1、第五章 時頻測量,本章要點：,時間的原始基準,電子計數器測頻方法及誤差分析,電子計數器測周方法及誤差分析,時間間隔的測量,調制域分析,5.1 頻率與時間的原始基準,5.1.1 時頻關系,“周期”是指同一事件重復出現的時間， 如T。,“頻率”是單位時間（1秒）內周期性事 件重復的次數，單位是赫茲Hz。,電子表走時是否準確取決于 石英晶體作振蕩器.設石英晶 體振蕩器日頻率穩(wěn)定度為10-6,則日誤差：,5.1.2 時頻基準,時間的單位是秒。隨著科學技術的發(fā)展，“秒”的定義曾作過三 次重大的修改：,1.世界時秒（UT）,由天文觀測得到的，以地球自轉周期為標準而測定的時間稱為 世界時（UT）。定義地球自

2、轉周期的 186400作為世界時的 1s，零類世界時（UT0），其準確度在10-6量級。,校正后的世界時稱為第二類世界時（UT2）,其準確度在310-8 量級。,歷書時秒(ET)是以地球繞太陽公轉定義的時間， 作為時間單位提高到十億分之一秒，即110-9量級。 世界時秒是與年、月、日、時、分、秒相關聯(lián)的，屬年歷計時。,從宏觀世界轉向微觀世界，利用原子能級躍遷頻率作為計時標 準。1967年10月第13屆國際計量大會正式通過了秒的定義： “秒”是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細結構能級F=4，mF=0 和F=3，mF=0之間躍遷頻率相應的射線束持續(xù)9192631770 個周期的時間”,2.原子時秒（

3、AT）,為原子時秒(記作AT)。并自1972年1月1日零時起，時間單位秒 由天文秒改為原子秒。這樣，時間標準改為由頻率標準來定義，,其準確度可達510-14，是所有其它物理量標準遠遠不及的。,3.協(xié)調世界時秒（UTC）,世界時和原子時之間互有聯(lián)系，可以精確運算，但不能彼此取 代，各有各的用處。,原子時只能提供準確的時間間隔，而世界時考慮了時刻（年 月日時分秒）和時間間隔。,協(xié)調世界時秒（UTC）是原子時和世界時折衷的產物，即用閏 秒的方法來對天文時進行修正。這樣，國際上則可采用協(xié)調世 界時來發(fā)送時間標準，既擺脫了天文定義，又使準確度可提高 45個數量級?，F在各國標準時發(fā)播臺所發(fā)送的就是世界協(xié)

4、調時UTC，其準確度優(yōu)于210-11。我國的中國計量科學院、 陜西天文臺、上海天文臺都建立了地方原子時，參加了國際原 子時（TAI）200多臺原子鐘聯(lián)網進行加權平均修正，作為我國 時間標準由中央人民廣播電臺發(fā)布。,7年來首次閏秒2005年底實施 2005年7月4日，國際地球自轉服務組織（IERS）發(fā)布C公報，協(xié)調世界時（UTC）將在2005年底實施一個正閏秒，即增加1秒。屆時，所有的時鐘將撥慢1秒。具體實施步驟如下： UTC協(xié)調世界時： 23時59分59秒（2005年12月31日） 23時59分60秒（2005年12月31日） 00時00分00秒（2006年1月1日） 相應地，北京時間： 7時

5、59分59秒（2006年1月1日） 7時59分60秒（2006年1月1日） 8時00分00秒（2006年1月1日） 世界時是基于地球自轉的一種時間計量系統(tǒng)，原子時是基于原子物理技術的一種更加均勻的時間系統(tǒng)。由于兩種時間尺度速率上的差異，一般來說12年會差1秒。我們日常生活所用的時間是協(xié)調世界時（UTC），它是一種折衷的時間尺度，用原子時的速率，而在時刻上逼近世界時，所用方法就是“閏秒”，也就是協(xié)調世界時和世界時之差即將超過0.9秒時，就對協(xié)調世界時作一整秒的調整。,由于地球自轉變慢，而引起到2005年底協(xié)調世界時和世界時之差即將越限，因此，國際地球自轉服務組織宣布此次閏秒。 上一次閏秒發(fā)生在7

