4时间与频率的测量分解

1）天文时标
◆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。
◆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。
数字法 电子计数器法
李沙育图形法 测周期法
4.2 时间与频率标准
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
4.2.1 时间与频率的原始标准
◆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。
第四章 时间与频率的测量
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
1）时间和频率的定义 ◆时间有两个含义：
“时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。
2）原子时标
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。
基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足：
➢ 设备庞大、操作麻烦； ➢ 观测时间长； ➢准确度有限。
2）原子时标
◆原子时标（AT）的量子电子学基础
原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或 辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。
hfn-m=En-Em
h=6.6252×10-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个 能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。
4.3.1 模拟测量原理
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，可分 为谐振法和电桥法两种。
（1）谐振法：被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行松耦
合.
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
M L
fxf021LC
fx
C
I
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
4.2.2 石英晶体振荡器
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： 石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生
机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率 相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的 反应。
4.2.2 石英晶体振荡器
输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波动:2×10-10 ；日老化:1×10-10；秒稳:5×10-12。 输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)。
◆几种不同类型的晶体振荡器指标
晶振类型 输出频率(MHz) 日稳定度 准确度
普通 温度补偿 单恒温槽 双恒温槽
◆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
3）测量方法概述
频率的测量方法可以分为：
电桥法 直读法
模拟法
谐振法 拍频法
频率测量方法
比较法 差频法 示波法
电容充放电法
◆频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数
（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了 N次，则频率可表达为：
f＝N/T
◆时间与频率的关系：可以互相转换。
4.1 概述
2) 时频测量的特点 ◆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。
➢ 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。
1）天文时标
➢ 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 。
➢ 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1秒。参考点为 1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达 1×10－9 。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。
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。
绝热层
温度控制
加热器
传感器
晶体电路 频率调整
AGC放大器
隔离放大器
输
出
4.2.2 石英晶体振荡器
◆晶体振荡器的主要指标有:
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）。
1，10 Βιβλιοθήκη Baidu，5，10 1，2.5，5，10 2.5，5，10
10-5~10-6 10-6~10-7 10-7~10-9 10-9~10-11
10-5 10-6 10-6~10-8 优于10-8
4.3 时间和频率的测量原理
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