第三章 时间频率计量

二、时标的沿革 （1）世界时 以地球的自转运动为基础。 时间单位是平太阳秒，等于一个平太阳日的 1/86400。 （2）历书时 以地球绕太阳的公转运动周期为基础。 时间单位是历书秒，它是从1899年12月31 日12时起始的回归年的1/31556925.9747。
（3）国际原子时 时间单位是原子秒，等于铯-133原子基态的 两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 9192631770个周期的持续时间。 国际原子时与世界时之差，正以每年大约1s 的速度不断扩大。 （4）协调世界时 其时刻尽量和世界时一致，时间间隔秒与原 子秒保持严格一致。通过增减一整秒（闰秒） 的办法进行协调。
第三章 时间频率测量（电子计数法）
3.1 概述
一、基本概念 时间是一个基本的物理量，单位是秒（s）。 在单位时间内周期运动重复、循环、振动的 次数称为频率，单位是赫兹（Hz）。 时间间隔是连续流逝的时间中两个瞬时之间 的间隔，可用时间坐标轴上的线段来表示。 作为线段中任何一点的瞬间称为时刻。 时标是能给各个事件赋予时刻的时间参考标 尺的简称。
图3.1 时基的产生

二.频率计数器的组成
图3.2 计数式频率计测频原理图
将被测信号通过放大、整形，形成可以计数的方波，然后根据门 控信号的作用时间通过闸门计数。在计数器中闸门称为主门。 进行脉冲计数，它是一个二－十进 制计数器，以十进制方式显示。 控制计数器的工作程序 由石英晶振 产生标准频 率，经放大、 整形和分频 后，得到不 同的时标， 通过“闸门 时间”选择 开关S，选出 需要的时标 加到门控电 路，形成门 控信号。
fx
fA fL=mfc
倍频
fc
3.3 电子计数法测量周期
1、测量原理 Tx=NTc=N/fc 为了提高测量准确度，可经过分频电路增大闸门开 启时间，这也称为“周期倍乘”法
2、误差分析
Tx
Tx

N
N

Tc
Tc
1 1 极限计数误差 N 1 ，所以 Tc N N Tx f c Tx
相位－电压变换法：相差→电压测量
u1 u2
u2
图3.15
图3.16
t NT0 NT0 Nf 360 360 t 360 T f0 T
若让计数器在1s内连续计数， 即1s内有f个门控信号，则 其累计数为N1＝fN
360 N1 f0
一、时间基准的产生 频率是每秒内信号变化的次数。要准确测量频率必须 首先要确定一个准确的时间间隔。一般选用高稳定度 石英晶体谐振器来产生时间基准。 设石英晶体振荡器产生的 脉冲周期为T0，经过一系 列分频后可得到基准标准 的时基，如10ms, 0.1s, 1s, 10s等。如图所示，T＝ N0T0，N0是时基T内含有 晶振本身振荡周期的整数 倍数。

f T c 闸门时间的相对误差为： T fc
2、闸门时间误差 3 、总测量误差
英晶体振荡器的频率。
，其中， fc为石

1 f x f c Tf fx fc x

T=1s
fx/fx
T=10s

fx (Hz)
源自文库
图3.9 测频时的误差曲线
测量低频时，由于量化误差产生的测量误差很大，



工作过程： 在校准电路时，将S1打开，在两个输入端同时加一个峰值 电压为5V的低频(50~100Hz)正弦或方波信号，在输出端与 地之间接一数字电压表，对输出电压进行监测。 当DVM读数为0时，相当于相位差00。S1闭合，调节RP1， 此时DVM读数为1.80V，相当于相位差1800。调试结束后， S1打开，电路即可做常规测量。
（1）磁选态热束型铯原子时间频率基准
（2）激光 冷却铯原子 喷泉钟
（3）晶体振荡器 利用石英晶体谐振器的压电效应制成。
四.时间频率量值的传递
1、直接检定 2、搬运钟比对 3、利用电磁波信号接收比对 （1）利用电视信号 （2）利用卫星 GPS全球定位系统 俄全球卫星导航系统 伽利略计划 北斗导航计划
(0.5Um)
(0.1Um)
图3.19 用计数器测tr和tw的原理电路
为了提高准确度，需要采用精密电位器，比较器、 放大器、与门、时钟等均需由高速电路组成。
图3.20 用计数器测tr和tw的波形
若取时标f0＝360Hz
N1
数字相位计举例 A1B、A1C为输入信号 的过0检测器。为了 保护LM339，用四只 二极管VD1～VD4对 同相输入信号钳位在 正、负管压降之内。
缓冲器 (当S1断 开时)
构成分压器和低通积分滤波 器，对输出信号分别进行标 定和滤波。 由于U2C和U2D输出一个正脉 冲，它与uiA和uiB的过0时间 差成比例，所以C1两端的平 均电压也与两端输入信号的 绝对相位差成比例
所以测量低频时不宜采用直接测频方法，宜采用测 周期的方法，再换算成被测信号的频率，从而提高 测量的精确度
fc/fc=5*10-9

