1、4.1.1 時(shí)間、頻率的基本概念,1）時(shí)間和頻率的定義 時(shí)間有兩個(gè)含義： “時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生； “時(shí)間間隔”：即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久。 頻率的定義：周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次，則頻率可表達(dá)為： fN/T 時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。,4.1概述,2) 時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn),最常見和最重要的測(cè)量 時(shí)間是7個(gè)基本國(guó)際單位之一，時(shí)間、頻率是極為重要的物理量，在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等民用和軍事方面都存在時(shí)頻測(cè)量。 測(cè)量準(zhǔn)確度高 時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（可達(dá)10-14），校準(zhǔn)（比對(duì)

2、）方便，因而數(shù)字化時(shí)頻測(cè)量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測(cè)量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測(cè)量。 自動(dòng)化程度高 測(cè)量速度快,3）測(cè)量方法概述,頻率的測(cè)量方法可以分為：,各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。 各種測(cè)量方法有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。 數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。,4.1.2 電子計(jì)數(shù)器概述,一、電子計(jì)數(shù)器的分類 按功能可以分為如下四類： （1）通用計(jì)數(shù)器：可測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。其測(cè)量功能可擴(kuò)展。 （2）頻率計(jì)數(shù)器：其功能限于測(cè)頻和計(jì)數(shù)。但測(cè)頻范圍往往很寬。 （3）時(shí)間計(jì)數(shù)器：以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)，可測(cè)量周期、脈沖參

3、數(shù)等，其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高。 （4）特種計(jì)數(shù)器:具有特殊功能的計(jì)數(shù)器。包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測(cè)控。,二、主要技術(shù)指標(biāo),（1）測(cè)量范圍：毫赫幾十GHz。 （2）準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。 （3）晶振頻率及穩(wěn)定度：晶體振蕩器是電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求高于所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)數(shù)量級(jí)（10倍）。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達(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)）、靈敏度（10100mV）、輸入阻抗（50 低阻和1M /25pF高阻）等。 （5）閘門時(shí)間(測(cè)

4、頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。 （6）時(shí)標(biāo)(測(cè)周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。 （7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。,三、電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展,測(cè)量方法的不斷發(fā)展：模擬數(shù)字技術(shù)智能化。 測(cè)量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要指標(biāo)，電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個(gè)指標(biāo)的不斷提高及功能的擴(kuò)展和完善。 例子： 通道：兩個(gè)225MHz通道，也可 選擇第三個(gè)12.4GHz通道。 每秒12位的頻率分辨率、150ps的時(shí)間間隔分辨率。 測(cè)量功能：包括頻率、頻率比、時(shí)間間隔、上升時(shí)間、下降時(shí)間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時(shí)間間隔平均和時(shí)間間隔延遲。

5、 處理功能：平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。,4.2.1 時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn),1）天文時(shí)標(biāo) 原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性。 頻率和時(shí)間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性。 宏觀標(biāo)準(zhǔn)和微觀標(biāo)準(zhǔn) 宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測(cè)； 微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確。 世界時(shí)（UT,Universal Time）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(246060)=1/86400為1秒。其誤差約為107量級(jí)。,4.2 時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn),1）天文時(shí)標(biāo),為世界時(shí)確定時(shí)間觀測(cè)的參考點(diǎn)，得到 平太陽(yáng)時(shí)：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽(yáng)作為基本參考點(diǎn)。 零類世界時(shí)（UT0 ）：以平太陽(yáng)的子夜0時(shí)為參考。

6、第一類世界時(shí)（UT1）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。 第二類世界時(shí)（UT2）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準(zhǔn)確度為3108 。 歷書時(shí)（ET）：以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31 556 925.9747分之一為1秒。參考點(diǎn)為1900年1月1日0時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1109 。于1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)。,2）原子時(shí)標(biāo), 基于天文觀測(cè)的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試計(jì)量中的不足 設(shè)備龐大、操作麻煩； 觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)； 準(zhǔn)確度有限。 原子時(shí)標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ) 原子（分子）在能級(jí)躍遷中將吸收(低能級(jí)到高能級(jí))或輻射

7、（高能級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。 hfn-m=En-Em 式中，h=6.625210-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個(gè)能級(jí)，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。,原子時(shí)標(biāo)的定義 1967年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。 1972年起實(shí)行，為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了4-5個(gè)量級(jí)，達(dá)510-14(相當(dāng)于62萬(wàn)年1秒)，并仍在提高。,4.2.2 石英晶體振蕩器,電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器

8、（簡(jiǎn)稱“晶振”）為基準(zhǔn)信號(hào)源。 基于壓電效應(yīng)產(chǎn)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(diǎn)，在拐點(diǎn)處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。 采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施（恒定在拐點(diǎn)處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。 下圖為恒溫晶振的組成。,1）組成,2）指標(biāo),晶體振蕩器的主要指標(biāo)有: 輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動(dòng):210-10；日老化:110-10；秒穩(wěn):510-12。 輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50)。 幾種不同類型的晶體振蕩器指標(biāo),4.3.1 模擬測(cè)量原理,1 直接法 直接法是利用電路的某種頻率響應(yīng)特性

