时间与频率的测量.pptx

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1、时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念时间有两个含义：“时刻”：某个事件发生的瞬间；“时间间隔”：某个时刻相对于另一开始时刻持续了多久。频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：fN/T时间与频率的关系：二者可以互相转换。一般测量频率。第1页/共42页差频法差频法拍频法拍频法示波法示波法电桥法电桥法谐振法谐振法比较法比较法直读法直读法李沙育图形法李沙育图形法测周期法测周期法模拟法模拟法频率测量方法分类频率测量方法分类数字法数字法电容充放电法电容充放电法电子计数器法电子计数器法第2页/共42页电子计数器概述电子计

2、数器概述按功能可以分为如下四类：（1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。（2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。（3）时间计数器：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。（4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。最早的电子计数器通过对单位时间内被测信号的周期个数进行计数来实现频率测量。现在的电子计数器早已突破单一计数的简单功能，成为一机多能的仪器。第3页/共42页4.2 4.2 时间与频率标准时间与频率标准时间与频率的测量是基于时间与频率标准的。时间与频率的测量是基于时间与频率标准

3、的。时间与频率的原始基准有时间与频率的原始基准有2 2种：天文时标和原子时标种：天文时标和原子时标1 1、天文时标、天文时标 根据天文观测确定时间与频率标准。根据天文观测确定时间与频率标准。世界时（世界时（UT,Universal TimeUT,Universal Time）:以以地球自转周期地球自转周期(1(1天天)确定的时间，即确定的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为为1 1秒。其误差约为秒。其误差约为10107 7量级。量级。历书时（历书时（ETET）：）：以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（，即公转周期（1 1年）的

4、年）的31 31 556 925.9747556 925.9747分之一为分之一为1 1秒。参考点为秒。参考点为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时（国际天文学会定时（国际天文学会定义）。准确度达义）。准确度达1101109 9 。于。于19601960年第年第1111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒”的标的标准。准。第4页/共42页石英晶体振荡器原理：晶振基于压电效应产生稳定的频率输出。普通晶体频率准确度为10-5。用途：电子计数器内部的时间、频率基准一般都采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。缺点：晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点

5、处最平坦），可采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）来得到高稳定、高准确度的频率输出。原子时标是国际计量的原始标准，工作基准一般用和原子时标是国际计量的原始标准，工作基准一般用和一级标准相校准的晶体振荡器来担任。石英晶体振荡器就是一级标准相校准的晶体振荡器来担任。石英晶体振荡器就是常用的时间、频率的工作基准。常用的时间、频率的工作基准。第5页/共42页恒温晶振的组成恒温晶振的组成第6页/共42页模拟测量原理(直接法和比较法)（I）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，其又可细分为谐振法和电桥法两种。（1）谐振法：将待测信号输入谐振回路，利用谐振回路的特点，调节可变电容器

6、C使回路发生谐振，此时回路电流达到最大，则4.3 4.3 时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理可测量可测量1500MHz1500MHz以下以下的频率，的频率，准确度准确度(0.25(0.251)%1)%。第7页/共42页(2）电桥法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量。通常采用如下图所示的文氏电桥来进行测量。调节R1、R2使电桥达到平衡，则有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、判断电桥平衡的准确程度和被测信号的受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度和被测信号的受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度和被测信号的受桥路中各元件的精确度

7、、判断电桥平衡的准确程度和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为(0.5(0.5(0.5(0.51)%1)%1)%1)%。第8页/共42页（II II）比较法）比较法基本原理：利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率。有拍频法、外差法、示波法等。（P154）拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频范围内的测量（很少用）。外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。示波法：李沙育图形法：将fx和

8、fs分别接到示波器Y轴和X轴（X-Y图示方式），当fxfs时显示为斜线（椭圆或圆）；测周期法：直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周期，进而得到频率。第9页/共42页数字测量原理数字测量原理1、门控计数法测量原理时间、频率量的特点 频率是单位时间内的周期个数，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N)，根据fx=N/T得到频率值。时间是两个时刻之间的长度，为实现数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数得到被测时间。测量原理 将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信

