电子测量技术基础PPT课件4时间与频率的测量.ppt

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第四章第四章时间与频率的测量时间与频率的测量4.14.1概述概述4.24.2时间与频率的原始基准时间与频率的原始基准4.34.3频率和时间的测量原理频率和时间的测量原理4.44.4电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.54.5电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差4.64.6高分辨时间和频率测量技术高分辨时间和频率测量技术4.1概述概述11）时间和频率的定义）时间和频率的定义时间有两个含义：

时间有两个含义：

“时刻时刻”：

即某个事件何时发生；：

即某个事件何时发生；“时间间隔时间间隔”：

即某个时间相对于某一时刻持续了多久。

：

即某个时间相对于某一时刻持续了多久。

频率的定义：

频率的定义：

周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s）内的变化次数）内的变化次数（周期数）（周期数）。

如果在一定时间间隔。

如果在一定时间间隔TT内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了NN次，则频率可表达为：

次，则频率可表达为：

ffN/TN/T时间与频率的关系：

可以互相转换。

时间与频率的关系：

可以互相转换。

2）2）时频测量的特点时频测量的特点最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量时间是时间是77个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。

民用和军事方面都存在时频测量。

测量准确度高测量准确度高自动化程度高自动化程度高测量速度快测量速度快4.1概述概述时间频率基准具有最高准确度（可达时间频率基准具有最高准确度（可达10-1410-14），校准（比对），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。

方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。

因此，因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。

许多物理量的测量都转换为时频测量。

3）测量方法概述）测量方法概述频率的测量方法可以分为：

频率的测量方法可以分为：

差频法差频法拍频法拍频法示波法示波法电桥法电桥法谐振法谐振法比较法比较法直读法直读法李沙育图形法李沙育图形法测周期法测周期法频率测量方法频率测量方法模拟法模拟法数字法数字法电容充放电法电容充放电法电子计数器法电子计数器法4.2时间与频率标准时间与频率标准4.2.14.2.1时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准11）天文时标）天文时标22）原子时标）原子时标4.2.24.2.2石英晶体振荡器石英晶体振荡器11）组成）组成22）指标）指标4.2.14.2.1时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准原始标准应具有原始标准应具有恒定不变性恒定不变性。

频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。

频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。

宏观标准和微观标准宏观标准和微观标准宏观标准：

基于天文观测；宏观标准：

基于天文观测；微观标准：

基于量子电子学，更稳定更准确。

微观标准：

基于量子电子学，更稳定更准确。

11）天文时标）天文时标世界时（世界时（UT,UniversalTimeUT,UniversalTime）:

以以地球自转周期地球自转周期（1（1天天）确定的时间，即确定的时间，即1/（241/（24606060）=1/8640060）=1/86400为为11秒。

秒。

其误差约为其误差约为101077量级。

量级。

为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的参考点参考点，得到：

，得到：

平太阳时：

由于地球自转周期存在不均匀性，以假想平太阳时：

由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的的平太阳平太阳作为基本参考点。

作为基本参考点。

零类世界时（零类世界时（UTUT00）：

以平太阳的子夜）：

以平太阳的子夜00时为参考。

时为参考。

第一类世界时（第一类世界时（UT1UT1）：

对地球自转的极移效应（自）：

对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。

转轴微小位移）作修正得到。

11）天文时标）天文时标第二类世界时（第二类世界时（UTUT22）：

对地球自转的季节性变化（影响）：

对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。

准确度为自转速率）作修正得到。

准确度为33101088。

历书时（历书时（ETET）：

以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，即公转周期，即公转周期（11年）的年）的31556925.974731556925.9747分之一为分之一为11秒。

秒。

参考点为参考点为19001900年年11月月11日日00时时（国际天文学会定义）。

（国际天文学会定义）。

准确度达准确度达11101099。

于于19601960年第年第1111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒”的标准。

的标准。

基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足：

设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；观测时间长；观测时间长；准确度有限。

准确度有限。

22）原子时标）原子时标原子时标（原子时标（AT）的量子电子学基础）的量子电子学基础原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收（低能级到高能级低能级到高能级）或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。

或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。

hfhfn-mn-m=E=Enn-E-Emmh=6.6252h=6.62521010-27-27为普朗克常数，为普朗克常数，EEnn、EEmm为受激态的两个能为受激态的两个能级，级，ffn-mn-m为吸收或辐射的电磁波频率。

为吸收或辐射的电磁波频率。

22）原子时标）原子时标原子时标的定义原子时标的定义19671967年年1010月，第月，第1313届国际计量大会正式通过了秒的新届国际计量大会正式通过了秒的新定义：

