电子测量技术（西电版）第3章频率时间测量.ppt

第3章 频率时间测量,3.1 概述 3.2 电子计数法测量频率 3.3 电子计数法测量周期 3.4 电子计数法测量时间间隔 3.5 减小计数器±1误差的方法 3.6 模拟法测频 思考与练习,随着电子、 通信技术的发展与普及， “频率”已成为广大群众所熟悉的物理量 调节收音机上的频率刻度盘可选听你所喜欢的电台节目； 调节电视机上的频道按键， 可选择相应频率的电视台节目， 这些已成为人们的生活常识  人们的日常生活、 工作中更离不开计时 学校何时上、 下课？ 工厂几时上、 下班？ 火车几点到站？ 班机何时起飞？ 出差的亲人几日能归来？ 等等这些问题都涉及到计时 ,频率、 时间的应用， 在当代高科技中显得尤为重要， 频率与许多电参量的测量方案、 测量结果都有十分密切的关系 例如， 邮电通讯， 大地测量， 地震预报， 以及人造卫星、 宇宙飞船、 航天飞机的导航定位和控制等都与频率、 时间密切相关， 只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求高得多罢了本章先介绍频率、 时间的基本概念、 测量方法， 然后重点讨论频率、 时间测量的数字 方法， 最后概要介绍频率、 时间测量的模拟方法,,3.1 概 述 3.1.1 时间、 频率的基本概念 1. 时间的定义与标准 时间是国际单位制中七个基本物理量之一， 它的基本单位是秒， 用s表示。

在年历计时中嫌秒的单位太小， 常用日、 星期、 月、 年表示时间长短； 在电子测量中有时又嫌秒的单位太大， 常用毫秒(ms， 10-3 s)、微秒(μs， 10-6 s)、纳秒( ns， 10-9s)皮秒(ps，10-12 s)表示时间长短 “时间”,图3-1 时刻、 时间间隔示意图,在一般概念中有两种含义： 一指“时刻”， 表示某事件或现象何时发生 例如图-1中的脉冲信号在t1时刻开始出现， 在t2时刻消失； 二是指“间隔”， 即两个时刻之间的间隔， 表示某现象或事件持续多久 例如图3-1中的Δt，Δt＝t2-t1表示t1、 t2这两个时刻之间的间隔， 即矩形脉冲持续的时间长度 “时刻”与“间隔”二者的测量方法是不同的早期， 人们把地球自转一周所需要的时间定为一天， 把它的1/86 400定为1 s 但地球自转速度受季节等因素的影响， 要经常进行修正 地球的公转周期相当稳定， 在1956年正式定义1899年12月31日12时起始的回归年(太阳连续两次“经过”春分点所经历的时间)长度的1/31 556 925.9747为1秒 由于回归年不受地球自转速度的影响， 使秒定义更加确切 但观测比较困难， 不能立即得到， 不便于作为测量过程的参照标准。

近几十年来， 出现了以原子秒为基础构成的时间标准， 称为原子时标， 简称为原子钟在1967年， 第十三届国际计量大会上通过的秒定义为： “秒是铯133原子(Cs133)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 ” 现在各国标准时间发播台所发送的是协调世界时标(UTC)， 其准确度优于±2×10-11我国陕西天文台是规模较大的现代化授时中心， 它有发播时间与频率的专用电台， 台内有铯原子钟作为我国原子时间标准 它能够保持三万年以上才有正负一秒的偏差 中央人民广播电台的北京报时声， 就是由陕西天文台授时给北京天文台， 再通过中央人民广播电台播发的 需要说明的是， 时间标准并不像米尺或砝码那样 的标准， 因为“时间”具有流逝性 换言之， 时间总是在改变， 不可能让其停留或保持住用标准尺校准普通尺子时， 你可以把它们靠在一起做任意多次的测量， 从而得到较高的测量准确度 但在测量“时刻”时却不能这样， 当你延长测量时间时， 所要测量的“时刻”已经流逝成为“过去”了 对于时间间隔的测量也是如此 所以说， 时间标准具有不同于其他物理量标准的特性， 这在测量方法和误差处理中表现得尤为明显。

