远不及的。3.协调世界时秒（协调世界时秒（UTC）世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取代，各有各的用处。代，各有各的用处。原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了时刻时刻（年（年月日时分秒）和时间月日时分秒）和时间间隔间隔。协调世界时秒（协调世界时秒（UTC）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高45个数量级。现在各国标准时发播台所发送的就是世界协个数量级。现在各国标准时发播台所发送的就是世界协调时调时UTC，其准确度优于，其准确度优于210-11。我国的中国计量科学院、。我国的中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原子时（子时（TAI）200多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国时间标准由中央人民广播电台发布。时间标准由中央人民广播电台发布。7年来首次闰秒2005年底实施2005年7月4日，国际地球自转服务组织（IERS）发布C公报，协调世界时（UTC）将在2005年底实施一个正闰秒，即增加1秒。届时，所有的时钟将拨慢1秒。具体实施步骤如下：UTC协调世界时：23时59分59秒（2005年12月31日）23时59分60秒（2005年12月31日）00时00分00秒（2006年1月1日）相应地，北京时间：7时59分59秒（2006年1月1日）7时59分60秒（2006年1月1日）8时00分00秒（2006年1月1日）世界时是基于地球自转的一种时间计量系统，原子时是基于原子物理技术的一种更加均匀的时间系统。由于两种时间尺度速率上的差异，一般来说12年会差1秒。我们日常生活所用的时间是协调世界时（UTC），它是一种折衷的时间尺度，用原子时的速率，而在时刻上逼近世界时，所用方法就是“闰秒”，也就是协调世界时和世界时之差即将超过0.9秒时，就对协调世界时作一整秒的调整。由于地球自转变慢，而引起到2005年底协调世界时和世界时之差即将越限，因此，国际地球自转服务组织宣布此次闰秒。上一次闰秒发生在7年之前的1999年1月1日。国家授时中心在时间频率公报中提前数月向全国时间用户通知了这一消息。我们日常所用的北京时间既不是原子时（TAI），也不是世界时(UT1)，而是协调世界时(UTC)。相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要，但世界时时刻反映了地球在空间的位置，这也是需要的。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。协调世界时（UTC）尽量靠近世界时(UT1)的意思是：必要时对协调世界时作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的时刻之差保持在0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒（或跳秒），增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或负跳秒）。是否闰秒，由国际地球自转服务组织（英文缩写为IERS）决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分59秒后插入1秒，插入后的时序是：58秒，59秒，60秒，0秒，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：57秒，58秒，0秒，这一天是86399秒。最近的一次跳秒日是1999年1月1日。国家授时中心（陕西天文台）在1998年11月的时间频率公报中通知了这一消息，使BPM、BPL时号用户周知。国际地球自转服务组织（IERS）如通知跳秒，该通知至少要提前8周发出。Jobs关于时间的哲学Yourtimeislimited,sodontwasteitlivingsomeoneelseslife.Dontbetrappedbydogma-whichislivingwiththeresultsofotherpeoplesthinking.Dontletthenoiseofothersopinionsdrownoutyourowninnervoice.Andmostimportant,havethecouragetofollowyourheartandintuition.Theysomehowalreadyknowwhatyoutrulywanttobecome.Everythingelseissecondary.你的时间是有限的，不要浪费在重复别人的生活上。不要被教条束缚，那意味着会和别人思考的结果一块儿生活。不要被其他人的喧嚣观点掩盖自己内心真正的声音。你的直觉和内心知道你想要变成什么样子。所有其他东西都是次要的。5.1.3 频率测量方法频率测量方法频率测量方法频率测量方法模拟法模拟法计数法计数法频响法频响法比较法比较法电桥法电桥法谐振法谐振法拍频法拍频法差频法差频法示波法示波法李沙育图形法李沙育图形法测周期法测周期法电容充放电式电容充放电式电子计数式电子计数式1 11010-8-81 11010-13-13量级量级1 11010-2-2量级量级5.