电子测量与仪器教学课件第5章-频率时间测量与仪器.pptx

第第5 5章章 频率时间测量与仪器频率时间测量与仪器章首导言章首导言频率和时间测量是电子测量的一个重要内容时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、科学试验、工业自动化等领域都存在时频测量因此，时间和频率测量具有重要的基础性地位本章重点讨论频率和时间测量的方法及其所用的仪器，还涉及相位的测量5.1 5.1 频率时间测量概述频率时间测量概述5.1.15.1.1时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念1.1.时间和频率的定义时间和频率的定义“时间”的含义有两个：一个是指“时刻”，即某个事件何时发生；另一个是指“时间间隔”，即某个事件相对于一开始时刻持续了多久所谓频率就是指周期信号在单位时间（1 s）内变化的次数如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则其频率可表达为：由于周期和频率呈现式（5.1-1）所示的关系，所以对周期（时间间隔）的测量可转化为对频率的测量，然后再取倒数即可2.2.时频测量的特点时频测量的特点测量精度高在电子技术各测量参数中，频率测量的精确度是最高的（10-14），因而可以利用某种确定的函数关系把其他电参数的精确测量转换成频率的测量应用范围广现代科技所涉及的频率范围是极其宽广的，从百分之一赫兹甚至更低频率开始，一直到1012Hz以上。

因此，电子学及其他许多领域都离不开频率测量自动化程度高时频测量极易实现数字化电子计数器利用数字电路的各种逻辑功能很容易实现自动重复测量、自动选择量程、测量结果自动显示等测量速度快由于数字式仪器实现了测量自动化，因此不但操作简便，而且大大加快了测量速度3.3.频率测量方法概述频率测量方法概述根据测量方法原理，频率测量方法的分类如图5.1-1所示5.1.25.1.2电子计数器的分类电子计数器的分类电子技术器按功能可以分为如下四类：(1)通用电子计数器通用电子计数器是指多功能的电子计数器，它一般具有测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数和计时及自检等功能2)频率计数器频率计数器又称数字式频率计，是指专门用于测量信号频率的电子计数器，它通常只具有频率测量和计数功能，频率范围较宽3)智能型计数器智能型计数器是指带有微处理器的电子计数器它除了测量功能以外，还具有数据运算功能，配有通信接口，可与计算机或其他仪器连接实现自动化测量4)特种计数器特种计数器是指具有特殊功能的电子计数器，如可逆计数器、程序计数器、预置计数器等特种计数器主要用于工业生产自动化测量与控制装置中电子电子计数器的主要性能指标计数器的主要性能指标1.测量功能测量功能测量功能是指电子计数器所具有的全部测量功能，一般包括频率测量、频率比测量、周期测量、时间间隔测量、累加计数和计时、自校准等功能。

2.测量范围测量范围测量范围是指不同测量功能的有效测量范围，一般用其上下限值表示，如频率测量范围、周期测量范围、时间间隔测量范围、最大计数范围等3.3.输入特性输入特性输入特性是指电子计数器与被测信号相关联的一组特性参数，主要包括：（1）输入灵敏度输入灵敏度是指使仪器能正常工作的最小输入电压的有效值2）最高输入电压最高输入电压是指仪器所允许输入的最大电压值，若被测信号电压超过该值，有可能会损坏仪器3）输入耦合方式仪器一般都设置有AC和DC两种耦合方式，以适应不同频率和不同波形的输入信号4）输入阻抗输入阻抗包括输入电阻和输入电容，为了尽量减小仪器对被测信号的影响，一般都采用高输入阻抗，输入电阻大于1 M，输入电容小于30 pF4.闸门时间和时标闸门时间和时标闸门时间和时标是说明仪器内部标准时间信号源可提供的闸门时间信号和时标信号测量频率是在一定的时间内对被测信号的周期进行计数，这个对被测信号周期进行计数的时间就是闸门时间这种计数方式会造成一个被测信号周期的误差，闸门时间越长，计数周期数就越多，误差一个周期所占的比例越小，精度自然就高闸门时间不一定为1s，用户可根据测频精度和速度不同要求自由选择。

通常是以10为系数的一系列时间基准信号，如时标是标度时间的方法，也就是时间标准在时间标度上存两个需求，因而存在两种方法，一个是世界时（UT1），它是基于地球自转的时标，称为天文学需求；另一个是国际原子时（TAI），是基于单位时间的时标，它是“铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间”为一秒，可以称作原子时标原子时标的准确度为每日数纳秒，而世界时的准确度只有数毫秒5.5.分频倍率分频倍率分频倍率是指周期和频率比测量时对被测信号分频的倍数对被测信号进行分频，可提高测量分辨率，减小测量误差分频倍率通常为10、100、1 000等6.6.显示位数显示位数显示位数是指仪器的数码显示器所具有十进制显示的总位数，显示位数越多，分辨率越高，电子计数器的显示位数通常为610位7.7.晶振器特性晶振器特性晶振器特性是说明仪器中石英晶体振荡器的基本特性参数，包括晶体振荡频率、频率准确度和频率稳定度，它们决定着仪器的准确度和稳定性晶体振荡器频率一般为5 MHz 或 10 MHz频率准确度和频率稳定度一般在10-610-9量级8.8.输出信号及特性输出信号及特性输出信号及特性说明仪器可直接输出的信号类型及信号特性，输出信号有晶振信号、时标信号、闸门时间信号和测量数据，包括这些信号的输出电平和数据编码方式。