9、來(lái)測(cè)量頻率值，其又可細(xì)分為諧振法和電橋法兩種。 （1）諧振法：調(diào)節(jié)可變電容器C使回路發(fā)生諧振，此時(shí)回路電流達(dá)到最大(高頻電壓表指示)，則 可測(cè)量1500MHz以下的頻率，準(zhǔn)確度(0.251)%。,4.3 時(shí)間和頻率的測(cè)量原理,( 2）電橋法：利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量,通常采用如下圖所示的文氏電橋來(lái)進(jìn)行測(cè)量。調(diào)節(jié)R1、R2使電橋達(dá)到平衡，則有,I,f,令平衡條件表達(dá)式兩端實(shí)虛部分別相等，得到： 和 于是，被測(cè)信號(hào)頻率為： 通常取R1=R2=R, C1=C2=C，則 測(cè)量準(zhǔn)確度：受橋路中各元件的精確度、判斷電橋平衡的準(zhǔn)確程度（取決于橋路諧振特性的尖銳度即指示器的靈敏度）和被

10、測(cè)信號(hào)的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，一般約為(0.51)%。,2 比較法,基本原理 利用標(biāo)準(zhǔn)頻率fs和被測(cè)量頻率fx進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率。有拍頻法、外差法、示波法以及計(jì)數(shù)法等。 數(shù)學(xué)模型為： 拍頻法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率疊加，由指示器（耳機(jī)或電壓表）指示。適于音頻測(cè)量（很少用）。 外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率混頻，取出差頻并測(cè)量?？蓽y(cè)量范圍達(dá)幾十MHz（外差式頻率計(jì)）。 示波法：李沙育圖形法：將fx和fs分別接到示波器Y軸和X軸（X-Y圖示方式），當(dāng)fxfs時(shí)顯示為斜線（橢圓或園）；測(cè)周期法：直接根據(jù)顯示波形由X通道掃描速率得到周期，進(jìn)而得到頻率。,4.3.2 數(shù)字測(cè)量原理,1）門控計(jì)數(shù)法測(cè)量原

11、理 時(shí)間、頻率量的特點(diǎn) 頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的，因此，對(duì)頻率量的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。 為實(shí)現(xiàn)時(shí)間（這里指時(shí)間間隔）的數(shù)字化測(cè)量，需將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位（稱為時(shí)標(biāo)）進(jìn)行量化，通過(guò)累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)（計(jì)數(shù)）得到。 測(cè)量原理 將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)（頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào)，時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)），由一個(gè)“閘門”（主門）控制，并由一個(gè)“門控”信號(hào)控制閘門的開啟（計(jì)數(shù)允許）與關(guān)閉（計(jì)數(shù)停止）。,閘門可由一個(gè)與（或“或”）邏輯門電路實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法稱為門控計(jì)數(shù)法。其原理如下圖所示。 上圖為由“與”

12、邏輯門作為閘門，其門控信號(hào)為1時(shí)閘門開啟（允許計(jì)數(shù)），為0時(shí)閘門關(guān)閉（停止計(jì)數(shù)）。 測(cè)頻時(shí)，閘門開啟時(shí)間（稱為“閘門時(shí)間”）即為采樣時(shí)間。 測(cè)時(shí)間（間隔）時(shí)，閘門開啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。,2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成,通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示：,通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分 輸入通道：通常有A、B、C多個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。 主門電路：完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。 計(jì)數(shù)與顯示電路：計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路，完成脈沖計(jì)數(shù)；顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果（反映測(cè)量結(jié)果）以數(shù)字方式顯

13、示出來(lái)。 時(shí)基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn)，即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。 控制電路：控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作，即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。,1）A、B輸入通道,作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)（包括出發(fā)電平調(diào)節(jié)）等單元電路構(gòu)成。其作用是對(duì)輸入信號(hào)處理以產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器（外插件）還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。 斯密特觸發(fā)電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對(duì)輸入信號(hào)具有較好的抗干擾作用。,4.4.1 電子計(jì)數(shù)器的組成,4.4 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能,2）主門電路,功能：主門也稱為閘門，通過(guò)“門控信號(hào)”控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖，使計(jì)數(shù)器只對(duì)預(yù)定的“閘門

14、時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)。 電路：由“與門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖： 由“與門”構(gòu)成的主門，其“門控信號(hào)”為1時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)；由“或門”構(gòu)成的主門，其“門控信號(hào)”為0時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)。 “門控信號(hào)”還可手動(dòng)操作得到，如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。,3）計(jì)數(shù)與顯示電路,功能：計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)值代表了被測(cè)頻率或時(shí)間），并通過(guò)數(shù)碼顯示器將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。 為了便于觀察和讀數(shù)，通常使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。 計(jì)數(shù)電路的重要指標(biāo)：最高計(jì)數(shù)頻率。 計(jì)數(shù)電路一般由多級(jí)雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間限制，使計(jì)數(shù)電路存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。而且對(duì)多位計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率主要由個(gè)位

15、計(jì)數(shù)器決定。 不同電路具有不同的工作速度：如74LS（74HC）系列為3040MHz；74S系列為100MHz；CMOS電路約5MHz；ECL電路可達(dá)600MHz。,類型：?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器 單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS90（MC11C90）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 可編程計(jì)數(shù)器IC如：Intel8253/8254等。 顯示器 LED、LCD 、熒光（VFD）等。 顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。 如74LS47、CD4511等。 專用計(jì)數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。,4）時(shí)基產(chǎn)生電路,功能：產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控信號(hào)”（

