频率和时间的测量
频率与时间的测量
第四章频率与时间的测量在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其它许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系．因此，频率的测量就显得更为重要，而且，目前在电子测量中，频率的测量精确度是最高的。
第一节频率或时间的原始基准时间是某一时刻与另一时刻之间的时间长度，这里指的时刻是连续流逝的时间中的一个时点．为了使大家能够确定出同一时刻，就需要使用共同的时刻标尺来衡量，由这个时刻标尺上的标度，来客观地认识时刻．要计量时间需要有固定不变的时间单位，用秒作为时间的基本单位．如果一秒内的振动数即频率为已知，则可由此振动数的倒数得到秒间隔，这就是说，秒单位和标准频率数是互相依存的事物．时刻和时间发展的历史，集中反映在秒的定义在不断变迁，秒的准确度不断提高．采用天文观测方法，求得的太阳出现于天顶的平均周期为平均太阳日．将太阳日分为24 X 60 X 60份，得到的秒为零类世界时（记作UT0）＊，其准确度在10-6量级．地球自转受极运动(报极移引起的经度变化）的影响，校正了这个偏差而得到的地球自转的周期，称为第一世界时（记作UTl）, 再把地球自转的季度性、年度性的变化（最大可达0.03秒）校正，就引出了第二世界时（记作UT2）．世界时UT2经过五十年的观测，发现其稳定度为3 X10-8．这样，以UT2为标准其计时准确度很难优于3 X10-8.为了得到更准确的均匀不变的时间标准，人们以1900回归年的31 556 925.74 7分之一作为历书时的秒（记作ET）, 其准确度可达土1X 10-9左右．UT2, ET为宏观计时标准，它需要精密的天文观测，手续烦杂，准确度有限．近年来引进了微观计时标准，这就是利用原于或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率作为基准来计量时间．采用铯133’（Cs133）原子基态的两个超精细能级之间跃．迁所对应的9 192 631 770个周期的持续时间为一秒，以此为标准定出的时间标准称为原子时（记作A T），其准确度可达10-13目前，国际上已经应用经过原于标准修正过的时间来发送时间标准，用原子时来对天文时（UT2，ET）进行修正．另外，由于频率是时间的倒数，因此，有了时间标准也就有了频率标准．由于数字电路的飞速发展和数字集成电路的普及，电于计数器的应用已十分普及，利用电子计数器测量频率具有精确度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列突出优点，故已发展成为近代频率测量的重要手段．据此，本章重点将放在电子计数器的测频方法上．鉴于标准频率源在电于测量中的重要地位，本章还将扼要讨论标准频率源的测量技术．第二节电子计数器测频方法目前，绝大多数实验室用电子计数器都具有测量频率倾频）和测量周期（测周）等两种以上的测量功能，故统称“通用计数器”．各种测量功能可利用《功能选择》开关加以选择。
频率时间和相位的测量
频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量是现代科技中非常重要的一项技术。
在通信、电力系统、航空航天等领域，准确测量频率、时间和相位可以确保系统的稳定性、可靠性和正常运行。
本文将从频率测量、时间测量和相位测量三个方面进行介绍。
第一部分：频率测量频率是指单位时间内发生的事件的次数。
在通信系统中，频率是指信号波形的周期性重复次数。
频率的测量常用的方法有：阻抗频率测量和计数频率测量。
阻抗频率测量是通过测量电路中的阻抗变化来计算频率。
具体方法是将信号加到一个频率依赖的电路上，测量电路的阻抗变化。
阻抗频率测量的精度高，适用于高精度要求的场合，如科学研究和实验室测量等。
计数频率测量是通过计数单位时间内信号波形的周期数来计算频率。
具体方法是将信号输入到计数器中，计数器会记录信号波形的上升沿或下降沿的个数，然后将个数除以测量时间得到频率。
计数频率测量的精度相对较低，适用于一般工业生产和实际应用中。
第二部分：时间测量时间是指事件的发生顺序和持续时间。
时间的测量常用的方法有：基于机械系统的时间测量和基于电磁波传播的时间测量。
基于机械系统的时间测量是通过机械装置的运动来测量时间。
最早的时间测量仪器是机械钟。
现代的机械钟使用特殊设计的机械组件，如摆轮、游丝等，来实现稳定的精确时间测量。
基于机械系统的时间测量具有较高的稳定性和精度，但受限于机械部件的制造工艺和环境因素，无法实现高精度要求。
基于电磁波传播的时间测量是现代科技中最主要的时间测量方法。
基于电磁波传播的时间测量使用电磁波在空间传播的规律来测量时间。
