電子測量技術第三章課件

1、第3章頻率時間測量3.1 概述3.2 電子計數(shù)法測量頻率3.3 電子計數(shù)法測量周期3.4 電子計數(shù)法測量時間間隔3.5 減小計數(shù)器1誤差的方法3.6 模擬法測頻思考與練習3-1概述一、時間和頻率的定義1、時間有兩個含義：“時刻”：即某個事件何時發(fā)生；“時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久。2、頻率的定義：周期信號在單位時間（1s）內的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T內周期信號重復變化了N次，則頻率可表達為：fN/T3、時間與頻率的關系：可以互相轉換。1、天文時標（1）世界時（UT,Universal Time）:以地球自轉周期(1天)確定的時間，即1/(246060)=1/8

2、6400為1秒。其誤差約為107量級。為世界時確定時間觀測的參考點，得到：平太陽時零類世界時（UT0 ）第一類世界時（UT1）第二類世界時（UT2）（2）歷書時（ET） 以地球繞太陽公轉為標準，即公轉周期（1年）的31 556 925.9747分之一為1秒。參考點為1900年1月1日0時（國際天文學會定義）。準確度達1109于1960年第11屆國際計量大會接受為“秒”的標準。二、時間與頻率標準天文時標的不足設備龐大、操作麻煩；觀測時間長；準確度有限（2）原子時標的定義1967年10月，第13屆國際計量大會正式通過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細結構能級之間躍遷頻率相應的射線束

3、持續(xù)9 192 631 770個周期的時間”。 1972年起實行2、原子時標（TAI）（1）理論基礎：量子電子學hfn-m=En-Emh=6.625210-27為普朗克常數(shù)En、Em為受激態(tài)的兩個能級fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率電子計數(shù)器內部時間、頻率基準采用石英晶體振蕩器（簡稱“晶振”）為基準信號源?；趬弘娦a生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點，在拐點處最平坦），普通晶體頻率準確度為10-5。采用溫度補償或恒溫措施（恒定在拐點處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準確的頻率輸出。電子計數(shù)器內部時間、頻率基準差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法

4、測周期法模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法三、頻率的測量方法多功能計數(shù)器函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器頻率計通用電子計數(shù)器的組成框圖：通用計數(shù)器包括如下幾個部分輸入通道：通常有A、B、C多個通道，以實現(xiàn)不同的測量功能。輸入通道電路對輸入信號進行放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。門控電路：完成計數(shù)的閘門控制作用。計數(shù)與顯示電路：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結果（反映測量結果）以數(shù)字方式顯示出來時基產生電路：產生機內時間、頻率測量的基準，即時間測量的時標和頻率測量的閘門信號?？刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調整機工作，即準備測量顯示。例如：閘門時間Ts=1s

5、，若計數(shù)值N=10000，則顯示fx為？如閘門時間Ts=0.1s，則計數(shù)值N=1000，則顯示fx為？“10000”Hz“10.00”kHz顯示結果的有效數(shù)字末位的意義？它表示了頻率測量的分辨力（應等于時基頻率fs ）。二、誤差分析由誤差傳遞公式：兩個因素：數(shù)字化儀器特有的誤差閘門時間的相對誤差1、基本誤差（1）、誤差：取決于閘門開啟時刻與第一個計數(shù)脈沖的時間關系可知：提高被測信號的頻率，或增大主門開啟時間，都可降低量化誤差的影響如圖，對同一被測信號，在相同的閘門時間內，計數(shù)結果不同。量化誤差相當于計數(shù)值N的“1”個字。 是隨機的，它們服從均勻分布，其差值 則服從三角分布。N1（2）、標準頻率

6、誤差閘門T的準確度決定于石英振蕩器提供頻率的準確度（注意負號的意義）（3）、結論：a、fx愈大則誤差愈小，b、閘門時間愈大誤差也愈小c、測頻誤差以標準頻率誤差為極限（P106，3-6）解：不能用三、測量頻率范圍的擴大通用電子計數(shù)器受內部計數(shù)器等電路的工作速度的限制，對輸入信號直接計數(shù)存在最高計數(shù)頻率的限制。對于幾十GHz的微波計數(shù)器，主要采用外差法和置換法將輸入微波頻率信號變換成可直接計數(shù)的中頻。圖3-4 外差法擴頻測量原理框圖例如：若fx=1234.567890MHz，標準頻率fc=100MHz。則諧波濾波器應調諧在N=12次諧波上，即Nfc=1200MHz，高位直接顯示“12”。計數(shù)器再對

7、差頻信號fA=fx -fL=34 .567890MHz計數(shù)最后顯示為“12 34.567890”MHz。外差法特點：諧波Nfc幅度低，靈敏度低，但分辨力高。Tx內脈沖數(shù)例如：時標TS=1us，若計數(shù)值N=10000，則顯示的Tx為 或如時標TS=10us，則計數(shù)值N=1000，顯示的Tx為請注意：顯示結果的有效數(shù)字末位的意義“10000”us“10.000”ms“10.00”ms表示了周期測量的分辨力（應等于時標T0 ）（1）、Tx增大，誤差減?。?）、有限，使也有最小值二、誤差分析1、基本誤差例如， 某計數(shù)式頻率計， |fc|/fc=210-7，在測量周期時， 取Tc1 s，則當Tx1 s時

8、當Tx1 ms(fx1000 Hz)時， 測量誤差為當Tx10s(fx100 kHz)時2、觸發(fā)誤差的影響周期測量時，尖峰脈沖的干擾對測量結果的影響非常嚴重。如圖，測量誤差為：設輸入為正弦波：干擾幅度：Vn無干擾：有干擾：下一個10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A10措施：提高信噪比，以及多周期測量法多周期測量法原理：使相鄰周期的 相互抵消例如：由10個周期構成閘門時間“周期倍乘”可選擇周期數(shù)結論：（1）誤差組成：量化誤差、轉換誤差、標準頻率誤差（2）多周期測量提高了測量準確度（3）選用小的時標可提高測周分辨力（4）應盡可能提高信噪比誤差表達式：m為周期倍乘數(shù)三、中界頻率測頻時，被測頻率fx愈低，則量化誤差愈大測周時，被測頻率fx愈高，則量化誤差愈大可見，