1、第4章時間和頻率的測量，4.1概要4.2時間和頻率的原始基準(zhǔn)4.3頻率和時間的測量原理4.4電子計數(shù)器的構(gòu)成原理和測量功能4.5電子計數(shù)器的檢驗(yàn)誤差4.6高極限分辨率時間和頻率測定技術(shù)4.7微波頻率測定技術(shù)4.8頻率穩(wěn)定度測量和頻率比較4.9小時頻率測定技術(shù)， 4.1概要4.1.1小時，頻率的基本概念1 )時間和頻率的定義2 )時間頻率測定的特征3 )測量方法概要4.1.2電子計數(shù)器概要1 )電子計數(shù)器的分類2 )主要技術(shù)指標(biāo)3 )電子計數(shù)器的發(fā)展，4.1.1小時，頻率的基本概念“時間間隔”:表示對于某個時間持續(xù)了多久。 頻率的定義：周期信號在單位時間(1s )內(nèi)的變化次數(shù)(周期數(shù))。 當(dāng)周期

2、信號以一定時間間隔t反復(fù)變化n次時，頻率能夠表現(xiàn)為fN/T時間與頻率的關(guān)系：相互變換。 2 )時間頻率測定的特征、最常見的測量時間和最重要的測量時間是7個基本的國際單位之一，時間、頻率是極其重要的物理量，在通訊、航空宇宙、武器裝備、科學(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民間和軍事方面存在時間頻率測定。 測量精度高的時間-頻率基準(zhǔn)具有最高精度(10-14 )，容易校正(對照)，因此數(shù)字化時頻率測定能夠?qū)崿F(xiàn)高精度。 因此，許多物理量的測量被轉(zhuǎn)換為時間頻率測定。 自動化程度高，測量速度快，3 )測量方法概述、頻率測量方法，各自測量方法具有不同的實(shí)現(xiàn)原理，其復(fù)雜性不同。 各種測量方法的測量精度和適用的頻率范圍不

3、同。 數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間頻率測定的主要方法，是本章的要點(diǎn)。 4.1.2電子計數(shù)器概要，1 )電子計數(shù)器的分類按功能可分為(1)通用計數(shù)器：可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累計計數(shù)等4種。 那個測定功能可以擴(kuò)展。 (2)頻率計數(shù)器：其功能僅限于頻率測定和計數(shù)。 但是，頻率測定范圍大多很廣。 (3)時間計數(shù)器：能夠以時間校正測量為基礎(chǔ)校正測量周期、脈沖殘奧儀表等，其校正測量時極限分辨率和精度高。 (4)具有特殊計數(shù)器：特殊功能的計數(shù)器。 包括可逆計數(shù)器、順序計數(shù)器、預(yù)定徑套計數(shù)器等。 用于工業(yè)測量。 1 )電子計數(shù)器的分類按用途分為測定用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。 根據(jù)測定范圍，可達(dá)到(1)

4、低速計數(shù)器(低于180GHz )、(2)中速計數(shù)器(10100 MHz )、(3)高速計數(shù)器(180GHz以上)、(4)微波計數(shù)器(180GHz以上)、(2)準(zhǔn)確度： 10-9以上。 (3)水晶振動頻率以及穩(wěn)定度：石英諧振器是電子計數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求比要求的測量精度更高的數(shù)量級(10倍)。 輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶體振動穩(wěn)定度可達(dá)10-5，恒溫晶體振動可達(dá)10-710-9。 (4)輸入特性：包括耦合方式(DC、AC )、觸發(fā)電平(可調(diào)整)、靈敏度(10100mV )、輸入阻抗(50低電阻和1M /25pF高電阻)等。 (5)男同性戀時間(頻率測定)

5、 :有1ms、10ms、100ms、1s、10s。 (6)時間尺斯坦共和國(測量周) :有10ns、100ns、1ms、10ms。 (7)顯示：包括顯示位數(shù)和顯示方式等。 3 )電子計數(shù)器的發(fā)展、測量方法的發(fā)展：模擬計程儀數(shù)字技術(shù)的智能化。 測量精度和頻率上限是電子計數(shù)器的兩個重要指標(biāo)，電子計數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這些個兩個指標(biāo)的提高和功能的擴(kuò)展和完善。 范例：您可以選取兩個225MHz或第三個12.4GHz頻道。 每秒12二進(jìn)制位的頻率分辨率，150ps的時間間隔極限分辨率。測量功能：包括頻率、頻率比、時間間隔、上升時間、下降時間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、尖峰電壓、時間間隔平均