,2. 频率的定义与标准 生活中的“周期”现象人们早已熟悉 如地球自转的日出日落现象是确定的周期现象； 重力摆或平衡摆轮的摆动、 电子学中的电磁振荡也都是确定的周期现象 自然界中类似上述的周而复始重复出现的事物或事件还可以举出很多， 这里不再一一列举 周期过程重复出现一 次所需要的时间称为它的周期， 通常用T来表示 在数学中， 把这类具有周期性的现象概括为一种函数关系描述， 即 F(t)=F(t+mT) (3-1),,式中，m为整实数， 即m=0， ±1， ±2， …， ±n；t为描述周期过程的时间变量； T为周期过程的周期  频率是单位时间内周期性过程重复、 循环或振动的次数， 通常用f来表示 联系周期与频率的定义， 不难看出f与T之间有下述重要关系， 即 (3-2),若周期T的单位是秒， 那么由式(3-2)可知频率的单位是1/秒， 即赫兹(Hz)  对于电谐振动、 电磁振荡这类周期现象， 可用更加明确的三角函数关系描述 设函数为电压函数， 则可写为 u(t)=Umsin(ωt+φ) (3-3) 式中， Um为电压的振幅；ω为角频率，ω＝2πf； φ为初相位。

整个电磁频谱有各种各样的划分方式， 表3-1给出了国际无线电咨询委员会规定的频率划分范围 ,表3-1 无线电频段的划分,在微波技术中， 通常按波长划分为米、 分米、 厘米、 毫米、 亚毫米波 在无线电广播中， 则划分为长、 中、 短三个波段 在电视中， 把从48.5 MHz到223 MHz按每频道占据8 MHz 范围带宽划分为1～12频道， 称为VHF频道， 频率再往上的称为 UHF频道 总之， 频率的划分完全是根据各部门、 各学科的需要来划分的 在电子测量技术中， 常以1 MHz为界， 以下称低频测量， 以上称高频测量(一般， 正弦波信号发生器就是如此划分的)常用的频率标准有晶体振荡石英钟， 它使用在一般的电子备与系统中 由于石英有很高的机械稳定性和热稳定性， 它的振荡频率受外界因素的影响很小， 因而比较稳定， 可以达到10-10左右的频率稳定度， 又加之石英振荡器结构简单， 制造、 维护、 使用都较方便， 其精确度已能满足大多数电子设备上的需要， 所以已成为人们青睐的频率标准源 近代最准确的频率标准是原子频率标准， 简称为原子频标原子频标有很多种， 其中铯束原子频标的稳定性、 制作重复性较好， 因而高标准的频率标准源大多采用铯束原子频标。

原子频标的原理是： 原子处于一定的量子能级， 当它从一个能级跃迁到另一个能级时， 将辐射或吸收一定频率的电磁波 由于原子本身结构及其运动的永恒性， 所以原子频标比天文频标和石英钟频标都稳定铯-133原子两个能级之间的跃迁频率为9192.631 770 MHz，利用铯原子源射出的原子束， 在磁间隙中获得偏转， 在谐振腔中激励起微波交变磁场， 当其频率等于跃迁频率时， 原子束穿过间隙， 向检测器汇集， 从而就获得了铯束原子频标 原子频标的准确度可达10-13，它广泛使用于航天飞行器的导航、 监测、 控制的频标源这里应明确， 时间标准和频率标准具有同一性， 可由时间标准导出频率标准， 也可由频率标准导出时间标准由前面所述的铯原子时标秒的定义与铯原子频标赫兹的定义很容易理解此点 一般情况下不再区分时间和频率标准， 而统称时频标准3. 标准时频的传递 在当代人们的生活、 工作、 科学研究中， 大家越来越感觉到有统一的时间频率标准的重要性 一个群体或一个系统的各部件的同步运作或确定运作的先后次序， 都迫切需要一个统一的时频标准例如我国铁路、 航空、 航海运行时刻表是由“北京时间”， 即我国铯原子时频标来制定的， 我国各省、 各地区乃至每个单位、 家庭、 个人的“时频”都应统一在这一时频标准上。

