第五章 频率、时间和相位差的测量

电子计数法测周原理
被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其 宽度等于KfTx。晶体振荡器的输出或经倍频后得到频 率为mfs的标准信号，其周期为Ts/m ，加于主门输入 端，在闸门时间Tx内，标准频率脉冲信号通过闸门形 成计数脉冲，送至计数器计数，经译码显示计数值N。
T x = NT
KfTx Ts/m fs=1/Ts 晶振 Ts/m
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⎧ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 模拟法 ⎨ ⎪ ⎪ 频率测量方法 ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎧ ⎪ 计数法 ⎨ ⎪ ⎩ ⎩
⎧ 电桥法 直读法 ⎨ ⎩ 谐振法 ⎧ 拍频法 ⎪ ⎪ 差频法 ⎪ 比较法 ⎨ ⎪ ⎧ 李沙育图形法 ⎪ 示波法 ⎨ ⎪ ⎩ 测周期法 ⎩ 电容充放电式 电子计数式
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3)缺点：需要精密的天文观测，设备庞大、手续繁杂、 观测周期长，准确度有限。 ②原子时(AT)秒 1)定义：秒是Cs133 原子基态的两个超精细结构能级 [F=4, mF=0]和[F=3, mF=0]之间跃迁频率响应的射线 束持续9192631770个周期的时间； 2)准确度：其准确度可达±5×10-14秒； ③协调世界时(UTC)秒 1)原因：原子时秒准确度高，但只考虑时间间隔；世 界时秒准确度不高，却既可以考虑时间又可以考虑 时间间隔。
晶振 分频器 (1/Kf)
K f Ts
门控电路 显示器
fs=1/Ts
2．测量信号频率的原理
K f Ts = N Tx / m
N = mK f T s f x
T = mK f T s
式中，T为时间，单位为“s”。式中，N为闸门开启期 间十进制计数器计出的计数脉冲个数；fx 为被测信号 频率，其倒数为周期Tx；Ts 为晶振信号周期；m为倍 频系数；Kf为分频系数，调节Kf的旋钮称为“闸门时间 选择”（或“时基选择”）开关，与Ts的乘积等于实际闸 门时间。K=mKf 为等效闸门时间倍乘系数，T为等效 闸门时间。 为了使N值能够直接表示fx，常取T=1ms、10ms、 0.1s、1s、10s 等 几 种 闸 门 时 间 。 即 当 闸 门 时 间 为 1×10ns(n为整数)，并且使闸门开启时间的改变与计数 器显示屏上小数点位置的移动同步进行时，无需对计 数结果进行换算，就可直接读出测量结果。。
df s dT = − K 2 fs
dT T
df = − f
s s
∆fs ∆T = − T fs
∆f s ∆f x 1 =± + fx mK f Ts f x fs
⎛ ∆f x ∆f s ⎞ 1 ⎟ = ±⎜ + ⎜ mK T f ⎟ fx fs ⎠ f s x ⎝
5.3
5.3.1
电子计数法测量周期
∆Tx ∆fs 1 = ± − Tx mK f f s T x fs
⎛ ∆ Tx ∆f s ⎞ 1 ⎟ = ±⎜ + ⎜ mK f T Tx fs ⎟ f s x ⎝ ⎠
2．触发误差 在测量周期时，被测信号经放大整形后作为时间闸门 的控制信号(简称门控信号)，因此，噪声将影响门控 信号(即Tc)的准确性，造成所谓触发误差。若被测正 弦信号为正常的情况，在过零时刻触发，则开门时间 为Tx。 若存在噪声，有可能使触发时间提前△T1，也 有可能使触发时间延迟△T2 。Un为被测信号上叠加的 噪声“振幅值”，门控电路触发电平为Up。
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②频率计数器：是指用来测量频率的电子计数器，测 量范围很宽，在高频和微波范围内的计数器均属于 这一类； ③时间间隔计数器：主要用来测量信号时间间隔的电 子计数器。一般测量两个脉冲的时间间隔，也可以 测量一个脉冲的宽度、占空系数、信号的上升或下 降时间等； ④特种计数器：是指具有特殊功能的电子计数器。一 般包括可逆计数器、预置计数器、程序计数器和差 值计数器等。它们主要应用于工业生产自动化，特 别是自动控制和自动测量方面。
T = NTx + ∆t1 − ∆t2
⎛ ∆t1 − ∆t2 ⎞ ⎟Tx = ( N + ∆N )Tx =⎜N + ⎟ ⎜ Tx ⎠ ⎝
∆ t1 − ∆ t 2 ∆N = Tx
N
∆N 1 1 =± =± N N mK f Ts f x
2．闸门时间误差(标准时间误差)
1 T = KTs = K fs
5.3.2
误差分析
1．量化误差和标准频率误差
dTx = TdN + NdT
dT x dN dT = + Tx N T
∆ Tx ∆ N ∆ T = + Tx N T
1 df s dT = − ⋅ 2 K fs
df s dT =− T fs
∆f s ∆T =− T fs
1 1 ∆N =± =± N N mK f f sT x
5.1.5
电子计数器的电路组成
1．输入通道 输入通道即输入电路，其作用是接受被测信号，并对 被测信号进行放大整形，然后送入闸门（即主门或信 号门）。输入通道通常包括A、B两个独立的单元电路。 ①A通道是计数脉冲信号的通道。它对输入信号进行 放大整形、变换，输出计数脉冲信号。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；
2π U m 1 − (
Up Um
)
2
Up = 0
∆ T
1
= ∆ T
2