具体方法是使用特殊的发射器和接收器，通过测量电磁波传播的时间差来确定事件的发生时间。
这种时间测量方法精度高，适用于需要高精度时间的领域，如导航系统和科学研究等。
第三部分：相位测量相位是指两个波形之间的关系。
相位的测量常用的方法有：频率锁相测量和相位差测量。
频率锁相测量是通过比较两个波形的频率差异来测量相位。
具体方法是将两个波形输入到一个锁相环中，通过调整锁相环中的参数，使两个波形的频率一致，从而得到相位差。
时间与频率测量
4.2.1 时间与频率的原始标准
1）天文时标
◆原始标准应具有恒定不变性。 ◆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：基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。 ◆世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确定的时 间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。
f x Nf s
◆拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳
机或电压表）指示。适于音频测量。
◆外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测
量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。
◆示波法：
李沙育图形法：将fx和fs分别接到示波器Y轴和X轴（X-Y 图示方式），当fx＝fs时显示为斜线（椭圆或圆）； 测周期法：直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周 期，进而得到频率。
◆测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度（可达1014），校准（比对）方便，因而数字化时频测 量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的 测量都转换为时频测量。 ◆自动化程度高 ◆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：导间与频率的原始标准 1）天文时标 2）原子时标
3）测量方法概述
频率的测量方法可以分为：
直读法 模拟法 电桥法 谐振法 拍频法 比较法 频率测量方法 示波法 电容充放电法 数字法 电子计数器法 测周期法 差频法 李沙育图形法
3. 时间和频率的测量原理
3.1 模拟测量原理 1）直接法 2）比较法
3.2 数字测量原理 1）门控计数法测量原理 2）通用计数器的基本组成
fx 1 2 RC
时间与频率的测量基本概述
时间与频率的测量基本概述时间与频率的测量是物理学中重要的实验技术之一，涉及到物体的周期性运动、波的传播等多个领域。
本文将对时间与频率的测量进行基本概述。
时间的测量是指对物体运动过程中所经历的时间进行测量，其基本单位为秒。
时间的测量可以通过不同的实验手段和设备实现，其中最为常见的方式是使用钟表，根据物体的运动速度将一段时间分成若干等份，从而确定特定时间间隔的长度。
随着科技的发展，人们发明了各种高精度的钟表，例如基于原子振荡频率的原子钟，能够测量到非常小的时间单位，如纳秒乃至飞秒级别。
频率的测量是指对波动或周期性运动的次数进行测量，其基本单位为赫兹。
频率的测量可以通过两种方式进行，一种是计数法，即将一定时间内波动或周期性运动的次数加总；另一种是相位比法，即通过对象的相位差来确定波动或周期性运动的频率。
根据不同的应用领域和精度要求，频率的测量可以使用不同的设备，例如频率计、示波器、频谱仪等。
在实际应用中，时间与频率的测量技术常常需要考虑到一定的误差和精度要求。
误差可以来自于多个因素，例如仪器本身的不确定度、外界干扰、环境条件等等。
为了提高测量的精度，科学家们研发了各种校正和校准方法，例如使用标准频率源进行校准，以及使用稳定的参考信号进行时间同步等等。
时间与频率的测量技术在现代科学研究、工程技术和日常生活中都有广泛的应用。
在科学研究中，时间与频率的测量可以用于测定天体运动、检测物质结构、研究量子行为等等。
在工程技术中，时间与频率的测量可以用于电信系统中的信号处理、雷达测距与测速、医学成像等领域。
在日常生活中，时间与频率的测量可以用于计时器、手表、闹钟等等。
总之，时间与频率的测量是物理学中重要的实验技术之一，涉及到物体的周期性运动、波的传播等多个领域。
时间与频率的测量可以通过不同的实验手段和设备实现，其中最为常见的方式是使用钟表和频率计。