16、多檔閘門時(shí)間可選）及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)（多檔可選）。 實(shí)現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到。再通過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號(hào)”。 如，若fc=1MHz,經(jīng) 106分頻后，可得到 fs=1Hz(周期Ts=1s) 的時(shí)基信號(hào)，經(jīng)過(guò) 門控雙穩(wěn)態(tài)電路得 到寬度為Ts=1s的 門控信號(hào)。,要求： 標(biāo)準(zhǔn)性： “門控信號(hào)”和“時(shí)標(biāo)”作為計(jì)數(shù)器頻率和時(shí)間測(cè)量的本地工作基準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。 多值性：為了適應(yīng)計(jì)數(shù)器較寬的測(cè)量范圍，要求“閘門時(shí)間”和“時(shí)標(biāo)”可多檔選擇。 常用“閘門時(shí)間”有：1ms、10ms、100ms、1s、10s。 常用的“時(shí)標(biāo)”有：10ns、100ns

17、、1us、10us、100us、1ms。,5）控制電路,功能：產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按“復(fù)零測(cè)量顯示”的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。如下圖所示：,4.4.2 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能,1）頻率測(cè)量 原理：計(jì)數(shù)器嚴(yán)格按照 的定義實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。 根據(jù)上式的頻率定義，T為采樣時(shí)間，N為T內(nèi)的周期數(shù)。采樣時(shí)間T預(yù)先由閘門時(shí)間Ts確定（時(shí)基頻率為fs）。則 或 該式表明，在數(shù)字化頻率測(cè)量中，可用計(jì)數(shù)值N表示fx。它體現(xiàn)了數(shù)字化頻率測(cè)量的比較法測(cè)量原理。 例如：閘門時(shí)間Ts=1s，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門時(shí)間Ts=

18、0.1s，則計(jì)數(shù)值N=1000，則顯示的fx為 “10.00”kHz。 請(qǐng)注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了頻率測(cè)量的分辨力（應(yīng)等于時(shí)基頻率fs ）。,頻率測(cè)量原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基） 為便于測(cè)量和顯示，計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，多檔閘門時(shí)間設(shè)定為10的冪次方，這樣可直接顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，并通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，就可得到被測(cè)頻率。 測(cè)量速度與分辨力：閘門時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，Ts愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值N愈大，分辨力愈高。,2）頻率比的測(cè)量 原理：實(shí)際上，前述頻率測(cè)量的比較測(cè)量原理就是一種頻率比的測(cè)量：fx對(duì)fs的頻率比。 據(jù)此，若要測(cè)量fA

19、對(duì)fB的頻率比（假設(shè)fAfB），只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可。 方法： fA對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。,注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。 提高頻率比的測(cè)量精度：擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。 例如：以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門信號(hào)，則計(jì)數(shù)值為： ,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍，相應(yīng)的測(cè)量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果，需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍（小數(shù)點(diǎn)左移1位），即 應(yīng)用：可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。,3）周期的測(cè)量 原理：“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”周期測(cè)量。 對(duì)被測(cè)周期Tx，用已知的較小單位時(shí)間刻度T0（“時(shí)標(biāo)”）去量化，由Tx所包含的

20、“時(shí)標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。即 該式表明，“時(shí)標(biāo)”的計(jì)數(shù)值N可表示周期Tx。也體現(xiàn)了時(shí)間間隔（周期）的比較測(cè)量原理。 實(shí)現(xiàn)：由Tx得到閘門；在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。 Tx由B通道輸入，內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)由A通道輸入（A通道外部輸入斷開）。,原理框圖： 例如：時(shí)標(biāo)T0=1us，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的Tx為“10000”us，或“10.000”ms。如時(shí)標(biāo)T0=10us，則計(jì)數(shù)值N=1000，顯示的Tx為 “10.00”ms。 請(qǐng)注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位表示了周期測(cè)量的分辨力（應(yīng)等于時(shí)標(biāo)T0 ）。為便于顯示，多檔時(shí)標(biāo)設(shè)定為10的冪次方。 測(cè)量速度與分辨力：一次測(cè)量時(shí)間即為一個(gè)周期Tx，Tx

21、愈大(頻率愈低)則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)；計(jì)數(shù)值N與時(shí)標(biāo)有關(guān)，時(shí)標(biāo)愈小分辨力愈高。,4）時(shí)間間隔的測(cè)量 時(shí)間間隔：指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間段。在測(cè)量技術(shù)中，兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)通常由兩個(gè)事件確定。如，一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)同相位點(diǎn)（如過(guò)零點(diǎn)）所確定的時(shí)間間隔即為周期。 兩個(gè)事件的例子及測(cè)量參數(shù)還有： 同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間脈沖信號(hào)參數(shù)； 兩個(gè)信號(hào)波形上，兩點(diǎn)之間相位差的測(cè)量； 手動(dòng)觸發(fā)定時(shí)、累加計(jì)數(shù)。 測(cè)量方法：由兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終止信號(hào)，經(jīng)過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門控信號(hào)”，門控時(shí)間即為被測(cè)的時(shí)間間隔。在門控時(shí)間內(nèi)，仍采用“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)”方法測(cè)量（即所測(cè)時(shí)間間隔由“時(shí)標(biāo)”量化）。,原理框圖 欲測(cè)量時(shí)間間隔的