6、年之前的1999年1月1日。國家授時中心在時間頻率公報中提前數月向全國時間用戶通知了這一消息。我們日常所用的北京時間既不是原子時（TAI），也不是世界時(UT1)，而是協(xié)調世界時(UTC)。相對于以地球自轉為基礎的世界時來說，原子時是均勻的計量系統(tǒng)，這對于測量時間間隔非常重要，但世界時時刻反映了地球在空間的位置，這也是需要的。為兼顧這兩種需要，引入了協(xié)調世界時（UTC）系統(tǒng)。UTC在本質上還是一種原子時，因為它的秒長規(guī)定要和原子時秒長相等，只是在時刻上，通過人工干預，盡量靠近世界時。 協(xié)調世界時（UTC）盡量靠近世界時(UT1)的意思是：必要時對協(xié)調世界時作一整秒的調整（增加1秒或去掉1秒），

7、使UTC和UT1的時刻之差保持在0.9秒以內。這一技術措施就稱為閏秒（或跳秒），增加1秒稱為正閏秒（或正跳秒）；去掉1秒稱為負閏秒（或負跳秒）。是否閏秒，由國際地球自轉服務組織（英文縮寫為IERS）決定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正閏秒，則在閏秒當天的23時59分59秒后插入1秒，插入后的時序是：58秒，59秒，60秒，0秒，這表示地球自轉慢了，這一天不是86400秒，而是86401秒；如果是負閏秒，則把閏秒當天23時59分中的第59秒去掉，去掉后的時序是：57秒，58秒，0秒，這一天是86399秒。最近的一次跳秒日是1999年1月1日

8、。國家授時中心（陜西天文臺）在1998年11月的時間頻率公報中通知了這一消息，使BPM、BPL時號用戶周知。國際地球自轉服務組織（IERS）如通知跳秒，該通知至少要提前8周發(fā)出。,Jobs 關于時間的哲學,Your time is limited, so dont waste it living someone elses life. Dont be trapped by dogma - which is living with the results of other peoples thinking. Dont let the noise of others opinions drown

9、out your own inner voice. And most important, have the courage to follow your heart and intuition. They somehow already know what you truly want to become. Everything else is secondary. 你的時間是有限的，不要浪費在重復別人的生活上。不要被教條束縛，那意味著會和別人思考的結果一塊兒生活。不要被其他人的喧囂觀點掩蓋自己內心真正的聲音。你的直覺和內心知道你想要變成什么樣子。所有其他東西都是次要的。,5.1.3 頻率測

10、量方法,5.2 電子計數法測量頻率,5.2.1. 電子計數法測頻原理,1.基本原理,根據頻率的定義，若某一信號在T秒時間內重復變化了N次，則 該信號的頻率為：,（5-1）,門電路復習：,同理“或”門、與非、或非門等也有類似功能。,由圖可見：,因此,實現了測頻原理：“定時計數”,實質：比較法,重點掌握,2組成框圖,下圖是計數式頻率計測頻的框圖。它主要由下列四部分組成。,1)輸入單元,由放大整形電路和主門電路組成。,被測輸入周期信號（頻率為fx， 周期為Tx）經放大、整形、微分 得周期Tx的窄脈沖，送主門的一 個輸入端。,2)時基（T）電路,兩個特點：,(1)標準性 閘門時間準確度應比被測頻率高一

11、數量級以上，故 通常晶振頻率穩(wěn)定度要求達10-610-10。（恒溫糟）,(2)多值性 閘門時間T不一定為1秒，應讓用戶根據測頻精度和 速度的不同要求自由選擇。例如（教材p191,圖4-3）,1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。,門控（雙穩(wěn)）電路：,3)計數顯示電路,這部分電路的作用，簡單地說，就是 計數被測周期信號重復的次數，顯示 被測信號的頻率。它一般由計數電路、 邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。,4)控制電路,控制電路的作用是產生各種控制信號， 去控制各電路單元的工作，使整機按 一定的工作程序完成自動測量的任務。 在控制

12、電路的統(tǒng)一指揮下，電子計數 器的工作按照“復零一測量顯示”的 程序自動地進行，其工作流程如圖4.6 所示。,請注意：測頻模式顯示結果的有效數字末位的意義，它表示了頻率測量的分辨力。 例如：閘門時間Ts=1s，若計數值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門時間Ts=0.1s，則計數值N=1000，則顯示的fx為“10.00”kHz。,5.2.2. 測頻模式誤差分析,由第二章誤差傳遞公式（2-28，教材p46）,可對式,求得,計數誤差,時基誤差,公式推導過程：,1.量化誤差計數誤差、1誤差,在測頻時，主門的開啟時刻與計數脈沖之間的時間關系是不相 關的，即