时间与频率的测量技术需要考虑到一定的误差和精度要求，并可以利用校正和校准方法提高测量的精度。
准确测量实验中时间与频率的技巧与方法
准确测量实验中时间与频率的技巧与方法在科学研究和实验中，准确测量时间和频率是非常重要的。
时间和频率的测量不仅涉及到物理学、化学等自然科学领域，也与工程技术、生物医学等实践应用息息相关。
本文将探讨一些准确测量实验中时间和频率的技巧与方法。
一、时间测量的技巧与方法时间是物理量中最基本的一个，准确测量时间对于实验结果的可靠性至关重要。
以下是一些时间测量的技巧与方法：1.使用精确的时间设备：现代科学实验中，常用的时间设备有原子钟、计时器、秒表等。
原子钟是目前最精确的时间设备，可以提供非常准确的时间参考。
计时器和秒表则是常见的实验室工具，使用时需要注意其精度和误差。
2.消除反应时间：在实验中，往往需要测量某个事件的持续时间。
为了准确测量，需要消除仪器和人员的反应时间。
可以通过提前预设实验条件、使用自动化设备等方式来减少反应时间的影响。
3.多次测量取平均值：为了提高时间测量的准确性，可以进行多次测量并取平均值。
多次测量可以减小个别误差的影响，提高整体的测量精度。
4.注意环境因素：在时间测量过程中，环境因素如温度、湿度等可能对测量结果产生影响。
因此，在进行时间测量时，需要注意环境因素的控制和记录，以减小其对实验结果的干扰。
二、频率测量的技巧与方法频率是指单位时间内发生的事件次数，是描述周期性现象的重要参数。
以下是一些频率测量的技巧与方法：1.使用频率计：频率计是一种专门测量频率的仪器，可以提供较高的测量精度。
在实验中，可以选择适合的频率计进行测量。
同时，需要注意频率计的测量范围和精度，以确保测量结果的准确性。
2.利用示波器：示波器是一种能够显示周期性信号波形的仪器。
通过观察示波器上的波形，可以计算出信号的周期和频率。
示波器的使用需要一定的技巧，包括调节垂直和水平灵敏度、选择适当的触发方式等。
3.使用计数器：计数器是一种能够对脉冲信号进行计数的仪器，可以用于测量频率。
通过计数器的测量结果，可以得到频率的近似值。
第4章-时间与频率测量-习题-答案
电子测量技术第四章（一）填空1、电子计数器的测周原理与测频相反，即由被测信号控制主门开通，而用晶振脉冲进行计数。
2、电子计数器测频的基本原理刚好与测周相反，即由___ _晶振 _____控制主门开门，而用被测信号进行计数。
3、测量频率时，通用计数器采用的闸门时间越____大____，测量准确度越高。
4、测量周期时，通用计数器采用的闸门时间越____大____，测量准确度越高。
5、通用计数器测量周期时，被测信号周期越大，量化误差对测周精确度的影响越小。
6、通用计数器测量频率时，被测信号周期越小，量化误差对测周精确度的影响越小。
7、在用通用计数器测量低频信号的频率时，为了减小测量误差，应采用测周法。
8、电子计数器测周时，选用的时标越小，则显示的位数越多，量化误差的影响就越大。
9、电子计数器的测量误差来源主要有触发误差、闸门时间误差和标准频率误差三种。
10、电子计数器的误差来源有___量化误差___、__标准频率误差__和___触发误差___；其中量化误差是主要来源，其绝对值恒为定值。
11、用电子计数器测量频率比时，周期小的信号应加到输入通道 A 。
用电子计数器测量频率，如闸门时间不变，频率越高，则测量误差越小；测量周期时，如时标（计数脉冲周期）不变，被测信号频率越高，则测量误差越大。
7、计数器测周的基本原理刚好与测频相反，即由_被测周期控制主门开门，而用_标准频率_进行计数。
（二）选择题1、通用计数器测量周期时由石英振荡器引起的主要是( C )误差。
A.随机B.量化C.变值系统D.引用2、下列选项中通用计数器不能测量的量是（ D ）A.频率B.相位C.周期D.电压3、在通用计数器测量低频信号的频率时，采用倒数计数器是为了( D )A.测量低频周期B.克服转换误差C.测量低频失真D.减小测频时的量化误差影响4、在电子计数法测量频率时，测量误差通常有两部分组成，分别是（ A ）误差和（ C ）误差。
A、量化B、触发C、标准频率5、通用计数器在测量频率时，当闸门时间选定后，被测信号频率越低，则（ C ）误差越大。
电子测量技术频率(时间)与相位测量
电子测量原理
转变为自然基准。
需要指出的是，在电子仪器中常采用石英频率标准。
其原因在于：其一，石英晶体的机械稳定性和热稳定性很 高，它的振荡频率受外界因数的影响较小，因而比较稳定 ；其二，石英频率标准发展快，六十年来将准确度和稳定 度提高了4个数量级；其三，石英晶体振荡器结构简单， 制造、维护、使用均方便，而且准确度能满足大多数测量 的需要。因此，石英频率作为一种次级标准，已成为最常 用的频率标准。 最后还要指出，时间标准就是频率标准，这是因为频 率与时间互为倒数。