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率5.2.1.电子计数法测频原理电子计数法测频原理1.基本原理基本原理根据频率的定义，若某一信号在根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则次，则该信号的频率为：该信号的频率为：（5-1）门电路复习：门电路复习：与门与门A A1/01/0B B1 1/0 0c c1/01/0同理同理“或或”门、与非、或非门等也有类似功能。门、与非、或非门等也有类似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由图可见：由图可见：因此因此实现了测频实现了测频原理原理：“定时计数定时计数”实质实质：比较法比较法 图图5.25.2 测频的原理测频的原理与与门门A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重点掌握2组成框图组成框图 下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 时基电路时基电路计计 数数一一 输入电路输入电路 分分 频频 显示显示 晶晶 振振 门门 控控 主主门门控制电路控制电路 A AB BC CD DE E1)输入单元输入单元 由放大整形电路和主门电路组成。由放大整形电路和主门电路组成。被测输入周期信号（频率为被测输入周期信号（频率为fx，周期为周期为Tx）经放大、整形、微分）经放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脉冲，送主门的一的窄脉冲，送主门的一个输入端。个输入端。图图4.5 4.5 输入电路工作波形图输入电路工作波形图u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A输入输入(T T0 0或或F Fx x )放大放大整形整形微分微分2)时基（时基（T）电路）电路两个两个特点特点：(1)标准性标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常通常晶振晶振频率稳定度要求达频率稳定度要求达10-610-10。（。（恒温糟恒温糟）(2)多值性多值性 闸门时间闸门时间T不一定为不一定为1秒，应让用户根据测频精度和秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如速度的不同要求自由选择。例如（教材（教材p191,图图4-3）1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、1s、10s 等。等。门控（双稳）电路：门控（双稳）电路：TT3)计数显示电路计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。逻辑控制电路、译码器和显示器组成。4)控制电路控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照器的工作按照“复零一测量复零一测量显示显示”的的程序自动地进行，其工作流程如图程序自动地进行，其工作流程如图4.6所示。所示。准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，停止计数）（关门，停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）图图4.6 4.6 电子计数器的工作流程图电子计数器的工作流程图请注意：请注意：测频模式显示结果的有效数字末位的测频模式显示结果的有效数字末位的意义，意义，它它表示了频率测量的分辨力表示了频率测量的分辨力。例如：例如：闸门时间闸门时间Ts=1s，若计数值，若计数值N=10000，则显示的则显示的fx为为“10000”Hz，或，或“10.000”kHz。如闸门时间如闸门时间Ts=0.1s，则计数值，则计数值N=1000，则，则显示的显示的fx为为“10.00”kHz。5.2.2.测频模式误差分析测频模式误差分析由第二章误差传递公式（由第二章误差传递公式（2-28，教材，教材p46）可对式可对式求得求得 计数误差时基误差公式推导过程：公式推导过程：1.量化误差量化误差计数误差、计数误差、1误差误差在测频时，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既这样，既便在相同的主门开启时间便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。，计数器所计得的数却不一定相同。可能多可能多1个或少个或少1个的个的1误差，这是频率量化时带来的误差故误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲称量化误差，又称脉冲计数误差或计数误差或1误差误差。