T x U = ⋅ 2π U
5.2.2
误差分析
1．量化误差—±1误差 在测频时，闸门的开启时刻与计数脉冲之间的相对位 置是随机的，这便是量化误差产生的原因。 T为计数器的闸门开启时间； Tx为被测信号周期； △t1为闸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)； △t2为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间； N为计数值，
5.1.4
电子计数器的分类
1．按照测频量段不同分类
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①低速型计数器：最高计数频率不大于10MHz； ②中速型计数器：计数频率为10~100MHz； ③高速型计数器：最高计数频率大于100MHz； ④微波计数器：测频范围为1~80GHz或更高。 2．按照计数器的功能分类 ①通用计数器：是指具有测量频率和时间两种以上功 能的计数器，一般应有下列几种功能：测频、测时、 测周期、测频率比和累加计数功能。智能计数器、 计算计数器是通用计数器派生出来的，是带有微处 理器的通用计数器；
Un ∆ T1 = tg α
Un ∆ T2 = tg α
du x tg α = |u x = u p ⋅t = t p dt
= 2π f x U m cos ω x t p
2π 2 = U m 1 − sin ω x t p Tx
2π = U Tx
m
1− (
U nT x
U U
p m
)
∆ T1 = ∆ T2 =
第五章 频率、时间和相位差 的测量
本章重点
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 概述 电子计数法测量频率 电子计数法测量周期 电子计数法测量时间间隔 电子计数法测量相位差 电子计数的其它功能 首页
重点
1.频率、时间和相位差的基本概念 2.计数法测量频率、时间和相位差 3.电子计数的其它功能
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2)广播发射机的频率测量，其精确度应达到±1×105Hz。 3)单边带通信机的频率测量，其精确度应达到 ±1×10-7Hz。 4)对于各种等级的频率标准，则应在±1×108~±1×10-13Hz。 2．频率测量方法分类 1) 比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较， 通过比较结果，获得被测信号的频率。 2)电容充放电式是利用电子电路控制电容充放电的次 数或时间常数，再用磁电式仪表测量充放电电流的 大小，从而指示出被测信号的频率值。
3．标准时间产生电路 标准时间信号由石英晶体振荡器提供，作为电子计数 器的内部时间基准。测量周期（测周）时，标准时间 信号经过放大整形和倍频（或分频），用作测量周期 或时间的计数脉冲，称为时标信号；测频时，标准时 间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电 路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。 4．逻辑控制电路 逻辑控制电路产生各种控制信号，用于控制电子计数 器各单元电路的协调工作。每一次测量的工作程序一 般是：准备→计数→显示→复零→准备下次测量等。
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2) 电子计数式是根据频率的定义进行测量的一种方法， 它用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周 期个数来实现频率的测量。由于数字电路的飞速发 展和数字集成电路的普及，计数器的应用已十分广 泛。利用电子计数器测量频率具有精确度高、显示 醒目直观、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，所以该法是目前最好的，也是 我们将要详细讨论的测频方法。
5.1.3
相位差测量方法概述
①两个频率相同的正弦量间的相位差是常数，等于两 正弦量的初相角之差。
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②测量相位差的方法很多，主要有： 1)用示波器测量； 2)把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔再换 算为相位差； 3)把相位差转换为电压，先测量出电压再换算为相位 差； 页
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5.1
5.1.1
概述
时间与频率的基本概念
1．时间的定义与标准 ①时间的单位 1)年、2)月、3)星期、4)日、5)小时、6)分钟、 7)秒、 8)毫秒、 9)微秒、 10)纳秒、 11)皮秒。 ②时间的含义 1)时刻、2)间隔。
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2．频率的定义与标准 ①周期：周期过程重复出现一次所需要的时间称为它 的周期，记为T ，单位为秒。 ②频率：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，单位为赫兹。 3．时频基准 ①世界时(UT)秒 1 ) 定 义 ： 将 1 9 0 0年 1月 1日 零 时 整 起 算 的 回 归 年 的 1/31556925.9747作为1秒； 2)准确度：±1×10-9秒；