第3页
电子测量原理
6.1.2 频率或时间标准
人们早期根据在地球上看到太阳的“运动”较为均匀 这
一现象建立了计时标准，把太阳出现于天顶的平均周期（
即平均太阳日）的86400分之一定为一秒，称零类世界时
（记作UTo），其准确度在10-6量级。考虑到地球受极运 动（即极移引起的经度变化）的影响，可加以修正，修正 后称为第一世界时（记作UT1）。此外，地球的自转不稳 定，进行季节性、年度性变化校正，引出第二世界时（记 作UT2），其稳定度在3×10-8。而公转周期却相当稳定， 于是人们以1900回归年的31556925.9747分之一作为历书时 的秒（记作ET），其标准度可达±1×10-9。
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电子测量原理
所以，频率、时间、相位三个量可归结为一个量的 测量问题。在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一 ，它指单位时间内周期变化或振荡的次数，许多电参数的 测量方案及结果都与之密切相关。因此，频率的测量是十 分重要的，而且到目前为止频率的测量在电测量中精确度 是最高的。
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电子测量原理
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电子测量原理
输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可距离，
频率时间测量
N 1 Tc Tc 1
N
N
NTc Tx
fcTx
第五章 频率时间测量
测量周期误差
Tx
Tx
fc
fc
1 N
fc
fc
Tc Tx
例如，某计数式频率计 fc / fc 2 107 ，在测量周期时，取 Tc=1us，则当被测信号周期Tx=1s时测量误差为
频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次 数，记为f。 f与T之间有下述重要关系，即 f 1
T
周期T的单位是秒，频率的单位是1／秒，即赫兹(Hz)
频率标准简称频标，有石英钟频标、原子频标和天 文频标，原子频标的准确度可达10-13。
第五章 频率时间测量
3、频率（时间）测量的特点：
① 测量精度高。由于有时频标准源，并可方便采用无 线电波进行远距离迅速传递，频率（时间）测量所能达 到的分辨率和准确度最高。
微分得 dTx TcdN NdTc
dTx dN dTc NTc N Tc
或 dTx dN dTc Tx N Tc
用增量符号表示
Tx N Tc
Tx N Tc
因 Tc
1 fc ，Tc上升时， fc下降，所以有
Tc fc
Tc
fc
△N为计数误差，在极限情况下，量化误差 N 1 ，所以
第五章 频率时间测量
电子计数器的测频原 理实质是以比较法为 基础。它将被测信号 频率fx和已知的时基 信号频率fc相比，将 相比的结果以数字的 形式显示出来。
第五章 频率时间测量
二、误差分析计算
1、量化误差—±1误差
第五章频率及时间测量
的相对误差。
25
第五章 时间、频率和相位的测量
将式
N 1 1 、 T fc 代入式
N
N
f xT T
fc
f x N T
fx
N
T
得
f x 1 fc
fx
f xT fc
（5.2-11）
若考虑极限情况，测量频率的最大相对误差应写为
f x fx
1 f xT
fc fc
（5.2-12）
由上式可看出：提高频率测量的准确度措施是：
2
第五章 时间、频率和相位的测量
时间的定义： 2)、原子时（AT）： 秒定义为：“秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超
精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周 期所持续的时间。” 误差：10－14 3)、协调世界时 (UTC):
采用原子时的速率（对秒的定义）通过闰秒方法使原 子时和世界时接近的时间尺度。是一种折衷的产物。
28
第五章 时间、频率和相位的测量
本例如选T＝10 s，则仪器显示为0 000．000 0 kHz， 把最高位丢了。造成虚假现象。原因是由于实际的仪 器显示的数字都是有限的，而产生了溢出造成的。
所以，选择闸门时间的原则是： 在不使计数器产生溢出现象的前提下，应取闸门 时间尽量大一些，减少量化误差的影响，使测量的准 确度最高。
T Tx
△t1
△t2
图5.2-2 脉冲计数误差示意图