N N=1 1 N=N=f fx xT T图图4.7 4.7 量化误差量化误差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T(a a)(1)(1)(2)(2)黑门进8个脉冲红门进7个脉冲教材教材p1942.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测 频误差。闸门信号频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为（周期为Tc），则有），则有=110-7110-10石英晶体性能和切割方式石英晶体性能和切割方式-生产厂生产厂石英振荡器的输出石英振荡器的输出频率准确度决定频率准确度决定温度的影响温度的影响-单、双层恒温糟单、双层恒温糟振荡电路的质量振荡电路的质量-电路优化设计电路优化设计为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，振荡器的为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，振荡器的输输出频率稳定度出频率稳定度应比应比1误差误差引起的测频误差引起的测频误差低一个数量级低一个数量级5.2.3.结论结论1.计数器直接测频的误差计数器直接测频的误差主要有两项主要有两项即即1误差和标准频率误误差和标准频率误差一般总误差可采用分项差一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即误差绝对值合成，即（4-5）2.测量低频时，由于测量低频时，由于1误误差产生的测频误差大得惊人差产生的测频误差大得惊人例如，例如，fx=10Hz，T=1s，则由，则由1误差引起的测频误差可达误差引起的测频误差可达10，所以，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。测量低频时不宜采用直接测频方法。5.3 电子计数法测周电子计数法测周5.3.1.电子计数法测量周期的必要性电子计数法测量周期的必要性 如前所述，当被测频率如前所述，当被测频率fx较低时，利用计数器直较低时，利用计数器直接测频的接测频的1误差所引起的测频误差将会达到不可误差所引起的测频误差将会达到不可允许的程度。所以可以先测周期允许的程度。所以可以先测周期Tx，然后计算，然后计算fx=1/Tx。测量原理是以测量原理是以Tx（被测信号）作为门控信号对时（被测信号）作为门控信号对时标信号（晶振分频）进行计数，基本原理与测频标信号（晶振分频）进行计数，基本原理与测频模式正好相反，本质也是比较法。模式正好相反，本质也是比较法。因为因为fx越低，越低，Tx越大，计数器计得的数越大，计数器计得的数N越大，越大，1误差对测量结果的影响自然减小误差对测量结果的影响自然减小。5.3 电子计数法测周电子计数法测周5.3.2.电子计数法测量周期的原理电子计数法测量周期的原理（参见p158图5-3)t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Ts sT Ts sN NT Tx xT Tx x由右图可得由右图可得5.3.3.电子计数器测量周期的误差分析电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频率误差量化误差和基准频率误差与分析电子计数器测频时的误差类似，这里与分析电子计数器测频时的误差类似，这里，根据，根据误差传递公式可得误差传递公式可得根据图根据图5-3所示的测周原理，可得所示的测周原理，可得，而，而N=12.触发转换误差触发转换误差测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。下图给出了一测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。下图给出了一个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲Un，UB为施密特电路触为施密特电路触发电平。可见，施密特电路将提前在发电平。可见，施密特电路将提前在触发，于是形成的方触发，于是形成的方波周期为波周期为，即产生，即产生的误差，称的误差，称“转换误差转换误差”(或触发误差或触发误差)。u ux x=U UmmSinSinx xt t U UB BA A 1 1A A1 1A A 2 2T Tx xT Tx xT T x x T T1 1U Un n图图 转换误差的产生与计算转换误差的产生与计算a aU Un n T T1 1A A1 1A A 1 1 b b(b b)(a a)从图可得从图可得式中式中Un干扰或噪声幅度。干扰或噪声幅度。设被测信号为正弦波设被测信号为正弦波将上式代入，实际上将上式代入，实际上，得，得式中式中 Um信号振幅。信号振幅。同样，在正弦信号下一个上升沿上同样，在正弦信号下一个上升沿上(图中图中A2点附近点附近)也可能存在也可能存在于扰，即也可能产生于扰，即也可能产生触发误差触发误差由于干扰或噪声都是随机的，所以由于干扰或噪声都是随机的，所以和和都属于随机误差，都属于随机误差，我们可按我们可按来合成，于是可得来合成，于是可得（5-5b）多周期测量多周期测量进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和 1 1误差。