第五章頻率和時(shí)間的測量技術(shù)

1、第三章 頻率和時(shí)間的測量技術(shù),直接法 電橋法 模擬法 諧振法 差頻法 比較法 拍頻法 示波法 計(jì)數(shù)法 電容充放電法

2、 電子計(jì)數(shù)式,,,,,,,,,§3.1 標(biāo)準(zhǔn)頻率源,1.原子頻標(biāo)的基本原理根據(jù)量子理論，原子或分子當(dāng)由一個(gè)能級向另一個(gè)能級躍遷時(shí)，就會(huì)以電磁波的形式輻射或吸收能量，其頻率嚴(yán)格地決定于兩能級之間的能量差，這種現(xiàn)象是微觀原子或分子所固有的，非常穩(wěn)定。若能設(shè)法使原子或分子受到激勵(lì)，便可得到相應(yīng)的穩(wěn)定而又準(zhǔn)確的頻率。1967年第十三屆國際計(jì)量大會(huì)通過新的原子秒的定義：秒是Cs-133原子基態(tài)的

3、兩個(gè)超精細(xì)能級間躍遷相對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。銫原子鐘精度達(dá)10-13~10-14量級2003年中國計(jì)量科學(xué)研究院：冷銫原子噴泉鐘。,§3.1 標(biāo)準(zhǔn)頻率源,2.氫原子鐘：亦稱為氫原子激射器，精度10-12量級。 3.銣原子鐘：精度10-11量級。 4.離子儲(chǔ)存頻標(biāo)：亦稱為離子阱頻標(biāo)，預(yù)計(jì)其精度可達(dá)10-15~10-16量級。,§3.2 電子計(jì)數(shù)法測量頻率,一、測頻原理,1.

4、基本原理 ：根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則該信號(hào)的頻率為：,2.組成框圖,,(1) 時(shí)基T(閘門時(shí)間T)產(chǎn)生電路: 作用:提供準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)時(shí)間T,頻率計(jì)數(shù)器組成原理框圖,(2) 計(jì)數(shù)脈沖形成電路: 作用:把被測的周期信號(hào)轉(zhuǎn)換為可計(jì)數(shù)的窄脈沖,(3) 計(jì)數(shù)顯示電路:作用:計(jì)數(shù)被測周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù),并顯示被測信號(hào)的頻率(4)控制電路：產(chǎn)生各種控制信號(hào)，使整機(jī)按一定的工作程序完成自動(dòng)測量的任務(wù)。

5、測頻原理的實(shí)質(zhì):以比較法為基礎(chǔ),把被測信號(hào)頻率與已知信號(hào)的頻率相比,將比較的結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來.,二、誤差分析1、誤差來源: (1) 時(shí)基T是否準(zhǔn)確(2)計(jì)數(shù)值N是否準(zhǔn)確,2、量化誤差--±1誤差,圖 T=7Tx的示意圖,,圖 T=7.4Tx的示意圖,結(jié)論: (1)不論N值為多少,其最大誤差總是±1個(gè)計(jì)數(shù)單位,故稱“±1誤差”(2)脈沖計(jì)數(shù)相對誤差與被測信號(hào)頻率成反比,與閘門

6、時(shí)間成反比.,3、閘門時(shí)間誤差(標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差):結(jié)論：閘門時(shí)間相對誤差在數(shù)值上等于晶振頻率的相對誤差 4、測頻總誤差:,,,,三、提高測頻準(zhǔn)確度應(yīng)采取以下措施:（1） 提高晶振的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，以減小閘門時(shí)間誤差（2）擴(kuò)大閘門時(shí)間或倍頻被測信號(hào)，以減小±1誤差（3）當(dāng)頻率較小時(shí)，應(yīng)采用測周法。,§3.3電子計(jì)數(shù)法測量周期,一、電子計(jì)數(shù)法測量周期的原理,測周原理框圖,測頻原理框圖,,,二、 誤差分析,1