13、是說它們在時間軸上的相對位置是隨機的。這樣，既 便在相同的主門開啟時間T，計數器所計得的數卻不一定相同。 可能多1個或少1個的1誤差，這是頻率量化時帶來的誤差故 稱量化誤差，又稱脈沖計數誤差或1誤差。,黑門進8個脈沖,紅門進7個脈沖,教材p194,2.閘門時間誤差（時基誤差、標準時間誤差）,閘門時間不準，造成主門啟閉時間或長或短，顯然要產生測 頻誤差。閘門信號T是由晶振信號分頻而得。設晶振頻率為fc （周期為Tc），則有,=110-7110-10,為了使標準頻率誤差不對測量結果產生影響，振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定度應比1誤差引起的測頻誤差低一個數量級,5.2.3. 結論,1.計數器直接測頻的誤差 主

14、要有兩項,即1誤差和標準頻率誤 差一般總誤差可采用分項 誤差絕對值合成，即,（4-5）,2.測量低頻時，由于1誤 差產生的測頻誤差大得驚人,例如，fx= 10Hz，T=1s，則由1誤差引起的測頻誤差可達10， 所以，測量低頻時不宜采用直接測頻方法。,5.3 電子計數法測周,5.3.1.電子計數法測量周期的必要性 如前所述，當被測頻率fx較低時，利用計數器直接測頻的1誤差所引起的測頻誤差將會達到不可允許的程度。所以可以先測周期Tx，然后計算fx=1/Tx。 測量原理是以Tx（被測信號）作為門控信號對時標信號（晶振分頻）進行計數，基本原理與測頻模式正好相反，本質也是比較法。 因為fx越低，Tx越大

15、，計數器計得的數N越大， 1誤差對測量結果的影響自然減小。,5.3 電子計數法測周,5.3.2.電子計數法測量周期的原理 （參見p158圖5-3),由右圖可得,5.3.3. 電子計數器測量周期的誤差分析,1.量化誤差和基準頻率誤差,與分析電子計數器測頻時的誤差類似，這里,，根據,誤差傳遞公式可得,根據圖5-3所示的測周原理，可得,，而N=1,多周期測量,2.觸發(fā)轉換誤差,測周時，還有一項觸發(fā)轉換誤差必須考慮。下圖給出了一 個簡單的情況，即干擾為一尖峰脈沖Un，UB為施密特電路觸 發(fā)電平?？梢?，施密特電路將提前在,觸發(fā)，于是形成的方,波周期為,，即產生,的誤差，稱“轉換誤差”(或觸發(fā)誤差)。,從

16、圖可得,式中Un干擾或噪聲幅度。,設被測信號為正弦波,將上式代入，實際上,，得,式中 Um信號振幅。,同樣，在正弦信號下一個上升沿上(圖中A2點附近)也可能存在 于擾，即也可能產生,觸發(fā)誤差,由于干擾或噪聲都是隨機的，所以,和,都屬于隨機誤差，,我們可按,來合成，于是可得,（5-5b）,多周期測量,進一步分析可知，多周期測量可以減小轉換誤差和 1誤差。 我們可以利用下圖,來說明，圖中取周期倍增系數10為例，即測10個周期。從圖 可見，兩相鄰周期由于轉換誤差所產生的,比如，第一個周期T1x終了，這樣10個周期引起的總誤差與 測個周期產生的誤差一樣，經除10，得一個周期的誤差為,是互相抵消的，,，

17、可見減小了10倍。,此外，由于周期倍增后計數器計得的數也增加到10n倍，這樣， 由1誤差所引起的測量誤差也可減小,倍。圖4-7中的10Tx,和100Tx兩曲線說明這個結果。,結論,1)用計數器直接測周的誤差主要有三項，即量化誤差、轉換誤 差以及標準頻率誤差。其合成誤差可按下式計算（將上式中 k換成,）：,（5-6b）,2)采用多周期測量可提高測量準確度；,3)提高標準頻率，可以提高測周分辨力；,4)測量過程中盡可能提高信噪比VmVn。,5.3.4 中界頻率（補充內容）,研究量化誤差（1誤差）對測頻和測周的影響。,測頻、測周量化誤差相等的頻率稱為中界頻率。,將（4-5）和（4-7）式中,量化誤差

18、表達式聯(lián)立可得,式中，,為中界頻率，,為標準頻率，T為閘門時間。,圖4.14中給出了不同閘門時間：0.1s、1s、10s和不同標準頻 率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線?，F以 T=1s，,=100MHz為例，可查知,=10kHz。,因此，當,宜測頻；,當,，宜測周。,5.4 時間間隔的測量（通用計數器的其他功能）,1.基本原理,觸發(fā)電平、觸發(fā)極性可調,2.相位測量,相位差的測量，見圖4.16。,則,對應的相位可以計得,測相位要求兩信號：同頻 同幅,3.脈沖時間參數測量,5.5 電子計數器性能的改進,電子計數器性能改進的主要內容是如何減小測量誤差，尤其是 量化誤差；如