22、起始、終止信號(hào)分別由B、C通道輸入。時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。如下圖。, 觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)：為增加測(cè)量的靈活性，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)，以完成各種時(shí)間間隔的測(cè)量。如下圖的脈沖參數(shù)測(cè)量。,相位差的測(cè)量 利用時(shí)間間隔的測(cè)量，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率的信號(hào)之間的相位差。 兩個(gè)信號(hào)分別由B、C通道輸入，并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。 測(cè)量原理如下圖： 為減小測(cè)量誤差，分別取 +、-觸發(fā)極性作兩次測(cè)量， 得到t1、t2再取平均，則,5）自檢（自校） 功能：檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常。 實(shí)現(xiàn)方法：為判斷自檢結(jié)果是否正確，該結(jié)果應(yīng)該在自檢實(shí)施前即是已知的。為此，用機(jī)內(nèi)的時(shí)

23、基Ts（閘門信號(hào)）對(duì)時(shí)標(biāo)T0計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為： 自檢的方框圖： 例如：若選擇Ts=10ms, T0=1us,則自檢顯示應(yīng) 穩(wěn)定在N=10000。 自檢不能檢測(cè)內(nèi)部基準(zhǔn)源。,4.5.1 測(cè)量誤差的來(lái)源,1）量化誤差 量化誤差定義：由前述頻率測(cè)量fx=N/Ts=Nfs和周期測(cè)量Tx=NT0，可見，由于計(jì)數(shù)值N為整數(shù)，fx和Tx必然產(chǎn)生“截?cái)嗾`差”，該誤差即為“量化誤差”。也稱為“1誤差”，它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差。 產(chǎn)生原因：量化誤差并非由于計(jì)數(shù)值N的不準(zhǔn)確（也并非標(biāo)準(zhǔn)頻率源fs或時(shí)標(biāo)T0的不準(zhǔn)確）造成。而是由于閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步引起（亦即開門和關(guān)門時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的

24、時(shí)刻是隨機(jī)的），使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差。 下圖為頻率測(cè)量時(shí)量化誤差的示意圖。,4.5 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差,量化誤差分析,如圖，對(duì)同一被測(cè)信號(hào)，在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)果不同。根據(jù)頻率定義，準(zhǔn)確的fx應(yīng)為 式中， 即， 或 因此，量化誤差的影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值N的“”個(gè)字。 是隨機(jī)的，它們 服從均勻分布，其差值 則服從三角分布。,2）觸發(fā)誤差 觸發(fā)誤差定義：輸入信號(hào)都需經(jīng)過(guò)通道電路放大、整形等，得到脈沖信號(hào)，即輸入信號(hào)(轉(zhuǎn)換為)脈沖信號(hào)。 這種轉(zhuǎn)換要求只對(duì)信號(hào)幅值和波形變換，不能改變其頻率。但是，若輸入被測(cè)信號(hào)疊加有干擾信號(hào)，則信號(hào)的頻率（周期）及

25、相對(duì)閘門信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化。由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為“觸發(fā)誤差”，也稱為“轉(zhuǎn)換誤差”。 如圖，周期為Tx的輸 入信號(hào)，觸發(fā)電平在 A1點(diǎn)，但在A1點(diǎn)上有 干擾信號(hào)(幅度Vn)。 提前觸發(fā),周期TxTx。,3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 機(jī)內(nèi)時(shí)基（閘門時(shí)間）和時(shí)標(biāo)是頻率和時(shí)間間隔測(cè)量的參考基準(zhǔn)，它們由內(nèi)部晶體振蕩器（標(biāo)準(zhǔn)頻率源）分頻或倍頻后產(chǎn)生。因此，其準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響測(cè)量結(jié)果。 通常，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此，內(nèi)部晶振要求較高穩(wěn)定性。若不能滿足測(cè)量要求，還可外接更高準(zhǔn)確度的外部基準(zhǔn)源。,4.5.2 頻率測(cè)量的誤差分析,1）誤差表達(dá)式 由頻率測(cè)量表達(dá)式：fx

26、=N/Ts=Nfs，計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要由兩項(xiàng)組成：即量化誤差（1誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差?？傉`差采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即: 式中， 即為1誤差，其最大值為 ,而 由于fs由晶振(fc)分頻得到，設(shè)fs=fc/k，則 于是，頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式可寫成：,誤差曲線,分析：誤差曲線直觀地表示了測(cè)頻誤差與被測(cè)頻率fx和閘門時(shí)間Ts的關(guān)系。fx愈大則誤差愈小，閘門時(shí)間愈大誤差也愈小，并且，測(cè)頻誤差以標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為極限。,2）量化誤差的影響 從頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式： 可知，量化誤差為 它是頻率測(cè)量的主要誤差（標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般可忽略）。 為減小量化誤差，需增大計(jì)數(shù)值N：增大閘門時(shí)間Ts或在相同的閘門時(shí)間

27、內(nèi)測(cè)量較高的頻率可得到較大的N。 但需注意：增大閘門時(shí)間將降低測(cè)量速度，并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無(wú)法顯示）。 例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999，當(dāng)用Ts=10s的閘門測(cè)量fx=1MHz時(shí),應(yīng)顯示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz ,顯然溢出。,3）實(shí)例分析 例被測(cè)頻率fx1MHz，選擇閘門時(shí)間Ts1s，則由1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差(不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)為： 若Ts增加為10s，則計(jì)數(shù)值增加10倍，相應(yīng)的測(cè)頻誤差也降低10倍，為1107，但測(cè)量時(shí)間將延長(zhǎng)10倍。 注意：該例中，當(dāng)選擇閘門時(shí)間Ts1s時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于110

