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4.1 概述 4.2 频率和时间的测量原理 4.3 电子计数器的组成原理和测量功能 4.4 电子计数器的测量误差 4.5 测量频率的其他方法 4.6 电子计数器性能的改进方法,第4章 时频测量,4.1 概述,4.1.1 时频关系及特点,“ 周期 ”是指同一事件重复出现的时间, 如T。,“频率”是单位时间(1s)内周期性事 件重复的次数,单位是赫兹Hz。如果在一定时间间隔t内周期信号重复变化了N次,则 fN/t,4.1.1 时频关系及特点,(1)时间/频率的基础性 任何物理现象都在一定的时间和空间里呈现 时间单位是7个基本国际单位之一 m, kg, s, A, K, mol, cd (2)频率基准及频率测量精度极高 铯原子频率基准准确度达10-15,未来光学频标准确度可望达10-18 很多物理量测量转换为时间/频率测量 长度单位:根据光在真空中一定时间内所经历的路径长度而定义 电压标准:应用约瑟夫森效应将电压转换为频率基准进行测量,4.1.1 时频关系及特点,(3)时频测量技术应用广泛 几乎所有的电子设备都离不开时钟 最有代表性的应用领域:导航和通信 全球卫星定位系统(美GPS、欧洲伽利略、中国北斗) GPS:24颗卫星, 任何地方任何时候都可以至少看到4-11颗卫星。GPS定位原理:测距 如果卫星与用户接收机的时钟严格同步,并且卫星的位置、发射导航信号的时刻信息确定,则可以通过在同一时刻tr同时接收3颗GPS星的发播信号,求解用户接收机的坐标位置。 实际上,用户接收机与卫星时钟存在一定的时间差,需同时观测4颗卫星实现定位.,4.1.2 时间与频率的原始标准,1.天文时标 世界时(UT,Universal Time):以地球自转为依据。1/(246060)=1/86400 天为1秒,107量级。 平太阳时:自转不均匀性,以假想平太阳作为基本参考点。 零类世界时(UT0 ):以平太阳的子夜0时为参考。 第一类世界时(UT1):修正极移效应(自转轴微小位移)。 第二类世界时(UT2):修正季节性变化。准确度3108 。 历书时(ET):以地球绕太阳公转为依据。 1/31 556 925.9747 回归年 为1秒。 参考点为1900年1月1日0时(国际天文学会定义),准确度1109 。 1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。,地球,太阳,4.1.2 时间与频率的原始标准,2.原子时标 (1)原子时标(AT)的量子电子学基础 原子(分子)在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射(高能级到低能级)电磁波,其频率是恒定的。 En-Em =hfn-m=hc/(h=6.625210-27普朗克常数) 常用于原子频标的原子:铯(Cs133)、铷(Rb87)、氢 只有一个价电子,电子和原子核的自旋要么平行要么反平行 原子对应的能量只有两种,构成超精细结构能级 铯、铷、氢在两个能级之间迁跃将吸收或释放能量,对应的迁跃频率分别为9.192GHz、6.834GHz、1.420GHz,都在微波段,应用方便。,4.1.2 时间与频率的原始标准,2.原子时标 (2)原子时标的定义 1967年10月,第13届国际计量大会。“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间” 1972年1月1日零时起,时间单位“秒”由天文秒改为原子秒。天文实物标准过渡到原子自然标准,准确度提高4-5个量级,达510-14(相当于62万年1秒),并仍在提高。,4.1.2 时间与频率的原始标准,(3)原子频率标准(原子钟) 原子时标的实物仪器,用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟:10-1410-15 被动型铯束管,准确度高,长稳高 大铯钟,专用高稳基准;小铯钟,工作基准 铷原子钟:10-11,短稳10-12 被动型铷气泡、主动型铷激射器 体积小、重量轻,工作基准 氢原子钟: 10-12,短稳10-1410-15 主动型氢激射器、被动型氢激射器 笨重昂贵,一级标准 高性能原子钟尤其是星载原子钟,在卫星导航定位系统中起着重要的作用。,4.1.3 频率测量方法,频率测量方法,模拟法,计数法,直读法,比较法,电桥法,谐振法,拍频法,差频法,示波法,李沙育图形法,测周期法,电容充放电式,电子计数式,110-8110-13量级,110-2量级,测量方法分类 不同的实现原理,不同的准确度和适用范围,4.1.4 电子计数器,1.电子计数器的分类 按功能: 通用计数器:测频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。测量功能可扩展。 频率计数器:测频和计数。测频范围往往很宽。 时间计数器:以时间测量为基础,测时分辨力和准确度高。 特种计数器:特殊功能。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。 按用途: 测量用计数器和控制用计数器。 按测量范围: 低速(低于10MHz)、中速(10-100MHz) 高速(高于100MHz)、微波(1-80GHz),4.1.4 电子计数器,2.电子计数器的主要技术指标 测量范围:毫赫几十GHz。 准确度:可达10-9以上。 晶振频率及稳定度:内部基准,普通10-5,恒温10-710-9。 输入特性:耦合方式(DC/AC)、触发电平、灵敏度(10100mV)、输入阻抗(50 和1M /25pF)等。 闸门时间(测频):如1ms、10ms、100ms、1s、10s。 时标(测周):如10ns、100ns、1ms、10ms。 显示能力:显示位数及显示方式等。,4.2.2 数字测量原理,1.门控计数法 频率测量:确定一个取样时间T,在该时间内对被测信号的周期累加计数(N),根据fx=N/T得到频率值。 时间间隔测量:将被测时间按尽可能小的时间单位(时标)进行量化,累计被测时间内所包含的时间单位数。 “闸门”控制:将需累加计数的信号(频率测量时为被测信号,时间测量时为时标信号),由一个“门控”信号控制。,测频时,闸门时间即为采样时间。 测时时,闸门开启时间即为被测时间。,4.2 频率和时间的测量原理,2.