9、号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止），通过计数器计数得测量结果。第10页/共42页 图中，“与”逻辑门作为闸门，其门控信号为1时闸门开启（允许计数），为0时闸门关闭（停止计数）。若A路为被测信号，闸门开启时间（称为“闸门时间”）即为采样时间，此时称为测频。若B路为被测信号，闸门开启时间即为被测时间，此时称为测时间间隔（测周）。门控计数法示意图门控计数法示意图第11页/共42页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1）整形、放大电路用来实现脉冲变换；）整形、放大电路用来实

10、现脉冲变换；2）门控电路的控制脉冲周期远大于另一路信号的周期；）门控电路的控制脉冲周期远大于另一路信号的周期；3）采用测频法时，）采用测频法时，fA是被测信号，是被测信号，fB是机内时基信号；是机内时基信号；采用测周法时，采用测周法时，fB是被测信号，是被测信号，fA是机内时基信号。是机内时基信号。第12页/共42页电子计数器的组成框图电子计数器的组成框图电子计数器的组成框图电子计数器的组成框图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

11、)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4.4 4.4 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1MHz第14页/共42页电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能1）频率测量 原理：计数器严格按照 的定义实现频率测量。其中，T为采样时间，N为T内的周期数。采样时间T预先由闸门时间Ts确定（对应时基频率为fs）。则 例如：闸门时间Ts=1s，若计数值N=10000，则显示的fx为10000Hz。通常电子计数器的闸门时间有5档：1ms、10ms、0.1s、

12、1s和10s。第15页/共42页测量速度与分辨力的矛盾：闸门时间Ts为频率测量的采样时间，Ts愈大，则测量时间愈长，计数值N愈大，分辨力愈高，但测量速度越慢。TB放 大、整形闸门门控电路计数显示Afx分频电路时基Ts原理框图工作波形图第16页/共42页2）频率比的测量测量两个信号的频率之比原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：fx对fs的频率比。据此，若要测量fA对fB的频率比（假设fAfB），只要用fB的周期TB作为闸门，在TB时间内对fA作周期计数即可。测量方法：第17页/共42页注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输入。提高频率比测量精度的方法：扩展B

13、通道信号的周期个数。例如：以B通道信号的10个周期作为闸门信号，则计数值为：,即计数值扩大了10倍，相应的测量精度也就提高了10倍。为得到真实结果，需将计数值N缩小10倍（小数点左移1位），即应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。第18页/共42页3）周期的测量 测量原理：“时标计数法”周期测量。对被测周期Tx，用已知的较小单位时间刻度T0（“时标”）去量化，由Tx所包含的“时标”数N得到Tx。即Tx=N T0 实现方法：由Tx得到闸门；在Tx内计数器对时标计数。Tx由B通道输入，内部时标信号由A通道输入。第19页/共42页例如：时标T0=1us，若计数值N=10000，则显示的Tx为100

14、00us。原理框图：原理框图：测量速度与分辨力：测量速度与分辨力：测量速度与分辨力：测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期T Tx x，T Tx x愈大愈大愈大愈大(频率愈低频率愈低频率愈低频率愈低)则测则测则测则测量时间愈长；计数值量时间愈长；计数值量时间愈长；计数值量时间愈长；计数值N N与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。第20页/共42页4）时间间隔的测量 时间间隔：指两个时刻点之间的时间段长度。在测量技术中，两个时刻点

15、通常由两个事件确定。如，一个周期信号的两个同相位点所确定的时间间隔即为周期。两个事件的例子及测量参数还有：a)同一信号波形上两个不同点之间脉冲信号参数；b)两个信号波形上，两点之间相位差的测量；c)手动触发定时、累加计数。测量方法：由两个事件触发得到起始信号和终止信号，经过门控双稳态电路得到“门控信号”，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍采用“时标计数”方法测量（即所测时间间隔由“时标”量化）。第21页/共42页原理框图原理框图原理框图原理框图 时间间隔的起始、终止信号分别由时间间隔的起始、终止信号分别由B B、C C通道输入。通道输入。时标由机内提供。时标由机内提供。第22页/共4

16、2页时序关系时序关系时序关系时序关系第23页/共42页相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。测量原理如图：测量原理如图：两个信号分别由两个信号分别由B B、C C通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，得到触发极性作两次测量，得到t1t1、t2t2再取平再取平均，则均，则第24页/共42页5）自检（自校）功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常，即是否能正确计数。实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基T