28、7 （即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級(jí)），否則，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測(cè)量誤差中不能忽略。,4.5.3 周期測(cè)量的誤差分析,1）誤差表達(dá)式 由測(cè)周的基本表達(dá)式： 根據(jù)誤差合成公式，可得： 式中， 和 分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。 由 (Tc為晶振周期，k為倍頻或分頻比)， 有： 而計(jì)數(shù)值N為： 所以，,2）量化誤差的影響 由測(cè)周的誤差表達(dá)式： 其中，第一項(xiàng)即為量化誤差。它表示Tx愈大（被測(cè)信號(hào)的頻率愈低），則量化誤差愈小，其意義為Tx愈大則計(jì)入的時(shí)標(biāo)周期數(shù)N愈大。另外，晶振的分頻系數(shù)k愈小，則時(shí)標(biāo)周期愈小，在相同的Tx內(nèi)計(jì)數(shù)值愈大。 此外，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通常也要求小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)，這時(shí)就可

29、作為微小誤差不予考慮。,3）中界頻率 測(cè)頻時(shí)，被測(cè)頻率fx愈低，則量化誤差愈大； 測(cè)周時(shí)，被測(cè)頻率fx愈高，則量化誤差愈大。 可見，在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率fm， 當(dāng)fxfm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)fxfm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)周方案。 中界頻率fm的確定 量化誤差取決于計(jì)數(shù)值N，測(cè)頻時(shí) ; 測(cè)周時(shí) 。 令兩式相等，并用Tm表示Tx： 于是，有： 或 例：若Ts=1s,T0=1us，則fm=1kHz,在該頻率上,測(cè)頻與測(cè)周的量化誤差相等。,4）觸發(fā)誤差 頻率測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 尖峰脈沖的干擾 如圖，尖峰脈沖只 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變， 對(duì)測(cè)頻影響不大。 高頻疊加干擾 如圖，產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。 措施 增大觸發(fā)

30、窗或減小信號(hào)幅度； 輸入濾波。,周期測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 尖峰脈沖 周期測(cè)量時(shí)，尖峰脈沖的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。如圖，測(cè)量誤差為： 分析 設(shè)輸入為正弦波： ,干擾幅度為Vn。 對(duì)觸發(fā)點(diǎn)A1作切線ab，其斜率為 則， 可見， 愈大，即 觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。,進(jìn)一步推導(dǎo)觸發(fā)點(diǎn)的斜率，如下： 實(shí)際中，對(duì)正弦輸入信號(hào)，常選擇過(guò)零點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)（具有最陡峭的斜率），則觸發(fā)點(diǎn)電壓：VB=0。 于是，有： 若考慮在一個(gè)周期開始和結(jié)束時(shí)可能都存在觸發(fā)誤差，分別用 表示，并按隨機(jī)誤差的均方根合成，得到： 結(jié)論：測(cè)周時(shí)為減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比。,1 多周期同步測(cè)量技術(shù) 2 模擬內(nèi)插法 1）內(nèi)插法原理；

31、 2）時(shí)間擴(kuò)展電路 3 游標(biāo)法 4 平均法,4.6 高分辨時(shí)間和頻率測(cè)量技術(shù),4.6.1 多周期同步測(cè)量技術(shù),意義：如前述，對(duì)低頻信號(hào)，為減小量化誤差，宜采用測(cè)周方案。但測(cè)周時(shí)不能直接得到頻率值的顯示結(jié)果，為得到頻率值顯示，硬件上采用了一種特殊設(shè)計(jì)即倒數(shù)計(jì)數(shù)器。 原理：采樣多周期同步測(cè)量的原理，即測(cè)量輸入信號(hào)的多個(gè)（整數(shù)個(gè)）周期值，再進(jìn)行倒數(shù)運(yùn)算求得頻率。原理圖見166頁(yè)圖4-23.,A、B計(jì)數(shù)器在同一個(gè)閘門時(shí)間T內(nèi)分別對(duì)fx和f0進(jìn)行計(jì)數(shù)。有 NA =fxT NB =f0T NA /fx= NB /f0 = T 故 fx= （NA / NB ）f0 誤差分析：由于同步電路存在，開門信號(hào)與被測(cè)

32、信號(hào)同步，且為被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，所以NA無(wú)1誤差，NB存在1誤差，但一般NB較大，1/ NB較小。,4.6.2 模擬內(nèi)插法,一般時(shí)間間隔測(cè)量的局限性： 為減小量化誤差，需減小時(shí)標(biāo)以增大計(jì)數(shù)值，但時(shí)標(biāo)的減小受時(shí)基電路和計(jì)數(shù)器最高工作頻率限制，而計(jì)數(shù)器也有最大計(jì)數(shù)容量的限制（最大計(jì)數(shù)值）。 內(nèi)插法對(duì)已存在的量化誤差，測(cè)量出量化單位以下的尾數(shù)(零頭時(shí)間)。如下圖所示， 則準(zhǔn)確的Tx為： Tx=T0+T1-T2 為實(shí)現(xiàn)T1-T2的測(cè)量， 有模擬和數(shù)字兩種方法。,一、模擬內(nèi)插法原理 由于T1和T2均很小（小于時(shí)標(biāo)），采用普通的“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”難以實(shí)現(xiàn)（需要非常小的時(shí)標(biāo)）。其實(shí)現(xiàn)的基本思路是：對(duì)T1和T2作