误差。我们可以利用下图我们可以利用下图 多周期测量可减小转换误差多周期测量可减小转换误差 V VB BA A 2 2V V B B V VB BA A 9 9A A9 9A A 1010V V B BT Tx x1010T T x x T T1 1T T1 1x x无干扰无干扰A A 2 2T T2 2x x T T2 2T T1010 x x1010T Tx x T T2 2A A 1010T Tx x有干扰有干扰来说明，图中取周期倍增系数来说明，图中取周期倍增系数10为例，即测为例，即测10个周期。从图个周期。从图可见，两相邻周期由于转换误差所产生的可见，两相邻周期由于转换误差所产生的比如，第一个周期比如，第一个周期T1x终了，这样终了，这样10个周期引起的总误差与个周期引起的总误差与测测个周期产生的误差一样，经除个周期产生的误差一样，经除10，得一个周期的误差为，得一个周期的误差为是互相抵消的，是互相抵消的，可见减小了，可见减小了10倍。倍。此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到10n倍，这样，倍，这样，由由1误差所引起的测量误差也可减小误差所引起的测量误差也可减小倍。倍。图图4-7中的中的10Tx和和100Tx两曲线说明这个结果。两曲线说明这个结果。结论结论1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将上式中差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将上式中k换成换成 ）：）：（5-6b）2)采用多周期测量可提高测量准确度；采用多周期测量可提高测量准确度；3)提高标准频率，可以提高测周分辨力；提高标准频率，可以提高测周分辨力；4)测量过程中尽可能提高信噪比测量过程中尽可能提高信噪比VmVn。5.3.45.3.4 中界频率中界频率（补充内容）（补充内容）研究研究量化误差（量化误差（1误差）对测频和测周的影响误差）对测频和测周的影响。测频、测周量化误差相等的频率称为中界频率。测频、测周量化误差相等的频率称为中界频率。将（将（4-5）和（）和（4-7）式中）式中 量化误差表达式联立可得量化误差表达式联立可得 式中，式中，为中界频率，为中界频率，为标准频率，为标准频率，T为闸门时间。为闸门时间。令令则则因因故故图图4.14中给出了不同闸门时间：中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频和不同标准频率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以三种情况的交叉曲线。现以T=1s，=100MHz为例，可查知为例，可查知=10kHz。100MHz100MHz图图4.14 4.14 测频量化误差与测周量化误差测频量化误差与测周量化误差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MHz=100MHz测频的量化误差测频的量化误差测周的量化误差测周的量化误差f f100MHz100MHz因此，当因此，当宜测频；宜测频；当当，宜测周。，宜测周。5.4 时间间隔的测量（通用计数器的其他功能）时间间隔的测量（通用计数器的其他功能）1.基本原理基本原理输入输入C C10S10S时基分频器时基分频器+主主 门门触发器触发器触发器触发器起起 始始触发器触发器终终 止止触发器触发器门控门控电路电路十进制计数器十进制计数器1MHz1MHz石英石英振振 荡荡 器器触发沿选择触发沿选择+-输入输入B BS S1S1S10S10S（a a）触发电平、触发极性可调图图4.15 4.15 基本时间间隔测量模式基本时间间隔测量模式(b)(b)被计时标数被计时标数时标时标门控信号门控信号输入输入C C终止终止输入输入B B起始起始（a a）组成方框图）组成方框图 （b b）工作波形图）工作波形图2.相位测量相位测量相位差的测量，见图相位差的测量，见图4.16。则则对应的相位可以计得对应的相位可以计得图图4.16 4.16 相位差的测量相位差的测量t t T T360360 t t测相位要求两信号：同频 同幅3.3.脉冲时间参数测量脉冲时间参数测量图图4.17 4.17 脉冲宽度测量模式脉冲宽度测量模式 起始脉冲起始脉冲门控信号门控信号终至脉冲终至脉冲触发器输出触发器输出输入信号输入信号0.50.5t tr r0.10.10.90.9脉冲上升时间测量模式脉冲上升时间测量模式5.55.5 电子计数器性能的改进电子计数器性能的改进 电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差，尤其是电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差，尤其是量化误差量化误差；如何提高测时间的；如何提高测时间的分辨力分辨力；如何提高测频的频率范；如何提高测频的频率范围，以至可测量更高波段的频率。围，以至可测量更高波段的频率。