19
第五章 时间、频率和相位的测量
下图T为计数器的主门开启时间，Tx为被测信号周期， Δt1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设 计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，Δt2为闸门关闭时刻 至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区
第四章：时间及频率测量技术
▪ 3、显示期：在一次测量完毕后，关闭主门， 把计数结果送到显示电路去显示。为了便 于读取或记录 测量结果，显示的读数应当 保持一定时间（显示时间通常可调）在这 段时间内，主门应当被闭锁，这段时间称 为显示时间。显示完成后，再做下一次测 量的准备工作。
▪ 电子计数器测频原理实质上是以比较法为 基础的，它将被测信号频率和已知的时基 信号频率相比，将相比的结果以数字的形 式显示出来。
成公式，可求得测频误差为： fx NTS
f x
N TS
▪ 式中，第一项 N/N量化误差，N1，是数字化仪器所特 有的计数误差。
▪ 第二项 TS/TS 门控信号宽度不准确引起的测量误差。 ▪ 具体分析如下：
▪ １）量化误差或称 1误差
▪ 在测频时，由于标准闸门时间与被测信号脉冲之间没有必然
的联系，它们在时间关系上是完全任意的，这就造成在闸门
fx ( 1 fS )
f
fT f
x
x
S
▪ 小结:
▪ 测量低频时,由于 1误差产生的测频误差大得惊人, 所以测量时不宜采用直接测频方法。
启的标准时间 T s 和输入信号频率 f x 决定。即：
▪
N T s/T x T sfx（式4－１）
2．测频方法的误差分析
▪ 测频方法的误差主要有三类：
▪ （1）量化误差：将模拟量转化为数字量所产生的 误差叫量化误差。是由于用于计数的时标脉冲与 控制主门的被测周期不同步而引起的。
▪ （2）触发误差：测量周期时，被测信号经放大、 整形、转换为门控信号，转换过程中存在着各种 干扰和噪声影响，利用施密特电路进行转换时， 触发电平本身也可能产生抖动，从而引入触发误 差。所以这也称为转换误差。（一般不考虑）
A端输入
第4章 时间与频率的测量
4.4 通用计数器 4.4.1 通用电子计数器的基本组成 4.4.2 电子计数器的使用 4.4.3 通用电子计数器的测量功能 4.5 其他测量频率的方法 4.5.1 电桥法测频 4.5.2 谐振法测频 4.5.3 频率-电压转换法测量频率 4.5.4 拍频法测频 4.5.5 差频法测频 4.5.6 用示波器测量频率
=
±⎜⎜⎝⎛
1 10n Tx
fc
+
1
2 ×10n π
× Vn Vm
+
Δf c fc
⎟⎟⎠⎞
（4-16）
（2）采用多周期测量可提高测量准确度；
（3）提高标准频率，可以提高测周分辨力；
（4）触发转换误差与被测信号的信噪比有关，信噪比越 高，触发转换误差越小。测量过程中尽可能提高信噪 比 Vm /Vn 。
整形
送主门的一
0
t
个输入端。
微分
0
t
图4-6 输入电路工作波形图
3)计数显示电路
这部分电路的作用，简单地说，就是 计数被测周期信号重复的次数，显示 被测信号的频率。它一般由计数电路、 逻辑控制电路、译码器和显示器组成。
4)控制电路
控制电路的作用是产生各种控制信号， 去控制各电路单元的工作，使整机按 一定的工作程序完成自动测量的任务。 在控制电路的统一指挥下，电子计数 器的工作按照“复零一测量—显示”的 程序自动地进行，其工作流程如图4.6 所示。
在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相 关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既 便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。 可能多1个或少1个的±1误差，这是频率量化时带来的误差故 称量化误差，又称脉冲计数误差或±1误差。
时间与频率的测量
➢ 输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的 测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形 等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。
通过预定标器还可扩展频率测量范围。
➢ 主门电路：完成计数的闸门控制作用。