33、時(shí)間擴(kuò)展（放大）后測(cè)量。 三次測(cè)量 若T1、T2均擴(kuò)展k倍，采用同一個(gè)時(shí)標(biāo)（設(shè)為 ）分別測(cè)量T0、kT1、kT2，設(shè)計(jì)數(shù)值分別為：N0、N1、N2， 則： 意義：上式由于 不存在量化誤差，總量化誤差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相當(dāng)于用 時(shí)標(biāo)的普通時(shí)間測(cè)量。,二、時(shí)間擴(kuò)展電路 時(shí)間擴(kuò)展電路 如下圖所示：以恒流源I1對(duì)電容器C充電，然后以恒流源I2對(duì)電容器C放電（取K I2 = I1 ），設(shè)充電時(shí)間為T1，由充放電電荷相等可得： 故放電時(shí)間為kT1，即將T1擴(kuò)展了K倍。,同理也可以采取同樣方法對(duì)T2擴(kuò)展K倍。（P167-168）,例如，擴(kuò)展器控制的開門時(shí)間為T1的1000倍,則： 內(nèi)插后測(cè)量

34、分辨力提高了1000倍。 注：內(nèi)插擴(kuò)展技術(shù)可大大提高測(cè)時(shí)分辨力,但測(cè)量前需進(jìn)行校準(zhǔn)。,4.6.3 游標(biāo)法,游標(biāo)法的原理 數(shù)字式游標(biāo)法實(shí)現(xiàn)的原理和游標(biāo)卡尺的原理相似，是利用相差很微小的兩個(gè)量，對(duì)其量化單位以下的差值進(jìn)行多次的疊加，直到疊加的值達(dá)到一個(gè)量化單位為止，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算便可以獲得較精確的差值。 設(shè)主時(shí)鐘頻率F011/T01和游標(biāo)時(shí)鐘F021/T02。F01F02 (T01T02)且F01和F02非常接近。即差值T0=T02T01很小。 如T01=10ns， T02=11ns，則T0=T02T01=1ns。 雙游標(biāo)法的工作原理 如下圖。,如圖，設(shè)開門與關(guān)門時(shí)的兩個(gè)“零頭時(shí)間”為 ,開門后同

35、時(shí)啟動(dòng)主計(jì)數(shù)器和游標(biāo)脈沖1計(jì)數(shù)，由于T02T01，設(shè)經(jīng)過(guò)N1個(gè)計(jì)數(shù)值后,游標(biāo)脈沖與主脈沖重合(圖中符合點(diǎn)1)。此時(shí)： 即：,同樣，在關(guān)門時(shí)(主時(shí)鐘計(jì)數(shù)停止)啟動(dòng)游標(biāo)脈沖2開始計(jì)數(shù)，由于T02T01，設(shè)經(jīng)過(guò)N2個(gè)計(jì)數(shù)值后，游標(biāo)脈沖與主脈沖重合(圖中符合點(diǎn)2)。此時(shí)，有： 由 則，被測(cè)時(shí)間間隔為： 定義擴(kuò)展系數(shù)K， 則游標(biāo)時(shí)鐘周期用K可表示為： 而 于是，被測(cè)時(shí)間間隔可寫成： 可見，數(shù)字游標(biāo)法將測(cè)時(shí)分辨力由T01提高到了T01/K。,游標(biāo)法使用時(shí)要注意幾個(gè)問題（P170）,4.6.4 平均法,一、平均法原理 由于閘門開啟和被測(cè)信號(hào)脈沖時(shí)間關(guān)系的隨機(jī)性， 單次測(cè)量（測(cè)頻和測(cè)周）總是存在量化誤差，這是

36、一種隨機(jī)誤差,它在1/N1/N范圍內(nèi)(誤差限1/N)均勻分布。 多次測(cè)量取平均。利用隨機(jī)誤差的抵償性，可采取多次測(cè)量取平均的辦法，減小測(cè)量誤差。,設(shè)連續(xù)進(jìn)行有限次（n次）測(cè)量，計(jì)數(shù)值分別為N1、N2、Nn，其算術(shù)平均值為： 由于N1N2 Nn N，各次的量化誤差為： 對(duì)各單次測(cè)量的量化誤差采用均方根合成，根據(jù)算術(shù)平均值的性質(zhì)，其誤差將減小到單次測(cè)量的 即：,二、時(shí)基脈沖的隨機(jī)調(diào)相技術(shù) 平均法依賴于各單次測(cè)量的量化誤差的隨機(jī)性，即要求閘門開啟/關(guān)閉時(shí)刻和被測(cè)信號(hào)脈沖之間具有真正的隨機(jī)性。否則，各單次測(cè)量的量化誤差就不具有隨機(jī)誤差的抵償性。 實(shí)現(xiàn)原理 采用齊納二極管產(chǎn)生的噪聲對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)行隨機(jī)相位

37、調(diào)制，使時(shí)基脈沖具有隨機(jī)的相位抖動(dòng)。 原理圖 下圖是一個(gè)實(shí)用的測(cè)量方案。,4.7 微波頻率測(cè)量技術(shù),4.7.1 變頻法 1）變頻法原理 2）組成框圖 4.7.2 置換法 1）置換法原理 2）組成框圖,4.7 微波頻率測(cè)量技術(shù),通用電子計(jì)數(shù)器受內(nèi)部計(jì)數(shù)器等電路的工作速度的限制，對(duì)輸入信號(hào)直接計(jì)數(shù)存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。 中速計(jì)數(shù)器采用“預(yù)定標(biāo)器”（由ECL電路構(gòu)成的分頻器），將輸入信號(hào)進(jìn)行分頻后，再由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 對(duì)于幾十GHz的微波計(jì)數(shù)器，主要采用變頻法和置換法將輸入微波頻率信號(hào)變換成可直接計(jì)數(shù)的中頻。 4.7.1 變頻法 變頻法（或稱外差法）是將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號(hào)，再