由右图知： fx一定时，闸门 时间越大，测量 精确度越高； T 一定时， fx越 大，测量精确度 越高；但以标准 频率误差为极限
T=0.1s
五、外差法扩大频率测量范围

我国陕西天文台是规模较大的现代化授时 中心，它有发播时间和频率的专用电台。 台内有氢原子钟和铯原子钟，成为我国原 子时间标准。它能够保持三万年以上1s 的偏差。中央人民广播电台的北京时间报 时声，是由陕西天文台授时给北京天文台， 再通过中央人民广播电台播发的。
3.2 电子计数法测量频率
fx=N/T
N
时基误差： Tx
Tx
1 f c N fc
Tc f c T fc x

为了减小量化误差，可以把Tx扩大m倍。通常 采用“周期倍乘 法” ，取m =10i,(i=0,1,2,…。这时：
Tx
Tx
Tc f c mT fc x
闸门 选择
段驱 动线
位驱 动线
图3.4 (a) 频率计主电路
放大及限幅电路
双向限幅电路使输入脉冲能安全 地加到F1输入端。
反相器F1起放大作用。当输 入信号幅度高于2Upp时， 它起缓冲器的作用。当数 字输入信号低于－0.6V或 高于+5.6V时，对输入信号 限幅在6Upp上
图3.4 (b)
四.误差分析
2、原子频率标准 原子频率标准可分为主动型(有源)和被动型 (无源)两种。主动型的有氢激射器、铷激射 器等，由量子振荡器直接输出标准频率信号； 被动型的有铯原子束频率标准、气泡型铷原 子频率标准和吸收型氢原子频率标准等，它 们的量子系统不能直接输出标准频率信号， 而是通过量子系统的受激跃迁吸收程度（谐 振与否）得到误差信号，去修正压控晶体振 荡器的频率，由晶体振荡器输出标准频率信 号。
fx f N N T x T fx N T


门控信号 N＝7 N＝6
第一项称为计 数误差，也称 为1误差； 第二项是闸门 时间相对误差， 这项误差取决 于石英晶体振 荡器所提供的 标准频率的准 确度。
t
图3.5 测频时的波形图


1、计数误差（ 1误差）
特点：不管计数值N为多少，最大误差总是1个量 化单位。 N 1 1 最大计数误差的相对值为： ，其中T为 N N Tf x 闸门时间，fx为被测频率。 • 选择闸门时间的原则：既不使计数器产生溢出，又 使测量准确度最高
图3.17（b） 低频相位检测计波形图
3.7 用计数式频率计测量频率比
图 3.18
fA/fB=TB/TA=N 为了提高测量准确度，可将频率为fB的信号的周期 扩大，使主门开放时间增加10，100，1000倍。
3.8 用脉冲计数法测量脉冲上升时间tr和脉宽tw
A1~A3均为比较器
(Um)
(0.9Um)
1 f c mT f fc x c

3.4 电子计数法测量时间间隔
图3.14 用计数器测时间间隔
3.5 外控时间间隔测量
tx=NT0
3.6 相位的测量
示波器测量 零示法：与标准相移器相比较
相 位 测 量
相位－时间变换法：相差→时间间隔→数字测量
图3.16(a) 低频相位检测计电路图
U2C、U2D并联(图中只画 了一个)以减小输出阻抗
A1D和VT1组成单位增 益放大器，它对C1上 的电压既有缓冲作用， 又降低了输出阻抗
C2通过R9建立一个最佳 工作点，使比较器A1D稳 定地工作在线性区
图3.16(a) 低频相位检测计电路图
图3.16(a) 低频相位检测计电路图
时基产生与变换单元
三.高精度10MHz频率计
产生10MHz基准频率，R2用来给内部振荡电路 提供直流反馈偏置，用来微调晶体振荡频率 显示关闭，即数码管全灭，但 仍存储数码信号，低功耗模式 显示测试，检查LED模 式，即数码管全亮
LPF,以防止 IC1的1脚引 入大电流， 产生噪声
经放大 和限幅 后的输 入信号
三、频率标准 1、原子频标原理 根据量子理论，原子或分子只能处于一定的 能级，其能量不能连续变化，只能跃迁。当由 一个能级向另一个能级跃迁时，会以电磁波的 形式辐射或吸收能量，其频率f 取决于两能级 之间的能量差，即: f=/h。式中，h为普朗克 常数；为跃迁能级间的能量差。从高能级 向低能级跃迁，辐射能量；反之，则吸收能量。 与此相对应，原子频标亦可分为激射型和吸收 型两类。该现象是微观原子或分子所固有的， 非常稳定。若能设法使原子或分子受到激励， 便可得到相应的稳定而又准确的频率。