7、、量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差,,2、觸發(fā)誤差,,,3.多周期測量,進(jìn)一步分析可知，多周期測量可以減小轉(zhuǎn)換誤差和± 1誤差。,4.結(jié)論,1)用計(jì)數(shù)器直接測周的誤差主要有三項(xiàng)，即量化誤差、觸發(fā)誤差以及標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。,,2)采用多周期測量即周期倍乘可提高測量準(zhǔn)確度；,3)提高標(biāo)準(zhǔn)頻率，可以提高測周分辨力；,4)測量過程中盡可能提高信噪比Um／Un。,,,三、 中界頻率,三、 中界頻率,,,,,,,,,,,式中，,,為中界頻率，,,為標(biāo)準(zhǔn)

8、頻率，T為閘門時(shí)間。,1、定義：對某信號(hào)使用測頻法和測周法測量頻率，兩者引起的誤差相等，則該信號(hào)的頻率定義為~。,2、若測頻時(shí)擴(kuò)大閘門時(shí)間n倍，測周時(shí)周期倍乘k倍：,例某頻率計(jì)若可取的最大的T、fc值分別為10s、100MHZ，并取k=104，n=102，試確定該儀器可選擇的中界頻率。,1.基本原理,§3.4電子計(jì)數(shù)法測量時(shí)間間隔,2、測量類型(1)當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),測量同一信號(hào)波形上的任意兩點(diǎn)的時(shí)間間隔.(2)當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),

9、測量兩信號(hào)間的時(shí)間間隔.,3、誤差分析（1）表達(dá)式：（2）減少測量誤差應(yīng)采取的措施：1)選用頻率穩(wěn)定性好的標(biāo)準(zhǔn)頻率源,以減小標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差.2)提高信噪比以減小觸發(fā)誤差.3)提高頻率fc,以減小量化誤差,不能采用被測時(shí)間TX擴(kuò)大K倍法,4.相位測量,,則,對應(yīng)的相位可以計(jì)得,,5.脈沖時(shí)間參數(shù)測量,例、某頻率計(jì)最高標(biāo)準(zhǔn)頻率為10MHz,若忽略標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差與觸發(fā)誤差,當(dāng)被測時(shí)間間隔為50μs和5 μs時(shí),其測量誤差多大?

10、若最高標(biāo)準(zhǔn)頻率一定,且給定最大相對誤差時(shí),則僅考慮量化誤差所決定的最小可測量時(shí)間間隔可由下式給出:例4 某頻率計(jì)fcmax=10MHz, rmax=±1%, 求Txmin’,3.5 通用計(jì)數(shù)器,電子計(jì)數(shù)器問世于五十年代初期，它是出現(xiàn)最早、發(fā)展最快的—類數(shù)字式儀器。今天的電子計(jì)數(shù)器與其初期相比，面貌已煥然一新。,,,一、 通用計(jì)數(shù)器的功能,1.自檢,實(shí)際原理框圖：,2.頻率比(A／B)的測量,頻率比A／B是加

11、于A、B兩路的信號(hào)源的頻率比值。,3.累加計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)A的測量),累加計(jì)數(shù)是在一定的時(shí)間內(nèi)(通常是比較長的時(shí)間內(nèi)，如自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品數(shù)量)記錄A信號(hào)（如產(chǎn)品通過時(shí)傳感器產(chǎn)生的光電信號(hào)）經(jīng)整形后的脈沖個(gè)數(shù)。,二、 單片通用計(jì)數(shù)器,E312A型通用計(jì)數(shù)器的技術(shù)指標(biāo)為：,測頻范圍：1Hz~10MHz,最小輸入電壓：正弦波時(shí)為30mV，脈沖波時(shí)為0.1V（峰-峰值）,閘門時(shí)間：10ms，0.1s，1s，10s,周期測量范圍：10s~0.