17、s（闸门信号）对时标T0计数，则计数结果应为：放 大、整形晶振放 大、整形闸门计数器显示门控电路分频电路T0Ts例如：例如：若选择若选择T Ts s=10ms,T=10ms,T0 0=1us,=1us,则自检显则自检显示应稳定在示应稳定在N=10000N=10000。自检自检不能检测内部基准源不能检测内部基准源。自检的方框图：自检的方框图：第25页/共42页测量误差的来源1）量化误差什么是量化误差：由前述频率测量fx=N/Ts=Nfs和周期测量Tx=NT0，可见，由于计数值N为整数，fx和Tx必然产生“截断误差”，该误差即为“量化误差”。也称为“1误差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。产生原

18、因：量化误差并非由于计数值N的不准确（也并非标准频率源fs或时标T0的不准确）造成。而是由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。4.5 4.5 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差第26页/共42页如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。频率测量时的量化误差量化误差的影量化误差的影量

19、化误差的影量化误差的影响相当于计数响相当于计数响相当于计数响相当于计数值值值值N N N N的的的的“1111”个字。个字。个字。个字。测量结果：8Hz测量结果：9Hz测量结果：7Hz第27页/共42页2）触发误差 输入信号都需经过通道电路放大、整形等预处理后得到脉冲信号，即输入信号(转换为)脉冲信号。这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，若输入被测信号叠加有干扰信号，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为“触发误差”，也称为“转换误差”。3 3 3 3）标准频率误差）标准频率误差）标准频率误差）标准频率误差 机内时基（闸门时间）和时标

20、是频率和时间间隔测量的参考基机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。此，

21、其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。通常，通常，通常，通常，要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。因此，内部。因此，内部。因此，内部。因此，内部晶振要求较高稳定性。晶振要求较高稳定性。晶振要求较高稳定性。晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，还可外接更高准确度若不能满足测量要求，还可外接更高准确度若不能满足测量要求，还可外接更高准确度若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的外部基准源。的外部基准源。的外部基准源。的外部基准源。电子计数器的测量误差主要决

22、定于电子计数器的测量误差主要决定于量化误差量化误差和和标准频率误差标准频率误差第28页/共42页频率测量的误差分析频率测量的误差分析1）误差表达式 由频率测量表达式：fx=N/Ts=Nfs可知计数器直接测频的误差主要由两项组成：即量化误差（1误差）和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，即:式中，即为1误差，其最大值为 ,而 又由于fs由晶振(fc)分频得到，设fs=fc/k，则 于是，频率测量的误差表达式可写成：第29页/共42页误差曲线误差曲线误差曲线误差曲线曲线说明：曲线说明：曲线说明：曲线说明：误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率误差曲线直

23、观地表示了测频误差与被测频率误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率fxfx和闸门时间和闸门时间和闸门时间和闸门时间TsTs的关系。的关系。的关系。的关系。fxfx愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，并且，测频误差以标准频率愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，并且，测频误差以标准频率愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，并且，测频误差以标准频率愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，并且，测频误差以标准频率误差为极限。误差为极限。误差为极限。误差为极限。第30页/共42页2）量化误差（1误差）的影响频率测量的误差表达式中，量化误差 是频率测量的主要误差，标准频率误差一般可忽略。为减小量

24、化误差，需增大计数值N：增大闸门时间Ts或在相同的闸门时间内测量较高的频率可得到较大的N。但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值的增加不应超过计数器的计数容量，否则将产生溢出。例如：一个6位的计数器，最大显示为999999，当用Ts=1s的闸门测量fx=1MHz时,应显示1000000Hz，显然溢出。第31页/共42页3）实例分析 例 被测频率fx1MHz，选择闸门时间Ts1s，则由1误差产生的测频误差(不考虑标准频率误差)为：若Ts增加为10s，则计数值增加10倍，相应的测频误差也降低10倍，为1107，但测量时间将延长10倍。注意：该例中，当选择闸门时间Ts1s时，要求标准频率误