5.1.4 5.1.4 时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准由于在时间标度上存在两个独立的需求，即天文学需求和时间单位准确的需求，因而形成了天文时标和原子时标两个时间标准1.1.天文时标天文时标时间和频率测量的一个重要特点就是：时间是一去不复返的因此，寻找按严格相等的时间间隔重复出现的周期现象就成为制定时间和频率标准的首要问题长期以来，人们把地球自转当作符合上述要求的频率源，把由地球自转确定的时间计量系统称为世界时，它满足了当时人们的需要随后，人们又制定了根据太阳来计量时间的计时系统，称为平太阳时系统，这种计时系统的精度比世界时有了大幅度的提高各地通过天文观测直接测定的世界时称为地方时，记做UT0在UT0的基础上修正了地球极移的影响，产生了UT1；在UT1的基础上修正了季节性变化的影响，产生了UT2它的稳定度比世界时提高了两个数量级，达到了110-9量级2.2.原子时标原子时标天文时间标准具有一定的局限性原子时是近年来建立起来并确定的一种新型计时系统，它利用原子从某种能量状态转变到另一种能量状态时，辐射或吸收的电磁波的频率作为标准频率来计量时间它们受宏观世界的影响较小，因此频率准确度和稳定度都十分高，远远超过了天文标准。

3.3.石英晶体振荡器石英晶体振荡器目前，时间和频率的测量之所以在所有物理量的测量中处于领先地位，主要因为频率是迄今为止复制得最准确（10-13量级）、保持得最稳定（1014/星期）、测量得最准确的物理量时基电路的作用就是提供准确的闸门时间T，它由高稳定度的石英晶体振荡器、分频整形电路与门控电路组成石英晶体有很高的机械稳定性和热稳定性压电效应使得石英晶体高度稳定的机械振动可以直接控制电振荡，使电振荡频率也保持得非常稳定图5.1-2所示为高稳定度石英晶体振荡器的结构图4.标准时频的传递标准时频的传递在当代实际生活、工作和科学研究中，人们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通常时频标准采用下述两类方法提供给用户使用：本地比较法和发送-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1）本地比较法本地比较法就是用户把自己要核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2）发送-接收标准电磁波法。

发送-接收标准电磁波法就是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例如，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)、中国的BPL信号(100 kHz)，短波中有日本的JJY信号、中国的BPM信号(5 MHz、10 MHz、15 MHz)；微波中有电视网络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5.1.5 5.1.5 频率和时间的测量原理频率和时间的测量原理1.1.模拟测量原理模拟测量原理频率和时间测量技术按工作原理可分为直接法和比较法两类1）直接法在某些电路中，输入被测频率fx是电路和设备的已知参数a，b，c，等的确定的函数关系进行测量时，利用各种有源和无源的频率比较设备和指示器来确定这种函数关系的具体形式，以获取被测信号的频率谐振法和电桥法是其典型代表。

1)谐振法被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行松耦合，改变可变电容 C，使回路发生串联谐振谐振时回路电流I达到最大2)电桥法电桥法测频是利用电桥的平衡条件和被测信号频率有关这一特性来测频的交流电桥能够达到平衡，电桥的四个臂中至少有两个电抗元件，其具体的线路有多种形式，这里以常见的文氏电桥为例，介绍电桥法测频的原理，如图5.1-4所示2）比较法比较法利用标准频率fs和被测频率fx进行比较来测量频率其数学模型为利用比较法测量频率，其准确度主要取决于标准频率fs的准确度，即判断式(5.1-6)存在的误差拍频法、外差法、示波法及计数法测频是这种测量法的典型代表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2.2.数字测量原理数字测量原理1）门控计数法测量原理门控计数法可理解为：在规定的时间内打开闸门，让信号进入计数电路做累加计数，在已知的标准时间内累计未知的待测输入信号的脉冲个数，就实现频率测量；在未知的待测的时间间隔内累计已知的标准时间脉冲个数，就实现周期或时间间隔的测量其原理如图5.1-5所示2）通用计数器的基本组成通用电子计数器基本组成的原理方框图如图5.1-6所示。

电路由输入通道A、输入通道B、时基单元、主门、控制单元、计数及显示单元等组成3）电子计数器的工作流程电子计数器的工作流程如图5.1-7所示准备期（复零，等待）测量期（开门，计数）显示期（关门，停止计数）5.2 5.2 电子计数器电子计数器5.2.1 5.2.1 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能通用电子计数器的基本功能是测量频率、周期、频率比、时间间隔和自检等计数器输入通道所加信号的不同组合，决定了所实现的测量功能1.频率测量电子计数器按照式f=N/T的定义进行频率测量，其原理如图5.2-1所示，其对应点的工作波形如图5.2-2所示在开门时间，被测信号通过闸门进入计数器计数并显示若闸门开启时间为Tc，输入信号频率为fx，则计数值为2.2.频率比的测量频率比的测量前述频率测量其实质就是一种频率比的测量，是被测信号的频率和时基标准信号的频率比因此，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两个信号的频率比与频率测量原理基本相同，其原理框图如图5.2-3所示3.3.周期测量周期测量周期测量的原理框图如图5.2-4所示被测信号Tx从B输入端输入，经脉冲形成电路取出一个周期的方波信号，加到门控电路。

若时标信号周期为T0，计数器读数为N，被测周期的表达式应为：TxNT0 4.4.时间间隔测量时间间隔测量时间间隔指两个时刻点之间的时间段，包括同一信号任意两点间的时间差（如脉冲宽度、脉冲上升或下降时间等）和两个同频率信号之。