定义：

“秒是秒是CsCs133133原子原子基态的基态的两个超精细结构两个超精细结构能级之间跃能级之间跃迁频率相应的射线束持续迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间”。

19721972年起实行，为全世界所接受。

秒的定义由天文实年起实行，为全世界所接受。

秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4-54-5个量级，个量级，达达551010-14-14（相当于相当于6262万年万年11秒秒），并仍在提高。

，并仍在提高。

22）原子时标）原子时标原子钟原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。

和比对。

铯原子钟铯原子钟准确度：

准确度：

10-1310-14。

大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。

率工作基准。

铷原子钟铷原子钟准确度：

准确度：

10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。

工作基准。

氢原子钟氢原子钟短期稳定度高：

短期稳定度高：

10-1410-15，但准确度较低（，但准确度较低（10-12）。

）。

4.2.24.2.2石英晶体振荡器石英晶体振荡器电子计数器电子计数器内部时间、频率基准内部时间、频率基准采用采用石英晶体振荡石英晶体振荡器（简称器（简称“晶振晶振”）为基准信号源。

）为基准信号源。

基于压电效应产生稳定的频率输出基于压电效应产生稳定的频率输出：

石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当械振动，当交变电场的频率交变电场的频率与与石英晶体的固有频率相石英晶体的固有频率相同同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。

应。

4.2.24.2.2石英晶体振荡器石英晶体振荡器晶振频率晶振频率易受温度影响易受温度影响（其频率（其频率-温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。

采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。

高稳定、高准确的频率输出。

晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有:

输出频率输出频率:

1MHz:

1MHz、2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz。

日波动日波动:

2:

21010-10-10；日老化；日老化:

1:

11010-10-10；秒稳；秒稳:

5:

51010-12-12。

输出波形输出波形:

正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度:

0.5Vrms（:

0.5Vrms（负载负载50）50）。

几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标晶振类型晶振类型输出频率输出频率（MHz）日稳定度日稳定度准确度准确度普通普通1，1010-510-610-5温度补偿温度补偿1，5，1010-610-710-6单恒温槽单恒温槽1，2.5，5，1010-710-910-610-8双恒温槽双恒温槽2.5，5，1010-910-11优于优于10-84.2.24.2.2石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.3时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理4.3.14.3.1模拟测量原理模拟测量原理11）直接法）直接法22）比较法）比较法4.3.24.3.2数字测量原理数字测量原理11）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理22）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成4.3.14.3.1模拟测量原理模拟测量原理11）直接法）直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，可直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，可分为分为谐振法谐振法和和电桥法电桥法两种。

两种。

（11）谐振法：

谐振法：

被测信号经互感被测信号经互感MM与与LCLC串联谐振回路进行松耦串联谐振回路进行松耦合。

合。

调节可变电容器调节可变电容器C使回路发生使回路发生谐振谐振，此时回路电流达到，此时回路电流达到最大最大（高频电压表指示高频电压表指示），则，则可测量可测量1500MHz以下的频率，以下的频率，准确度准确度（0.251）%。

可测量可测量1500MHz以下的频率，以下的频率，准确度准确度（0.251）%。

（2）电桥电桥法：

法：

利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量行频率测量，通常采用文氏电桥来进行测量。

通常采用文氏电桥来进行测量。

调节调节R1、R2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有11）直接法）直接法令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：

令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：

于是，被测信号频率为：

于是，被测信号频率为：

通常取通常取R1=R2=R,C1=C2=C，则，则测量准确度影响因素：

测量准确度影响因素：

桥路中桥路中各元件的精确度各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度判断电桥平衡的准确程度和和被测被测信号的频谱纯度信号的频谱纯度准确度不高，一般约为准确度不高，一般约为（0.5（0.51）%1）%。

11）直接法）直接法22）比较法）比较法基本原理基本原理利用利用标准频率标准频率ffss和被测量频率和被测量频率ffxx进行比较进行比较来来测量频率。

测量频率。

主要有主要有拍频法、外差法、示波法以及计数法拍频法、外差法、示波法以及计数法等。

等。

数学模型为：

数学模型为：

22）比较法）比较法拍频法拍频法将被测信号与标准信号经将被测信号与标准信号经线性元件线性元件（如耳机、电压表如耳机、电压表）直接直接进行进行叠加叠加来实现频率测量。

来实现频率测量。

当两个音频信号逐渐靠近时当两个音频信号逐渐靠近时,耳机中可以听到两个高低不同耳机中可以听到两个高低不同的音调。

当的音调。

当两频率靠近到差值不到两频率靠近到差值不到446Hz6Hz时时,就只能听到一个近就只能听到