6、、時間間隔延遲。 處理能力：平均、最小、最大和標(biāo)準(zhǔn)離差。4.2小時和頻率的標(biāo)準(zhǔn)、4.2.1小時和頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)1 )天文時間斯坦共和國類型2 )原子時間斯坦共和國類型4.2.2石英諧振器1 )組成2 )指標(biāo)、4.2.1小時和頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)、1 )天文時間斯坦共和國類型的原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有一定不變性的頻率和時間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)一致宏命令標(biāo)準(zhǔn)和微觀標(biāo)準(zhǔn)宏命令標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測的微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)的化學(xué)基，更加穩(wěn)定、更加準(zhǔn)確。 世界時：將由地球自轉(zhuǎn)周期(1天)決定的時間，也就是說，1/(246060)=1/86400設(shè)為1秒。 其誤差約為107個數(shù)量級。 1 )天文時間斯坦共和國在世界時中定義了時

7、間觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)，獲得平太陽時：因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)周期有不均勻性，所以以虛擬的平太陽為基本基準(zhǔn)點(diǎn)。 零類世界時(UT0 ) :以平太陽的子夜0點(diǎn)為參考。 第一類世界時(UT1 ) :修正地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)(自轉(zhuǎn)軸微小位移)而得到。 第二類世界時(UT2 ) :修正地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化(影響自轉(zhuǎn)速度)而得到的。 精度是3108。 歷時(ET ) :以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)，即軌道周期(一年)的31 556 925.9747分之一為一秒。 基準(zhǔn)點(diǎn)為1900年1月1日0時(國際天文學(xué)會定義)。 精度是1109。 在1960年第11次國際訂量大會上作為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)被接受。 2 )根據(jù)原子時間斯坦共和國、天文觀測

8、的宏命令標(biāo)準(zhǔn)，修正量中的不足設(shè)備龐大，用于測試操作麻煩的觀測時間長的精度有限。 原子時間尺度(AT )的量子電子學(xué)的基礎(chǔ)原子(分子)在能級遷移中吸收電磁波(從低能級到高能級)或輻射(從高能級到低能級)，其頻率是一定的。 在hfn-m=En-Em式中，h=6.625210-27是普朗特數(shù)，En、Em是激發(fā)態(tài)的兩個能級，fn-m是吸收或輻射的電磁波頻率。 2 )原子時間斯坦共和國類型、原子時間斯坦共和國的定義1967年10月，第13次國際修正量大會正式通過了秒的新定義：“秒是根據(jù)Cs133原子基態(tài)的兩個超微結(jié)構(gòu)能級之間的躍遷頻率，波束持續(xù)9、192、631、770周期的時間”。 從1972年開始實(shí)

9、施，為全世界所接受。 秒的定義從天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)向原子自然標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變，精度提高了45個等級達(dá)到了510-14 (相當(dāng)于62萬年1秒)，還在提高。 (2)原子時間斯坦共和國型、原子時修正原子時間斯坦共和國型的實(shí)物設(shè)備，可用于時間、頻率基準(zhǔn)的公布和核對。 銫原子時修正的精度： 10-1310-14。 大鐘，專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率標(biāo)準(zhǔn)小鐘，頻率動作標(biāo)準(zhǔn)。 注音字鐳原子時修正的精度： 10-11，體積小輕量，攜帶方便，可以作為工作的基準(zhǔn)。 氫原子時修正的短期穩(wěn)定度高： 10-1410-15，但精度低(10-12 )。 4.2.2石英諧振器、電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準(zhǔn)以水晶石英諧振器(簡稱“水晶振動”)為基

10、準(zhǔn)信號源。 根據(jù)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。 但是，石英振動頻率容易受到溫度的影響(其頻率-溫度特性曲線具有拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處最平平整整)，通常的晶體頻率精度為10-5。 采用溫度補(bǔ)償和恒溫對策(拐點(diǎn)一定的溫度)，可獲得高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。 下圖為恒溫水晶振動的組成。 (1)組成，(2)指標(biāo)、石英諧振器的主要指標(biāo)為：輸出頻率：1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日變動：210-10日老化：110-10秒穩(wěn)定：510-12。 輸出波形：正弦波輸出放大：0.5Vrms (負(fù)載50 )。幾種不同類型的石英諧振器指標(biāo)，4.3小時和頻率的測量原理，4.3.1天線計程儀測量原理1 )直接法