➢ 计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路， 完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果） 以数字方式显示出来。
A
与
TB
B
门
C
TB
上图为由“与”逻辑门作为闸门，其门控信号为‘1’时闸门开启（允 许计数），为‘0’时闸门关闭（停止计数）。
◆测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间”）即为采样时间。
测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。
2）通用计数器的基本组成
通用电子计数器的组成框图如下图所示：
2）通用计数器的基本组成
2）原子时标
原子钟
➢ 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。
铯原子钟
➢ 准确度：10-13~10-14。 ➢ 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。
铷原子钟
➢ 准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。
氢原子钟
➢ 短期稳定度高：10-14~10-15，但准确度较低（10-12）。
1）天文时标
◆为世界时确定时间观测的参考点，得到
➢ 平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想 的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）：对地球自转的极移效应（自转
轴微小位移）作修正得到。
➢ 第二类世界时（UT2）：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3×10－8 。
频率时间间隔测量原理
频率时间间隔测量原理
频率时间间隔测量原理是通过测量事件发生的时间间隔来计算出事件的频率。
该原理适用于各种领域，如物理学、电子学、计算机科学等。
在物理学中，频率是指单位时间内事件发生的次数。
通过测量事件的时间间隔，我们可以计算出事件的频率。
例如，假设我们想测量一个摆动钟的频率，我们可以开始计时，然后记录摆钟完成一次摆动所经过的时间。
通过将这个时间除以一秒，我们就可以得到摆钟的频率。
在电子学中，频率是指电信号的周期性变化。
通过测量电信号的时间间隔，我们可以计算出电信号的频率。
例如，在无线电中，我们可以通过测量电磁波的周期性变化来计算出无线电波的频率。
在计算机科学中，频率是指计算机处理指令的速度。
通过测量计算机执行指令的时间间隔，我们可以计算出计算机的时钟频率。
例如，我们可以通过测量计算机执行一条指令所需的时间来计算出计算机的时钟频率。
频率时间间隔测量原理是基于时间的。
通过测量一系列事件的时间间隔，我们可以计算出事件的频率。
这个原理在许多领域都有广泛的应用，可以帮助我们了解事物的运动规律、电信号的变化规律以及计算机的性能等。
第四章：时间和频率测量技术
(一)时间、频率和周期的基本概念
时间是国际单位制中7个基本物理量之一。它的基本 单位是秒。“时间”有两个含义，一是指“时刻”， 指某事件发生的瞬间。二是指“间隔”，即两个时刻 之间的间隔，表示该事件持续了多久。
频率定义:为相同的现象在单位时间内重复出现的次 数。
f 1/ T 周期:则是指出现相同现象的最小时间间隔。
4．2．1 电子计数器主要电路技术
(一)电路组成及各部分作用: 电子计数器由输入电路、计数显示电路、标准 时间产生电路、逻辑控制电路构成。 1、输入电路：又称为输入通道。其作用是接 受被测信号，并对它进行放大和整形然后送入 主门（闸门）。一般设置2个或3个输入通道， 记作A、B、C。A通道用于测频、自校；B通 道用于测周；B、C通道合起来测时间间隔；A、 B通道合起来测频率比。
秒是 C s 原子基态的两个超精细结构能级 [ F 4, mF 0 ]和[ F 3, mF 0 ]之间跃迁频 率相应的射线束持续9192631770个周期的时间”。 以此为标准定义出的时间标准称为原子时秒。
133
3、协调世界时（UTC）秒： 协调世界时“秒”是原子时和世界时折 中的产物，即用闰秒的方法来对天文时进 行修正。这样，国际上则可采用协调世界 时来发送时间标准，既摆脱了天文定义， 又使准确度提高4—5个数量级。现在，各 国标准时号发播台所发送的就是世界协调 时，我国的中国计量科学院、陕西天文台、 上海天文台都建立了地方原子时，参加了 国际原子时（ATI），与全世界200多台原 子钟连网进行加权修正，作为我国时间标 准由中央人民广播电台发布。
现在已明确:时间标准和频率标准具有同一 性，可以用时间标准导出频率标准，也可 由频率标准导出时间标准，故通常统称为 时频标准。