通用计数器的基本原理 输入通道:通常有多个,预定标器可扩展测量范围。 主门电路:闸门控制。 计数与显示电路: 时基产生电路:产生时标和频率测量的闸门信号。 控制电路:准备测量显示。,NFC-1000C-1型多功能频率计数器面板图,电源开关,功能选择,闸门时间,低通滤波器,A通道输入,B通道输入,“MHz”“kHz”“s”显示灯,数据显示窗口,溢出指示,闸门指示,4.3.1 电子计数器的组成,4.3 电子计数器的组成原理和测量功能,4.3.1 电子计数器的组成,(1)输入通道,(2)主门电路,“门控信号”还可手动操作,如实现手动累加计数。,(3)计数与显示电路 功能:计数电路对通过主门的脉冲进行计数(计数值代表了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。 为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路。 计数电路的重要指标:最高计数频率。 计数电路一般由多级双稳态电路构成,受内部状态翻转的时间限制,使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器,最高计数频率主要由个位计数器决定,类型:单片集成与可编程计数器 单片集成的中小规模IC如:74LS90(MC11C90)十进制计数器;74LS390、CD4018(MC14018)为双十进制计数器。 可编程计数器IC如:Intel8253/8254等。 显示器 LED、LCD 、荧光(VFD)等。 显示电路:包括锁存、译码、驱动电路。 如74LS47、CD4511等。,(4)时基产生电路,产生测频时的“门控信号”(闸门时间)及时间测量时的“时标”信号。“标准性”、“多值性” 由内部晶体振荡器(也可外接),通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。,(5)控制电路 控制、协调各电路单元的工作,使整机按“复零测量显示”的工作程序完成自动测量的任务,4.3.2 电子计数器的测量功能,1.频率测量 十进制计数器,闸门时间设定为10的幂次方,可将计数结果,通过移动小数点和单位的配合,得到被测频率。 测量速度与分辨力:闸门时间Ts为频率测量的采样时间,Ts愈大,测量时间愈长,计数值N愈大,分辨力愈高。, 例如:闸门时间Ts=1s,若计数值N=10000,则fx为“10000”Hz,或 “10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s,则计数值N=1000,则fx为 “10.00”kHz。,2.频率比的测量,3.周期的测量: “时标计数法”,在Tx内计数器对时标T0计数。,频率高者A通道 频率低者B通道 B通道扩展(提高精度),例如:时标T0=1us,若计数值N=10000,则显示的Tx为“10000”us,或“10.000”ms。,4.时间间隔的测量 时间间隔的两个时刻点由两个事件确定。如两个信号波形上,两点之间 相位差的测量; 。 测量方法:两个事件触发得到起始信号和终止信号,经过门控双稳态电路得到“门控信号”,采用“时标计数” 触发极性选择和触发电平调节:灵活完成各种时间间隔的测量。如各种脉冲参数测量、相位差测量。,相位差的测量 利用时间间隔的测量,可以测量两个同频率的信号之间的相位差。 两个信号分别由B、C通道输入,并选择相同的触发极性和触发电平。 测量原理如下图: 为减小测量误差,分别取 +、-触发极性作两次测量, 得到t1、t2再取平均,则,5.自检(自校) 功能:检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。 实现方法:为判断自检结果是否正确,该结果应该在自检实施前即是已知的。为此,用机内的时基Ts(闸门信号)对时标T0计数,则计数结果应为: 自检的方框图: 例如:若选择Ts=10ms, T0=1us,则自检显示应 稳定在N=10000。 自检不能检测内部基准源。,4.4.1 测量误差的来源,4.4 电子计数器的测量误差,1.量化误差 量化误差:截断误差,1误差 产生原因:闸门与被测信号不同 步, 时间零头 2.触发误差 输入信号 脉冲信号,“转换误差” 如图。周期为Tx的输 入信号,触发电平在 A1点,但在A1点上有 干扰信号(幅度Vn)。 提前触发,周期TxTx。,3.标准频率误差 机内时基(闸门时间)和时标是频率和时间间隔测量的参考基准,它们由内部晶体振荡器(标准频率源)分频或倍频后产生。因此,其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。 因此,内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求,还可外接更高准确度的外部基准源。 通常,要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。,由于fs由晶振(fc)分频得到,设fs=fc/k,则 于是,频率测量的误差表达式可写成:,4.4.2 频率测量误差分析,1.量化误差,fx=N/Ts=Nfs,2.标准频率误差,4.4.2 频率测量误差分析,3.触发误差 尖峰脉冲的干扰: 引起触发点的改变,对计数影响不大。 高频叠加干扰:产生错误计数。 措施:增大触发窗或减小信号幅度;输入滤波。,4. 减小测频误差方法的分析 当 一定,增加闸门时间可以提高测频分辨力和准确度。 当闸门时间一定, 越高,测频准确度越高。 为减小量化误差,需增大计数值N:增大闸门时间Ts或在相同的闸门时间内测量较高的频率可得到较大的N。 测频准确度极限 (量化误差低于标准频率误差),例 被测频率fx1MHz,选择闸门时间Ts1s,则由1误差产生的测频误差(不考虑标准频率误差)为: 若Ts增加为10s,则计数值增加10倍,相应的测频误差也降低10倍,为1107,但测量时间将延长10倍。 注意:该例中,当选择闸门时间Ts1s时,要求标准频率误差优于1107 (即比量化误差高一个数量级),否则,标准频率误差在总测量误差中不能忽略。,实例分析,另:fx= 10Hz,T=1s,则由1误差引起的测频误差可达10,
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