11、2 )比較法4.3.2數(shù)字測量原理1 )男同性戀計數(shù)法測量原理2 )通用計數(shù)器的基本組成，4.3.1天線計程儀測量原理，1 )。 (1)諧振法：調(diào)節(jié)可變電容器c使電路諧振，此時如果電路電流最大(射頻波電壓修正的指示)，則能夠測量1500MHz以下的頻率、精度(0.251)%。 (2)電橋法：利用電橋的平衡條件和頻率的特性進(jìn)行頻率測定，通常使用下圖所示的電橋進(jìn)行測量。 當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2以使得橋接器平衡時，平衡條件等式的兩端的實(shí)數(shù)部分別相等，所以如果通常R1=R2=R，C1=C2=C，那么所測量的信號頻率的測量精度：在接收電路中，2 )比較法將基本原理上是標(biāo)準(zhǔn)頻率fs與所測量的頻率fx進(jìn)行比較差拍

12、頻率法、外差法、示波圈套法及計數(shù)法等。 數(shù)學(xué)模型是拍頻法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測定頻率重合，用指示器(耳機(jī)和電壓修正)指示。 適用于語音測量(不太使用)。 外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測定頻率混合，取出差拍頻率進(jìn)行測定。 可測量范圍為數(shù)十MHz (外差接收式頻率修正)。 示波器尺圈套:李沙育圖形法：將fx和fs分別與示波器的y軸和x軸(X-Y圖示方式)連接，在fxfs時顯示為斜線(橢圓或園)的測量周期法：從顯示波形直接根據(jù)x通道的掃描速率得到周期，進(jìn)而得到頻率。 4.3.2數(shù)字校正預(yù)測原理，1 )男同性戀計數(shù)法校正預(yù)測原理時間、頻率數(shù)量的特征頻率在時間軸上無限延伸，因此，在頻率數(shù)量的校正預(yù)測中決定采樣時間

13、t，在該時間內(nèi)對被校正預(yù)測信號的周期進(jìn)行向上計數(shù)(計數(shù)值為n時)，fx=N/T的時間(這里是時間間隔) 為了實(shí)現(xiàn)下一次數(shù)字校正預(yù)測，以盡可能小的時間單位(稱為時間斯坦共和國)對被測定時間進(jìn)行量化，并累計被測定時間內(nèi)包含的時間單位數(shù)(計數(shù)數(shù))，由此得到。 校正預(yù)測原理用1個“男同性戀”(主男同性戀)控制遞增計數(shù)的信號(頻率校正預(yù)測時是被校正預(yù)測信號，時間校正預(yù)測時是時間斯坦共和國信號)，用1個“男同性戀”信號控制男同性戀的on (計數(shù)行政許可)和off (計數(shù)停止)。 4.3.2數(shù)字測量原理、男同性戀可通過and (或or )邏輯男同性戀電路實(shí)現(xiàn)。 這種測量方法稱為男同性戀計數(shù)法。 其原理如下圖

14、所示。 上圖將“與”邏輯男同性戀設(shè)為男同性戀位，在其男同性戀位控制信號為1時男同性戀位打開(計數(shù)行政許可)，在為0時男同性戀位關(guān)閉(計數(shù)停止)。 測量頻率時，男同性戀打開時間(稱為“男同性戀時間”)為采樣時間。 測量時間(間隔)時，男同性戀開始時間為被測量時間。 2 )通用計數(shù)器的基本構(gòu)成、通用電子計數(shù)器的構(gòu)成分塊圖如下圖所示：2)通用計數(shù)器的基本構(gòu)成、通用計數(shù)器通常有a、b、c的多個通道，實(shí)現(xiàn)不同的測量功能。 輸入信道電路對輸入信號進(jìn)行放大、整形等(其中頻率不變)，得到適合于計數(shù)的脈沖信號。 也可以使用指定的標(biāo)記擴(kuò)大頻率測定范圍。 主男同性戀電路：完成計數(shù)的男同性戀控制作用。 計數(shù)顯示電路：

