频率和时间的测量技术

2
Tx U n T1 2 U m
Tx U n T2 2 U m
Tn
Tn Tx
T1
2
2
T2
2
2
T1
T2 Tx
1 Un 2 U m
3.多周期测量
进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和± 1误差。
Tx VB V´B
· ·
x
2
ΔT 2
Tx
T1
T2
x
10T
x
T10
x
ΔT 1 图
10T´x 多周期测量可减小转换误差
·· ΔT 2
· ·
· ·
A´
A2
A A ´9 9
A A´10 10
VB V´B
无干扰
有干扰
Tx f c Tc f c f c 1 1 ( ) ( )= ( ) Tx N fc Tx fc Tx f c fc
来自百度文库
计数显示电路 译码器 显示器
晶振
fc
分频 整形
10ms
控制（逻辑） 电路 控制电路
测频原理框图
10s
时钟T产生电路
Tx=NTc
被测信号
晶振
T=NTx
晶振
被测信号
Tx NTc
• 二、 误差分析
1、量化误差和基准频率误差
Tx f c T f c f c 1 1 ( ) ( c )= ( ) Tx N fc Tx fc Tx f c fc
fM fc T
1 1 故 f xT Tx f c
则
式中，f M 为中界频率，f c 为标准频率，T为闸门时间。
2、若测频时扩大闸门时间n倍，测周时周期倍乘k倍：
§3.1 标准频率源
• 2.氢原子钟：亦称为氢原子激射器，精度10-12量级。 • 3.铷原子钟：精度10-11量级。
• 4.离子储存频标：亦称为离子阱频标，预计其精度可
达10-15~10-16量级。
§3.2 电子计数法测量频率
• 一、测频原理
1.基本原理 ：根据频率的定义，若某一信号在T秒时间 内重复变化了N次，则该信号的频率为：
• 3、闸门时间误差(标准时间误差):
f c T T fc
– 结论：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对 误差
• 4、测频总误差:
f x f c 1 f c 1 ( ) ( ) fx N fc f xT fc
• 三、提高测频准确度应采取以下措施:
– （1） 提高晶振的准确度和稳定度，以减小闸门时间 误差 – （2）扩大闸门时间或倍频被测信号，以减小±1误 差 – （3）当频率较小时，应采用测周法。
– (1) 时基T是否准确 – (2)计数值N是否准确
– 2、量化误差--±1误差
图 T=7Tx的示意图
图 T=7.4Tx的示意图
N 1 1 N N f xT
• 结论:
• (1)不论N值为多少,其最大误差总是±1个计数单位,故 称“±1误差” • (2)脉冲计数相对误差与被测信号频率成反比,与闸门 时间成反比.
(3) 计数显示电路:
作用:计数被测周期信号重复的次数,并显示被测信号的频 率
(4)控制电路：
产生各种控制信号，使整机按一定的工作程序完成自动测 量的任务。
测频原理的实质:以比较法为基础,把被测信号频率 与已知信号的频率相比,将比较的结果以数字的 形式显示出来.
• 二、误差分析
– 1、误差来源:
N fx T
2.组成框图
Ux fx 放大 整形 a c 主门 （与门） b 门控 （双稳） 控制（逻辑） 电路 计数 电路 译码器 显示器
晶振
fc
分频 整形
10ms
10s
(1) 时基T(闸门时间T)产生电路:
作用:提供准确的计数时间T
频率计数器组成原理框图
(2) 计数脉冲形成电路: 作用:把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲
4.结论 1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、触发 误差以及标准频率误差。
2)采用多周期测量即周期倍乘可提高测量准确度；
3)提高标准频率，可以提高测周分辨力； 4)测量过程中尽可能提高信噪比Um／Un。
三、 中界频率
测频的量化误差 T=1S 10S 0.1S 测周的量化误差
1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 1Hz 图
fc=10MHz fc=100MH z f =1GHz
c
100MHz
1KHz
fM
1MHz
100MHz
f
测频量化误差与测周量化误差
三、 中界频率 1、定义：对某信号使用测频法和测周法测量频率，两者引 起的误差相等，则该信号的频率定义为~。 因
f x Tx fx Tx
令
1 fx fM Tx
第三章 频率和时间的测量技术
直接法
模拟法
计数法
电桥法 谐振法 差频法 比较法 拍频法 示波法 电容充放电法 电子计数式
§3.1 标准频率源
• 1.原子频标的基本原理
– 根据量子理论，原子或分子当由一个能级向另一个能 级跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其 频率严格地决定于两能级之间的能量差，这种现象是 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。 – 1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义： 秒是Cs-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的 辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。 – 铯原子钟精度达10-13~10-14量级 – 2003年中国计量科学研究院：冷铯原子喷泉钟。
2、触发误差
du x tan dt
ux U m sin xt
du x tan dt
u x U B
Un T1 tan
du x tan dt
xU m cos x tB
u x U B
u x u B
UB 2 U m 2 2 U m 1 sin x t B 1 Tx Tx Um
§3.3电子计数法测量周期
• 一、电子计数法测量周期的原理
计数脉冲形成电路 晶振
Uc
计数显示电路 计数 电路 译码器 显示器
放大 整形
UD
UE 主门 （与门） UB
Ux fx
放大 整形
UA
门控 （双稳）
控制（逻辑） 电路 控制电路
测周原理框图
时钟T产生电路
计数脉冲形成电路 Ux fx 放大 整形 a c 主门 （与门） b 门控 （双稳） 计数 电路