25、差优于1107（即比量化误差高一个数量级），否则，标准频率误差在总测量误差中不能忽略。第32页/共42页周期测量的误差分析周期测量的误差分析1）误差表达式 由测周的基本表达式：根据误差合成公式，可得：式中，为量化误差，为时标周期误差。由 (Tc为晶振周期，k为分频系数)，有：而计数值N为：所以，测周误差为：第33页/共42页2）量化误差的影响在测周的误差表达式中：第一项为量化误差。Tx愈大（即被测信号的频率愈低），则计入的时标周期数N愈大，则量化误差愈小，故可以通过周期倍乘的方法大幅降低误差。另外，晶振频率fc越高，或晶振的分频系数k愈小，则时标周期愈小，在相同的Tx内计数值愈大，误差也越小。

26、第二项为标准频率误差，通常也要求小于测量误差的一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。为减小量化误差，应增加计数值N，但也需注意不可使其溢出。例如：一个6位的计数器，最大显示为999999,当用T0=1us的时标测量Tx=1s(fx=1Hz)时,应显示“10000000”us，显然溢出。第34页/共42页3）中界频率测频时，被测频率fx愈低，则量化误差愈大；测周时，被测频率fx愈高，则量化误差愈大。可见，在测频与测周之间，存在一个中界频率fm，当fxfm时，应采用测频；当fxfm时，应采用测周方案。中界频率fm的确定 解出：或例：若Ts=1s,T0=1us，则中界频率fm=1kHz，即在该频

27、率上测频与测周的量化误差相等。可以根据中界频率合理选择测频法或测周法=第35页/共42页4）触发误差 测周时，被测信号通过触发器转换为门控信号，其触发电平的波动以及噪声等均会对测量精度产生影响。VT+VT-闸门图中，干扰导致提前触图中，干扰导致提前触发，使测量结果偏大。发，使测量结果偏大。测周时为减小触发误差，测周时为减小触发误差，应提高信噪比。应提高信噪比。第36页/共42页多周期同步测量技术多周期同步测量技术4.6 4.6 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，被测信号周期的触发前后存在触发误差。为降低触发误差对单

28、个周期测量的影响，利用触发误差的随机性，可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。例如：由10个周期构成闸门时间测量，触发误差降为1/10。同时，由于计数值也增大了10倍，则1误差也减小为1/10。电子计数器面板上的“周期倍乘”可选择周期数，通常有：1、10、100、1000等多档选择。第37页/共42页4.7 4.7 微波频率测量技术微波频率测量技术 通用电子计数器受内部计数器等电路的工作速度的限制，对输入信号直接计数存在最高计数频率的限制。中速计数器采用“预定标器”（由ECL电路构成的分频器），将输入信号进行分频后，再由计数器计数。对于几十GHz的微波计数器，主要采用变频法和

29、置换法将输入微波频率信号变换成可直接计数的中频。第38页/共42页 电子计数器主机内送出的标准频率fs，经过谐波发生器产生高次谐波，再由谐波滤波器选出所需的谐波分量Nfs，它与被测信号fx混频出差频fI。若由电子计数器测出fI，则被测频率为：混频器混频器差频放大器差频放大器电子计数器电子计数器谐波滤波器谐波滤波器谐波发生器谐波发生器输入输入f fx xf fI If fs s变频法变频法变频法变频法 变频法（又叫外差法）是将被测微波信号经差频变换成频率较低的中频信号，变频法（又叫外差法）是将被测微波信号经差频变换成频率较低的中频信号，再由电子计数器计数。再由电子计数器计数。NfNfNfNfs

30、s s s第39页/共42页置换法 利用一个频率较低的置换振荡器的N次谐波，与被测微波频率fx进行分频式锁相，从而把fx转换到较低的频率fL（通常为100MHz以下），再对fL计数。当环路锁定时，有：式中，fs为已知的标准频率，N是谐波次数，计数器直接对fL计数，便可得到被测频率。混频器压控振荡器电子计数器鉴相器fx-NfLfsfLNfLfx第40页/共42页小 结1 1、理解时间的概念；、理解时间的概念；2 2、了解时间与频率的标准；、了解时间与频率的标准；3 3、掌握频率与时间的测量原理；、掌握频率与时间的测量原理；4 4、掌握电子计数器的组成原理和测量功能；、掌握电子计数器的组成原理和测量功能；5 5、掌握测频、测周的组成原理和测量误差的计算方法；、掌握测频、测周的组成原理和测量误差的计算方法；6 6、了解其它的频率与时间测量技术。、了解其它的频率与时间测量技术。第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页