如何统一呢？ 通常， 时频标准采用下述两类方法提供给用户使用： 其一， 称为本地比较法 就是用户把自己要校准的装置搬到拥有标准源的地方， 或者由有标准源的主控室通过电缆把标准信号送到需要的地方， 然后通过中间测试设备进行比对使用这类方法时， 由于环境条件可控制得很好， 外界干扰可减至最小， 标准的性能得以最充分利用 缺点是作用距离有限， 远距离的用户要将自己的装置搬来搬去， 会带来许多问题上的麻烦 其二， 是发送-接收标准电磁波法这里所说的标准电磁波， 是指其时间频率受标准源控制的电磁波， 或含有标准时频信息的电磁波 拥有标准源的地方通过发射设备将上述标准电磁波发送出去， 用 户用相应的接收设备将标准电磁波接收下来， 便可得到标准时频信号， 并与自己的装置进行比对测量 现在， 从甚长波到微波的无线电的各频段都有标准电磁波广播如甚长波中有美国海军导航台的NWC信号(22.3 kHz)，英国的GBR信号(16 kHz)；长波中有美国的罗兰C信号(100 kHz)，我国的BPL信号(100 kHz)； 短波中有日本的JJY信号， 我国的BPM信号(5 MHz、 10 MHz、 15 MHz)； 微波中有电视网络等等。

用标准电磁波传送标准时频， 是时频量值传递与其他物理量传递方法显著不同的地方， 它极大地扩大了时频精确测量的范围， 大大提高了远距离时频的精确测量水平与其他物理量的测量相比， 频率(时间)的测量具有下述特点：  ① 测量精度高 由于有着各种等级的时频标准源(如前述的晶体振荡器时钟、 铯原子时钟等)， 而且采用无线电波传递标准时频方便、 迅速、 实用 因此在人们能进行测量的成千上万个物理量中， 频率(时间)测量所能达到的分辨率和准确度是最高的 ,② 测量范围广 现代科学技术中所涉及到的 频率范围是极其宽广的， 从0.01Hz甚至更低频率开始， 一直到1012Hz以上 处于这么宽范围内的频率都可以做到高精度的测量 ,③ 频率信息的传输和处理方便， 如倍频、 分频和混频等都比较容易， 并且精确度也很高， 这使得对各不同频段的频率测量能机动、 灵活地实施 正因为如此， 人们想到了通过巧妙的数学方法和先进的电子技术， 将其他的物理量测量转换为频率(时间)的测量， 以提高其测量准确度 这方面也是电子测量技术应用中一个值得注目的研究课题3.1.2 频率测量方法概述 对于频率测量所提出的要求， 取决于所测量频率范围和测量任务。

例如， 在实验室中研究频率对谐振回路、 电阻值、 电容的损耗角或其他被研究电参量的影响时， 能将频率测到±1×10-2量级的准确度或稍高一点也就足够了； 对于广播发射机的频率测量， 其准确度应达到±1×10-5量级； 对于单边带通信机则应优于±1×10-7量级； 而对于各种等级的频率标准， 则应在±1×10-8～±1×10-13量级之间 由此可见， 对频率测量来讲， 不同的测量对象与任务， 对其测量准确度的要求十分悬殊 测试方法是否可以简单， 所使用的仪器是否可以低廉， 完全取决于对测量准确度的要求 ,根据测量方法的原理， 对测量频率的方法大体上可作如下分类：,直读法又称利用无源网络频率特性测频法， 它包括电桥法和谐振法 比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较， 通过观、 听比较结果， 获得被测信号的频率 属比较法的有： 拍频法、 差频法、 示波法 关于模拟法测频诸方法的原理将在3.6节中作介绍 ,计数法有电容充放电法和电子计数法两种 前者是利用电子电路控制电容器充放电的次数， 再用磁电式仪表测量充、 放电电流的大小， 从而指示出被测信号的频率值 后者是根据频率的定义进行测量的一种方法， 它是用电子计数器显示单位时间内通过被测量信号的周期个数来实现频率的测量。

电子计数器也是一种利用比较法进行测量的最常见、 最基本的数字化仪器， 是其他数字化仪器的基础 利用电子计数器测量具有准确度高、 显示醒目直观、 测量迅速， 以及便于实现测量过程自动化等一系列突出优点 随着数字电路。