19、何提高測時間的分辨力；如何提高測頻的頻率范 圍，以至可測量更高波段的頻率。,1.采用觸發(fā)窗可以避免較小噪聲波動的誤觸發(fā),一、采用觸發(fā)窗,2.觸發(fā)窗的選擇應避開噪聲和毛刺,二、 減小計數誤差的電路改進措施,在直接計數器中，為了提高測時分辨力和精度，就必須提高基 準時鐘頻率，但是，鐘頻的提高意味著計數速度的提高，即使 采用1GHz鐘頻，測時分辨力也只能達到1ns。因此，必須用 其它方法來提高測時分辨力。,1 內插法擴展法,用內插法測時間的原理，如圖5-15所示。為了測量時間間隔,計數器實際測量的是,和,等三個參數，其中,起始脈沖后的第一個鐘脈沖與終止脈沖后的第一個,鐘脈沖之間的時間間隔；,起始脈沖

20、與第一個鐘脈沖之間的時間間隔；,一終止脈沖與緊接著到來的鐘脈沖之間的時間間隔。,由圖4.23可知，被測時間間隔,為,例如，擴展器控制的開門時間為 的1000倍(k取999)，即：999 1000 在T1時間內對時標 計數得N1，則 類似地： 999 1000 在T2時間內對時標 計數得N2，則 于是： 內插后測量分辨力提高了1000倍。,的測量與普通計數器相同，即累計該時間間隔內出現 的鐘脈沖數。兩個“零頭”時間,和,采用內插法來測量，,即先用兩個內插器將,和,分別擴展1000倍，然后再在,擴展后的時間間隔內，對同一鐘脈沖進行計數，故被測時間 間隔,為 （按權相加）,（5-13）,模擬內插：T

21、-T：時間放大器,2.游標法計數器數字內插技術,物理思想： 機械游標卡尺,數顯游標卡尺,游標法目的是減小計數誤差。,在閘門開啟后立即開啟游標計數脈沖，其周期略大于主計數脈沖周期。兩個脈沖之間間隔逐漸縮小，直至重合。,三、倒數計數器(p178直接顯示低頻頻率的電路),5.6 調制域分析,5.6.1 調制域測量 1）調制域測量 2）調制域測量的意義 5.6.2 時頻測量原理 1）瞬時頻率測量原理 2）無間隔計數器的實現 3）調制域分析的應用 4）發(fā)展動態(tài),5.6.1 調制域測量,1）調制域測量 時域與頻域分析的局限性 一個實際的信號可以從時域和頻域進行描述和分析，時域分析可以了解信號波形（幅值）隨

22、時間的直觀變化；頻域分析則可以了解信號中所含頻譜分量，但是，卻不能把握各頻譜分量在何時出現。 調制域概念 在通信等領域中，各種復雜的調制信號越來越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號頻率隨時間的變化，以便對調制信號等進行有效分析即調制域分析。 調制域即指由頻率軸(F)和時間軸(T)共同構成的平面域。,“調制域”是八十年代末提出的新概念。,調制域為人們觀測信號提供了一個新的窗口,一些在時域和頻 域無法觀察到的現象。,5.6.1 調制域測量,2）調制域測量的意義 調制域描繪出了頻率、時間間隔或相位等隨時間的變化曲線。 方便地表達出頻域和時域中難以描述的信號參數和信號特性。為人們對復雜信號的測試和

23、分析提供了方便直觀的方法，解決了一些難以用傳統(tǒng)方法或不可能用傳統(tǒng)方法解決的難題。,5.6.2 時頻測量原理,1）調制域分析儀工作原理（瞬時測頻）,注意：實際采樣點只是近似于預置值,2）無間隙計數器（零死區(qū)時間）的實現,調制域分析主要是研究頻率隨時間變化情況,因此其關鍵的技 術是要實現動態(tài)連續(xù)地測量頻率。而通用電子計數器：,5.6.2 時頻測量原理,2）無間隙計數器（零死區(qū)時間）的實現 無間隙計數器 通用計數器的頻率測量，其前后兩次閘門之間必然存在一段間隙時間（顯示、存儲、下一次測量準備），使有用信息被丟失，導致時間軸上的不連續(xù)性。為此，就要使用無間隙計數器方案。 實現原理 使用兩組計數器交替工作，每一組都包括時間計數器（對時標T0）和事件計數器。當一組計數器工作時，另一組計數器進行數據的顯示等工作。 如此往復交替，完成時間軸上無間隙的測量。,5.6.2 時頻測量原理,零死區(qū)計數器工作原理波形