1.采用触发窗可以避免较小噪声波动的误触发一、采用触发窗一、采用触发窗2.触发窗的选择应避开噪声和毛刺 二、二、减小计数误差的电路改进措施减小计数误差的电路改进措施在直接计数器中，为了提高测时分辨力和精度，就必须提高基在直接计数器中，为了提高测时分辨力和精度，就必须提高基准时钟频率，但是，钟频的提高意味着计数速度的提高，即使准时钟频率，但是，钟频的提高意味着计数速度的提高，即使采用采用1GHz1GHz钟频，测时分辨力也只能达到钟频，测时分辨力也只能达到1ns1ns。因此，必须用。因此，必须用其它方法来提高测时分辨力。其它方法来提高测时分辨力。1 1 内插法扩展法内插法扩展法用内插法测时间的原理，如图用内插法测时间的原理，如图5-155-15所示。为了测量时间间隔所示。为了测量时间间隔 计数器实际测量的是计数器实际测量的是 和和 等三个参数，其中等三个参数，其中 起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个钟脉冲之间的时间间隔；钟脉冲之间的时间间隔；起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔；起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔；一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。由图由图4.234.23可知，被测时间间隔可知，被测时间间隔 为为 时钟脉冲时钟脉冲输入信号输入信号起始起始终止终止 x x 0 0 1 1 2 2图图5-155-15 内插法原理内插法原理整形、门控整形、门控起始起始控制信号控制信号C C999999 1 1 1 1图图4.24 4.24 时间放大器原理时间放大器原理 1 1100010001 1起始起始充充放放例如，扩展器控制的开门时间为 的1000倍(k取999)，即：999 1000在T1时间内对时标 计数得N1，则类似地：999 1000在T2时间内对时标 计数得N2，则于是：内插后测量分辨力提高了1000倍。的测量与普通计数器相同，即累计该时间间隔内出现的测量与普通计数器相同，即累计该时间间隔内出现的钟脉冲数。两个的钟脉冲数。两个“零头零头”时间时间 和和 采用内插法来测量，采用内插法来测量，即先用两个内插器将即先用两个内插器将 和和 分别扩展分别扩展10001000倍，然后再在倍，然后再在扩展后的时间间隔内，对同一钟脉冲进行计数，故被测时间扩展后的时间间隔内，对同一钟脉冲进行计数，故被测时间间隔间隔 为为 （按权相加）（按权相加）（5-135-13）模拟内插模拟内插内插方法内插方法T-TT-T：时间放大器：时间放大器T-VT-V：时间电压转换器：时间电压转换器数字内插：游标法数字内插：游标法模拟内插：模拟内插：T-TT-T：时间放大器：时间放大器2.2.游标法计数器游标法计数器数字内插技术数字内插技术物理思想：机械游标卡尺数显游标卡尺游标法目的是减小计数误差。游标法目的是减小计数误差。在闸门开启后立即开启游标计数脉冲，其周期略大于主计数脉冲周期。两个脉冲之间间隔逐渐缩小，直至重合。三、倒数计数器(p178直接显示低频频率的电路)5.6 调制域分析调制域分析5.6.1 5.6.1 5.6.1 5.6.1 调制域测量调制域测量调制域测量调制域测量 1 1 1 1）调制域测量）调制域测量）调制域测量）调制域测量 2 2 2 2）调制域测量的意义）调制域测量的意义）调制域测量的意义）调制域测量的意义5.6.2 5.6.2 5.6.2 5.6.2 时频测量原理时频测量原理时频测量原理时频测量原理 1 1 1 1）瞬时频率测量原理）瞬时频率测量原理）瞬时频率测量原理）瞬时频率测量原理 2 2 2 2）无间隔计数器的实现）无间隔计数器的实现）无间隔计数器的实现）无间隔计数器的实现 3 3 3 3）调制域分析的应用）调制域分析的应用）调制域分析的应用）调制域分析的应用 4 4 4 4）发展动态）发展动态）发展动态）发展动态5.6.1 5.6.1 调制域测量调制域测量1 1 1 1）调制域测量）调制域测量）调制域测量）调制域测量时域与频域分析的局限性时域与频域分析的局限性时域与频域分析的局限性时域与频域分析的局限性一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时出现各频谱分量在何时出现各频谱分量在何时出现各频谱分量在何时出现。调制域概念调制域概念调制域概念调制域概念在通信等领域中，各种复杂的在通信等领域中，各种复杂的在通信等领域中，各种复杂的在通信等领域中，各种复杂的调制信号调制信号调制信号调制信号越来越多地被人们越来越多地被人们越来越多地被人们越来越多地被人们使用，因而，常常需要使用，因而，常常需要使用，因而，常常需要使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便了解信号频率随时间的变化，以便了解信号频率随时间的变化，以便了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析对调制信号等进行有效分析对调制信号等进行有效分析对调制信号等进行有效分析即即即即调制域分析调制域分析调制域分析调制域分析。