频率时间和相位的测量
频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量在现代科学和工程领域中具有重要的意义。
频率是指在单位时间内重复发生的事件或周期的次数。
时间是描述事件发生的顺序和持续时间的尺度。
相位则用来描述波形的相对位置关系。
测量这些参数的准确性和精度对于许多应用来说至关重要，包括通信系统、无线电频谱管理、精密仪器、天文学、地球物理学等等。
下面我们将详细介绍频率、时间和相位的测量方法和技术。
频率测量是指测量事件发生的频率或周期的次数。
常见的频率测量方法包括计数法、相位比较法、频率合成法等。
计数法是一种简单直接的方法，通过计算事件发生的次数来得到频率。
在计数法中，可以使用计时器来记录事件发生的次数，然后根据计时器的时间得到频率。
相位比较法主要是利用比较两个信号的相位差来得到频率。
这种方法常用于稳定的参考信号。
频率合成法是通过将多个信号相加或相乘来合成一个新的信号，然后再根据新信号的特性来获得频率。
这种方法广泛应用于频率合成器和锁相环等设备中。
时间测量是指测量事件发生的准确时间。
时间测量的方法包括脉冲计数法、时钟同步法、时间标准法等。
脉冲计数法是通过计数脉冲的数量来测量时间。
计数器是常用的脉冲计数设备，它可以根据脉冲的来自外界触发信号进行计数，并转换成相应的时间单位。
时钟同步法是利用多个时钟设备的同步性来测量时间。
通过将多个时钟设备的信号进行比较，可以得到一个准确的时间值。
时间标准法是通过使用一个精密的时间标准来测量时间。
国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）是常用的时间标准。
时间标准设备可以通过比较其与时间标准之间的差异来测量时间。
相位测量是指测量信号波形的相对位置关系。
相位测量的方法包括相位差测量法、频率转换法、相位解调法等。
相位差测量法是通过比较两个信号的相位差来得到相位。
常用的相位差测量设备有相位计和相干解调器。
频率转换法是通过将信号的频率变换到特定范围内，然后再进行相位的测量。
这种方法常用于高频信号的相位测量。
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6. 1 概述
3) 计算计数器 计算计数器是指一种带有微处理器、可进行数学运算和求解复杂方程式
等功能的电子计数器。 4) 特种计数器 特种计数器是指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计数器、预置计数
器、程序计数器和差值计数器等, 它们主要用于工业生产自动化领域, 尤 其在自动控制和自动测量方面。 2.计数器的基本组成 图6 -6 为通用电子计数器的组成框图, 主要由输入通道、计数显示电路 、时基产生电路和逻辑控制电路等组成。
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6. 1 概述
3.频率- 电压变换法 频率- 电压变换法测频是指先把频率变换为电压或电流, 然后以频率标度
的电压表或电流表指示被测频率。图6 -3 (a) 为频率- 电压变换法测量正 弦波频率原理框图, 首先把正弦信号变换为频率与之相等的尖脉冲uA(t), 然后加至单稳多谐振荡器, 产生频率为fx 、宽度为子、幅度为Um 的矩形 脉冲列uB(t), 如图6 -3 (b) 所示。经推导得知
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6. 1 概述
1) 输入通道 输入通道即输入电路, 用于接收被测信号, 并对被测信号进行放大整形,
然后送入闸门(主门或信号门)。输入通道通常包括A、B 两个独立的单 元电路。 A 通道用于对输入信号进行放大整形、变换输出计数脉冲信号。当闸门 开启时, 计数脉冲信号经过闸门进入十进制计数器, 是十进制计数器的触 发脉冲源。当闸门关闭时, 计数脉冲不能进入十进制计数器。 B 通道的输出用于控制闸门的开启和关闭。输入信号经整形后用于触发 门控电路(双稳态触发器) 使其状态翻转, 以一个脉冲开启闸门, 而以随后 的一个脉冲关闭闸门, 两脉冲的时间间隔为闸门开启时间。
电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测量仪器。按工作原理分类, 测量频率的方法如表6 -1 所示。