15、計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路，脈沖計數(shù)結(jié)束。顯示電路數(shù)字顯示計數(shù)結(jié)果(反映測量結(jié)果)。 時間軸發(fā)生電路：發(fā)生機(jī)內(nèi)的時間、頻率測定的基準(zhǔn)，即時間測定的時間斯坦共和國和頻率測定的男同性戀信號。 控制電路：控制協(xié)調(diào)用戶針織面料整體的動作，即準(zhǔn)備測量顯示。4.4電子計數(shù)器的構(gòu)成原理和測定功能，4.4.1電子計數(shù)器的構(gòu)成1)A，b輸入通道2 )主男同性戀電路3 )計數(shù)和顯示電路4 )時間軸發(fā)生電路5 )控制電路4.4.2電子計數(shù)器的測定功能1 )頻率比測定2 )頻率比測定3 )。 構(gòu)成原理分塊圖，1)A，b輸入通道，作用：這些個主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)(包括出發(fā)電平調(diào)節(jié))等小區(qū)電路構(gòu)成。 其

16、作用是處理輸入信號，生成符合計數(shù)要求(波形、振幅)的脈沖信號。 也可以使用指定的標(biāo)記(外置卡)擴(kuò)大頻率測定范圍。 斯米爾觸發(fā)電路：利用斯米爾觸發(fā)的反向間隙特性，對輸入信號具有良好的噪聲耐受力。 1)A、b輸入通道、通道的組合可實(shí)現(xiàn)不同的測量功能。 計數(shù)的信號(始終從a通道輸入的信號)稱為計數(shù)端?？刂颇型詰俅蜷_的信號通道(始終從b、c通道輸入)稱為控制端。 從計數(shù)端子輸入的信號是被測定信號(fx )和內(nèi)部時間斯坦共和國整信號等； 從控制端輸入的信號是男同性戀信號和被測定信號(Tx )等2 )主男同性戀電路，功能：主男同性戀也稱為男同性戀，通過“男同性戀控制信號”控制進(jìn)入計數(shù)器的脈沖，計數(shù)器僅計

17、數(shù)規(guī)定的“男同性戀時間”內(nèi)的脈沖。 電路：由“與男同性戀”或“或男同性戀”構(gòu)成。 其原理是，“與男同性戀”構(gòu)成的主男同性戀在“男同性戀控制信號”為1時，行政許可計數(shù)脈沖的通過的或男同性戀構(gòu)成的主男同性戀在“男同性戀控制信號”為0時，行政許可計數(shù)脈沖的通過。 “男同性戀控制信號”也可以在手動操作中得到，實(shí)際上手動遞增計數(shù)。 3 )計數(shù)電路對通過主男同性戀的脈沖進(jìn)行計數(shù)(計數(shù)值表示被測量頻率和時間)，利用數(shù)字顯示器直觀顯示測量結(jié)果的功能。 為了便于觀察和讀取，通常使用十進(jìn)制計數(shù)電路。 計數(shù)電路的重要指標(biāo)：最高計數(shù)頻率。 計數(shù)電路一般由多級觸發(fā)電路構(gòu)成，受內(nèi)部狀態(tài)反轉(zhuǎn)時間的限制，計數(shù)電路具有最高計數(shù)

18、頻率的限制。 此外，對于多二進(jìn)制位計數(shù)器，最高計數(shù)頻率主要由1二進(jìn)制位計數(shù)器來決定。 動作速度因電路而異。 例如，74LS(74HC )系列是3040 MHz；74s系列是100MHz； CMOS電路約5MHz； ECL電路最多可以達(dá)到600MHz。 3 )計數(shù)和顯示電路、類型：單片集成和可程序設(shè)計師計數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC示例： 74ls 90 (mc11c 90 )十進(jìn)制計數(shù)器； 74LS390、CD4018(MC14018 )為雙十進(jìn)制計數(shù)器。 可程序設(shè)計師計數(shù)器IC示例：英特爾8253/8254等。 顯視器LED、LCD、熒光(VFD )等。 顯示電路：包括鎖存器、解查詢密碼器、驅(qū)動電路。 例如74LS47、CD4511等。 專用計數(shù)和顯示針織面料電路：例如ICM7216D。 4 )時間軸發(fā)生電路、功能：發(fā)生頻率修正測量時的“男同性戀控制信號”(多級男同性戀時間選項)和時