4时间与频率的测量概论

电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称 “晶振”）为基准信号源。
基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度 影响（其频率-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10-5。
采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高 稳定、高准确的频率输出。
电容充放电法 测周期法
电子计数器法
4.2.1 时间与频率的原始标准 1）天文时标 2）原子时标
4.2.2 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标
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。
M L
fx
C
I
fxf021LC
可测量1500MHz以下的频率，准确度±(0.25～1)%。
1）直接法
( 2）电桥法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来
进行频率测量,通常采用文氏电桥来进行测量。调节R1、R2
使电桥达到平衡，则有
C1
（ R 1 + j1 x C 1 ） R 4 ＝ （ R 1 2 ＋ 1 jx C 2 ） R 3
（自学部分）
4.3.1 模拟测量原理 1）直接法 2）比较法
4.3.2 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
1）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，其 又可细分为谐振法和电桥法两种。
（1）谐振法：调节可变电容器C使回路发生谐振，此时回
路电流达到最大(高频电压表指示)，则
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）。
◆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 。
1
2RC
测量准确度影响因素：
受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取 决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号 的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为±(0.5～1)%。
◆基本原理
利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率：拍 频法、外差法、示波法以及计数法等。
数学模型为： fx Nfs
◆测量准确度高
时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），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 ◆测量速度快
4.1 概述
频率的测量方法可以分为：
模拟法
直读法
电桥法
谐振法 拍频法
频率测量方法
数字法
比较法 差频法 李沙育图形法 示波法
4.1 概述 4.2 时间与频率的原始基准 4.3 频率和时间的测量原理 4.4 电子计数器的组成原理和测量功能 4.5 电子计数器的测量误差 4.6 高分辨时间和频率测量技术
4.1 概述
◆最常见和最重要的测量
时间是7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 疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。
通用电子计数器的组成框图：
通用计数器包括如下几个部分
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。
门控电路：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。 时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，
◆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。
历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即 公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为
原子时标的定义
1967年10月，第13届国际计量大会正式 通过了秒的新定义：
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4-5个量级，达5×10-14(相当 于62万年±1秒)，并仍在提高。
闸门可由一个与（“或”）逻辑门电路实现。这种测量方
法称为门控计数法。
TA
TA
A
B
TB
与
TB
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门
C
“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。
R3
R1
fx
R2 R4
C2
fx 2x2R 1 1 R 2C 1C 2
1）直接法
令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：
R1 C2 R3 R2 C1 R4
和R 1xC 2R2 1xC 10
于是，被测信号频率为：fx 2 x2 R 1 1 R 2 C 1 C 2
通常取R1=R2=R,
C1=C2=C，则fx
4.4.1 电子计数器的组成
1）A、B输入通道 2）主门电路 3）计数与显示电路 4）时基产生电路 5）控制电路