调制域调制域调制域调制域即指由频率轴即指由频率轴即指由频率轴即指由频率轴(F)(F)(F)(F)和时间轴和时间轴和时间轴和时间轴(T)(T)(T)(T)共同构成的平面域共同构成的平面域共同构成的平面域共同构成的平面域。“调制域调制域”是八十年代末提出的新概念。是八十年代末提出的新概念。调制域为人们观测信号提供了一个新的窗口调制域为人们观测信号提供了一个新的窗口,一些在时域和频一些在时域和频域无法观察到的现象。域无法观察到的现象。图图4.43 4.43 一个频率跳变信号的三维波形一个频率跳变信号的三维波形F FV VT T调制域调制域频域频域时域时域5.6.1 5.6.1 调制域测量调制域测量2 2 2 2）调制域测量的意义）调制域测量的意义）调制域测量的意义）调制域测量的意义 调调调调制制制制域域域域描描描描绘绘绘绘出出出出了了了了频频频频率率率率、时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔或或或或相相相相位位位位等等等等随随随随时时时时间间间间的的的的变变变变化化化化曲曲曲曲线。线。线。线。方方方方便便便便地地地地表表表表达达达达出出出出频频频频域域域域和和和和时时时时域域域域中中中中难难难难以以以以描描描描述述述述的的的的信信信信号号号号参参参参数数数数和和和和信信信信号号号号特特特特性性性性。为为为为人人人人们们们们对对对对复复复复杂杂杂杂信信信信号号号号的的的的测测测测试试试试和和和和分分分分析析析析提提提提供供供供了了了了方方方方便便便便直直直直观观观观的的的的方方方方法法法法，解解解解决决决决了了了了一一一一些些些些难难难难以以以以用用用用传传传传统统统统方方方方法法法法或或或或不不不不可可可可能能能能用用用用传传传传统统统统方方方方法法法法解解解解决决决决的难题。的难题。的难题。的难题。5.6.2 5.6.2 时频测量原理时频测量原理u1 1 1 1）调制域分析仪工作原理（瞬时测频）调制域分析仪工作原理（瞬时测频）调制域分析仪工作原理（瞬时测频）调制域分析仪工作原理（瞬时测频）注意：实际采样点只是近似于预置值注意：实际采样点只是近似于预置值注意：实际采样点只是近似于预置值注意：实际采样点只是近似于预置值2 2）无间隙计数器（零死区时间）的实现）无间隙计数器（零死区时间）的实现）无间隙计数器（零死区时间）的实现）无间隙计数器（零死区时间）的实现调制域分析主要是研究频率随时间变化情况,因此其关键的技术是要实现动态连续动态连续地测量频率。而通用电子计数器：准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，（关门，停止计数）停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）图图4.6 4.6 电子计数器的工作流程电子计数器的工作流程“死死区区”时时间间,不不能能连连续续不不断地进行测频断地进行测频5.6.2 5.6.2 时频测量原理时频测量原理2 2 2 2）无间隙计数器（零死区时间）的实现）无间隙计数器（零死区时间）的实现）无间隙计数器（零死区时间）的实现）无间隙计数器（零死区时间）的实现无间隙计数器无间隙计数器无间隙计数器无间隙计数器通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用无间无间无间无间隙计数器方案隙计数器方案隙计数器方案隙计数器方案。实现原理实现原理实现原理实现原理使用两组计数器使用两组计数器使用两组计数器使用两组计数器交替工作交替工作交替工作交替工作，每一组都包括，每一组都包括，每一组都包括，每一组都包括时间计数器时间计数器时间计数器时间计数器（对时（对时（对时（对时标标标标T T T T0 0 0 0）和）和）和）和事件计数器事件计数器事件计数器事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计数。当一组计数器工作时，另一组计数。当一组计数器工作时，另一组计数。当一组计数器工作时，另一组计数器进行数据的显示等工作。器进行数据的显示等工作。器进行数据的显示等工作。器进行数据的显示等工作。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。5.6.2 5.6.2 时频测量原理时频测量原理u零死区计数器工作原理波形图零死区计数器工作原理波形图零死区计数器工作原理波形图零死区计数器工作原理波形图5.6.2 5.6.2 时频测量原理时频测量原理3 3 3 3）调制域分析的应用）调制域分析的应用）调制域分析的应用）调制域分析的应用（1 1）分析调频信号：）分析调频信号：）分析调频信号：）分析调频信号：频率调制是通信系统所用的很多调制电频率调制是通信系统所用的很多调制电频率调制是通信系统所用的很多调制电频率调制是通信系统所用的很多调制电路的基础。通过调制域分析，可立即显示调制波形，提供路的基础。通过调制域分析，可立即显示调制波形，提供路的基础。通过调制域分析，可立即显示调制波形，提供路的基础。通过调制域分析，可立即显示调制波形，提供载波频率、峰载波频率、峰载波频率、峰载波频率、峰-峰值频偏、调制率等关键参