38、由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。,電子計(jì)數(shù)器主機(jī)內(nèi)送出的標(biāo)準(zhǔn)頻率fs，經(jīng)過(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生高次諧波，再由諧波濾波器選出所需的諧波分量Nfs，它與被測(cè)信號(hào)fx混頻出差頻fI。 若由電子計(jì)數(shù)器測(cè)出fI，則被測(cè)頻率fx為 ： 為適應(yīng)fx的變化，諧波濾波器應(yīng)能夠選出合適的諧波分量Nfs。如P171例4-2,1）變頻法原理,2）組成框圖 自動(dòng)變頻式微波計(jì)數(shù)器的原理方框圖如下圖所示。,工作原理 諧波發(fā)生器：輸入為計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fs。采用階躍恢復(fù)二極管，以產(chǎn)生豐富的諧波Nfs。 諧波濾波器：采用YIG（單晶鐵氧體材料）電調(diào)諧濾波器，其諧振頻率可在很寬范圍實(shí)現(xiàn)電調(diào)。 掃描捕獲電路：產(chǎn)生階梯波電流，控制YIG的外加磁場(chǎng)，使

39、YIG的諧振頻率從低到高步進(jìn)式地改變，從而可逐次選出不同的各次諧波。 差頻放大器、檢波器：當(dāng)諧波濾波器輸出的某次諧波Nfs與待測(cè)頻率fx的差頻fI（fxNfs）落在差頻放大器的帶寬（1101MHz）范圍內(nèi)時(shí)， fI經(jīng)放大、檢波后輸出一直流電壓，使掃描捕獲電路停止掃描，因而YIG固定地調(diào)諧在N次諧波上。,微波計(jì)數(shù)器的顯示 當(dāng)YIG調(diào)諧成功（選擇的諧波分量Nfs被確定）后，控制電路直接將Nfs在高位上顯示。 而fI=fx-Nfs則由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示在Nfs位之后。 這樣，便得到fx=Nfs+fI。 例如：若fx=1234.567890MHz，標(biāo)準(zhǔn)頻率fs=100MHz。 則YIG應(yīng)調(diào)諧在N=12次

40、諧波上，即Nfs=1200MHz，高位直接顯示“12”。 計(jì)數(shù)器再對(duì)差頻信號(hào)fI=fx -Nfs=34 .567890MHz計(jì)數(shù)， 最后顯示為“12 34.567890”MHz。 變頻法特點(diǎn)：諧波Nfs幅度低，靈敏度低，但分辨力高。,4.7.2 置換法,1）置換法原理 利用一個(gè)頻率較低的置換振蕩器的N次諧波，與被測(cè)微波頻率fx進(jìn)行分頻式鎖相，從而把fx轉(zhuǎn)換到較低的頻率fL（通常為100MHz以下）。 原理框圖如下： 當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有： 式中，fs為已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率，計(jì)數(shù)器直接對(duì)fL計(jì)數(shù)，但為得到fx，還需確定N值。,混頻器,壓控振蕩器,電子計(jì)數(shù)器,鑒相器,fx-NfL,fs,fL,NfL,置換法

41、特點(diǎn)：鎖相環(huán)路增益高，靈敏度高，分辨力較差。,fx,4.8 頻率穩(wěn)定度測(cè)量和頻率比對(duì),4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征 1）頻率穩(wěn)定度 2）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征 3）短期頻率穩(wěn)定度的表征 4.8.2 阿侖方差的測(cè)量,4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征,電子計(jì)數(shù)器基于比較測(cè)量法原理，其時(shí)間、頻率的參考標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)部晶體振蕩器。 晶體振蕩器存在老化與漂移，因此，需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)（微調(diào)）。校準(zhǔn)方法為將晶體振蕩器輸出作為被測(cè)信號(hào)，用上一級(jí)更準(zhǔn)確的頻率標(biāo)準(zhǔn)為參考，進(jìn)行測(cè)量稱為“頻率計(jì)量”。測(cè)量的主要內(nèi)容為“頻率穩(wěn)定度”。 1）頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度 頻率源輸出的實(shí)際頻率值fx對(duì)其標(biāo)稱值f0的相對(duì)頻率偏差。 即：,頻率

42、穩(wěn)定度概念 頻率源的頻率值由于受內(nèi)外因素的影響，總是在不斷地變化著，大體上可分為：(1)系統(tǒng)性的或確定性的變化（如老化）；(2)非確定性的或隨機(jī)性的變化（頻率隨機(jī)起伏）。 因此，頻率準(zhǔn)確度只能表示當(dāng)前測(cè)量（取樣時(shí)間）的準(zhǔn)確度，它是時(shí)間t的函數(shù)。頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化即為頻率穩(wěn)定度。它表征頻率源維持其工作于恒定頻率上的能力。 長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度 對(duì)頻率穩(wěn)定度的描述引入時(shí)間概念，即在一定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，則有長(zhǎng)期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度。 長(zhǎng)期年、月、日；短期秒級(jí)。,2）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征 長(zhǎng)期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。 多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩

43、器，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的預(yù)熱后，其頻率的老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性(增加或減少)。如下圖。 圖中表示了實(shí)際頻率 隨時(shí)間的變化，由圖 可得頻率穩(wěn)定度K： K表示了在t1-t2時(shí)間 內(nèi)的相對(duì)頻率漂移（即 頻率準(zhǔn)確度的變化）。,3）短期頻率穩(wěn)定度的表征 測(cè)量晶振的短期穩(wěn)定度主要是為了反映晶體內(nèi)部的噪聲特性，因此這項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試應(yīng)在恒定的環(huán)境條件和無(wú)外界干擾的情況下進(jìn)行。,4.8.2 頻率穩(wěn)定度的測(cè)量（略）,4.9調(diào)制域測(cè)量技術(shù),4.9.1 調(diào)制域測(cè)量 1）調(diào)制域測(cè)量 2）調(diào)制域測(cè)量的意義 4.9.2調(diào)制域測(cè)量原理 1）瞬時(shí)頻率測(cè)量原理 2）無(wú)間隔計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn) 3）提高測(cè)量速度與分辨力的方法 4）調(diào)制域分析的

44、應(yīng)用 5）發(fā)展動(dòng)態(tài),4.9.1 調(diào)制域測(cè)量,1）調(diào)制域測(cè)量 時(shí)域與頻域分析的局限性 一個(gè)實(shí)際的信號(hào)可以從時(shí)域和頻域進(jìn)行描述和分析，時(shí)域分析可以了解信號(hào)波形（幅值）隨時(shí)間的直觀變化；頻域分析則可以了解信號(hào)中所含頻譜分量，但是，卻不能把握各頻譜分量在何時(shí)出現(xiàn)。 調(diào)制域概念 在通信等領(lǐng)域中，各種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)越來(lái)越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化，以便對(duì)調(diào)制信號(hào)等進(jìn)行有效分析即調(diào)制域分析。 調(diào)制域即指由頻率軸(F)和時(shí)間軸(T)共同構(gòu)成的平面域。,1）調(diào)制域測(cè)量的概念 下圖所示描述了同一信號(hào)在時(shí)域（V-T）、頻域（V-F）、調(diào)制域（F-T）的特性。 調(diào)制域分析儀 能夠完成調(diào)制域

45、分析的測(cè)量?jī)x器稱為調(diào)制域分析儀。調(diào)制域測(cè)量技術(shù)是對(duì)時(shí)域和頻域測(cè)量技術(shù)的補(bǔ)充和完善。,4.9.1 調(diào)制域測(cè)量,2）調(diào)制域測(cè)量的意義 調(diào)制域描繪出了頻率、時(shí)間間隔或相位等隨時(shí)間的變化曲線。 方便地表達(dá)出頻域和時(shí)域中難以描述的信號(hào)參數(shù)和信號(hào)特性。為人們對(duì)復(fù)雜信號(hào)的測(cè)試和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。,4.9.2 時(shí)頻測(cè)量原理,1）瞬時(shí)頻率測(cè)量原理 瞬時(shí)頻率的概念 信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化，可將頻率量視為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，用f(t)表示。f(t)也代表了時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)頻率。 平均頻率 實(shí)際上，由于測(cè)量上的困難，瞬時(shí)頻率只是一種理論上的概念。因?yàn)樗袦y(cè)量都需

46、要一定的采樣時(shí)間（閘門時(shí)間），測(cè)量結(jié)果則為該采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率。 用平均頻率逼近瞬時(shí)頻率 在時(shí)間軸上以某個(gè)時(shí)刻t0為起始點(diǎn)，連續(xù)地對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，則：,各采樣計(jì)數(shù)值Mi與相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)ti相對(duì)應(yīng)。則可得到采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率值。當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限小時(shí)即可得到各時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)頻率值。 如下圖所示，采樣點(diǎn)A作為時(shí)間起始點(diǎn)t0，則： 在采樣點(diǎn)B得到事件周期值M1和時(shí)間標(biāo)記： (T0為時(shí)標(biāo)) 在采樣點(diǎn)C得到事件周期值M2和時(shí)間標(biāo)記： 于是，B點(diǎn)的頻率為： 同理，C點(diǎn)的頻率為 如此連續(xù)不斷地測(cè)量下去就得到了時(shí)頻曲線。,2）無(wú)間隙計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn) 無(wú)間隙計(jì)數(shù)器 通用計(jì)數(shù)器的頻率測(cè)量，其前后兩次閘門之間必然存在一段間隙時(shí)間（顯示、存儲(chǔ)、下一次測(cè)量準(zhǔn)備），使有用信息被丟失，導(dǎo)致時(shí)間軸上的不連續(xù)性。為此，就要使用無(wú)間隙計(jì)數(shù)器方案。 實(shí)現(xiàn)原理 使用兩組計(jì)數(shù)器交替工作，每一組都包括時(shí)間計(jì)數(shù)器（對(duì)時(shí)標(biāo)T0）和事件計(jì)數(shù)器。當(dāng)一組計(jì)數(shù)器工作時(shí)，另一組計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示等工作。 如此往復(fù)交替，完成時(shí)間軸上無(wú)間隙的測(cè)量。,工作原理波形圖,原理框圖,3）提高測(cè)量速度與分辨力的方法 采用同步和內(nèi)插技術(shù)提高分辨力 兩組基本計(jì)數(shù)器均采用雙計(jì)數(shù)器(事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器)且閘門由輸入信號(hào)同步，同時(shí)采用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高分辨力。 最小采樣時(shí)間 兩組計(jì)數(shù)器交替計(jì)數(shù)，即當(dāng)一組計(jì)數(shù)器在采樣計(jì)數(shù)時(shí)，另一組基