无源测频法又称为直读法, 是利用电路的频率响应特性测量频率; 比较测 频法是利用已知的参考频率同被测频率进行比较而测得被测频率; 电子 计数器法是最常用的测频方法之一, 它是利用电子计数器测量单位时间 内被测信号周期个数来实现频率的测量, 它实质上属于比较测频法。电 容充放电法是利用电子电路控制电容器充放电的次数, 再用磁电式仪表 测量充、放电电流的大小而测得被测信号的频率。
测信号进行差频变换来实现频率测量, 如图6 -5 所示。fx 和fs 两个信号 经混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号。当由低到高调整标 准频率fs 使差频信号落在音频信号范围内时, 耳机中听到的声音会由尖 锐逐渐变得低沉而后消失, 再继续调高fs 时, 音调会由低逐渐变得尖锐而 后重新消失, 则耳机声音第一次消失时的标准频率fs 与被测信号频率fx 近似相等。
可见, 当Um、τ一定时, Uo 正比于fx 。所以先经积分电路求uB (t)的平均 值Uo, 再由直流电压表指示即构成频率- 电压变换型直读式频率计, 电压 表可直接按频率标度。该频率计最高频率可达几兆赫兹。
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6. 1 概述
6.1.2 比较测频法
比较测频法主要包括拍频法和差频法。 1.拍频法 拍频法是将被测信号与标准信号经线性元件(如耳机、电压表) 直接进行
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6. 1 概述
6.1.1 无源测频法
无源测频法主要包括谐振法、电桥法和频率- 电压变换法等。 1.谐振法 图6 -1 所示为谐振法测频原理图。被测信号经互感M 与LC 串联谐振回
路进行松耦合,改变可变电容器C 可使回路发生串联谐振。谐振时回路电 流达到最大。被测频率fx 可用下式计算:
式中, f0 为谐振回路的谐振频率; L、C 分别为谐振回路的谐振电感和谐 振电容。
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6. 1 概述
一般情况下, C 是预先设定的, 可变电容采用标准电容。为了使用方便, 可根据式(6 -1) 预先绘制配用相应电感的fx - C 曲线, 或fx - θ(θ为C 的旋 转角度) 曲线。测量时, 调节标准电容使回路谐振, 可从曲线上直接查出 被测频率。
2.电桥法 凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用于测频, 但要求电桥的频率
特性尽可能尖锐,如图6 -2 (a) 所示。测频电桥的种类很多, 常用的有文氏 电桥、谐振电桥和双T 电桥等。 图6 -2 (b) 为文氏电桥法测频原理图。借助R (或C) 的调节, 可使电桥对 被测频率fx 达到平衡, 故可变电阻R (或可变电容C) 上可按频率进行标度 。
单元6 频率和时间的测量
1 6. 1 概述 2 6. 2 通用电子计数器的测量功能
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6. 1 概述
在相等时间间隔内重复发生的现象称为周期现象, 该时间间隔称为周期 。在单位时间内周期性过程重复的次数称为频率, 用周期的倒数来表示, 单位为赫兹(Hz)。频率和周期互为倒数, 是最基本的参量之一。
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6. 1 概述
声音响度变化的频率等于两个频率之差。当两个频率愈来愈接近时, 声 音的节拍越来越慢, 当两个信号频率完全相等时, 合成信号的强度保持不 变, 这时被测频率等于标准频率。
拍频法通常只用于音频测量, 而不宜用于高频测量。 2.差频法 高频段测频常用差频法测量。差频法是利用非线性器件和标准信号对被
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6. 1 概述
6.1.3 电子计数器概述
1.电子计数器的分类 按测试功能的不同, 电子计数器分为以下几类。 1) 通用电子计数器 通用电子计数器即多功能电子计数器。它可以测量频率、频率比、周期
、时间间隔及累加计数等量, 通常还具有自检功能。 2) 频率计数器 频率计数器是指专门用于测量高频和微波频率的电子计数器, 它具有较
叠加而实现频率测量, 如图6 -4 所示。 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的音调。当
这两个信号的频率差值介于4 ~6 Hz 时, 就只能听到一个近于单一音调的 声音, 这时声音响度呈周期性变化, 再观察电压表, 会发现指针在有规பைடு நூலகம் 地来回摆动, 示波器上将得到如图6 -4 (b) 所示的波形。