1、第三章第三章 频率和时间的测量技术频率和时间的测量技术 直接法直接法 电桥法电桥法 模拟法模拟法 谐振法谐振法 差频法差频法 比较法比较法 拍频法拍频法 示波法示波法 计数法计数法 电容充放电法电容充放电法 电子计数式电子计数式3.1 标准标准频率源频率源 1.原子频标的基本原理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，
2、非常稳定。若能设法使原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子或分子受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率。频率。 1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：秒是秒是Cs-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。个周期的持续时间。 铯原子钟精度达铯原子钟精度达10-1310-14量级量级 2003年中国计量科学研究院：冷铯原子喷泉钟。年中国计量科学研究院：冷铯原子喷泉钟。3.1 标准标准
3、频率源频率源 2.氢原子钟：氢原子钟：亦称为氢原子激射器，精度亦称为氢原子激射器，精度10-12量级。量级。 3.铷原子钟：铷原子钟：精度精度10-11量级。量级。 4.离子储存频标：离子储存频标：亦称为离子阱频标，预计其精度可亦称为离子阱频标，预计其精度可达达10-1510-16量级。量级。 3.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率 一、测频原理一、测频原理1.基本原理基本原理 ：根据频率的定义，若某一信号在根据频率的定义，若某一信号在T秒时间秒时间内重复变化了内重复变化了N次，则该信号的频率为：次，则该信号的频率为： xNfT2.组成框图组成框图(1) 时基时基T(闸门时间闸门时间T)
4、产生电路产生电路: 作用作用:提供准确的计数时间提供准确的计数时间T频率计数器组成原理框图频率计数器组成原理框图(2) 计数脉冲形成电路计数脉冲形成电路: 作用作用:把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲(3) 计数显示电路计数显示电路:作用作用:计数被测周期信号重复的次数计数被测周期信号重复的次数,并显示被测信号的频并显示被测信号的频率率(4)控制电路：控制电路：产生各种控制信号产生各种控制信号，使整机按一定的工作程序完成自动测，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。量的任务。测频原理的实质测频原理的实质:以比较法为基础以比较法为基础,把被测信号频率把被
5、测信号频率与已知信号的频率相比与已知信号的频率相比,将比较的结果以数字的将比较的结果以数字的形式显示出来形式显示出来. 二、误差分析二、误差分析 1、误差来源、误差来源: (1) 时基时基T是否准确是否准确 (2)计数值计数值N是否准确是否准确 2、量化误差、量化误差-1误差误差图图 T=7Tx的示意图的示意图图图 T=7.4Tx的示意图的示意图结论结论: (1)不论不论N值为多少值为多少,其最大误差总是其最大误差总是1个计数单位个计数单位,故故称称“1误差误差” (2)脉冲计数相对误差与被测信号频率成反比脉冲计数相对误差与被测信号频率成反比,与闸门与闸门时间成反比时间成反比.TfNNNx11
6、 3、闸门时间误差、闸门时间误差(标准时间误差标准时间误差): 结论：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对结论：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差误差 4、测频总误差、测频总误差:)1()1(ccxccxxffTfffNffccffTT 三、提高测频准确度应采取以下措施三、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，以减小闸门时间提高晶振的准确度和稳定度，以减小闸门时间误差误差 （2）扩大闸门时间或倍频被测信号，以减小）扩大闸门时间或倍频被测信号，以减小1误误差差 （3）当频率较小时，应采用测周法。）当频率较小时，应采用测周法。3.3电子计数法测量周期电
7、子计数法测量周期 一、电子计数法测量周期的原理一、电子计数法测量周期的原理测周原理框图测周原理框图测频原理框图测频原理框图被测信号被测信号晶振晶振Tx=NTc晶晶振振被被测测信信号号T=NTx 二、二、 误差分析误差分析11()()=()xccccxcxcxccTfTffTNfTfT ff 1、量化误差和基准频率误差、量化误差和基准频率误差xcTNT2、触发误差、触发误差BxUuxdtdutantan1nUT tUuxmxsinBxUuxdtdutan22tancos221sin1xBxuuxmx BmBmx BxxmduUtdtUUUtTTUmnxUUTT21mnxUUTT222221TTT
8、nmnxxnUUTTTTT2122213.多周期测量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进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和 1 1误差。误差。图图 多周期测量可减小转换误差多周期测量可减小转换误差 V VB BA A 2 2V V B B V VB BA A 9 9A A9 9A A 1010V V B BT Tx x1010T T x x T T1 1T T1 1x x无干扰无干扰A A 2 2T T2 2x x T T2 2T T1 01 0 x x1010T Tx x T T2 2A A 1010T Tx x有干扰有干扰4.结论结论1)用计数器直接测周的误差主
9、要有三项，即量化误差、触发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。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；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测量过程中尽可能提高信噪比UmUn。11()()=()xccccxcxcxccTfTffTNfTfT ff 100MHz100MHz图图 测频量化误差与测周量化误差测频量化误差与测周量化误差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010
10、-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MH=100MHz z测频的量化误差测频的量化误差测周的量化误差测周的量化误差Mff f100MHz100MHz三、三、 中界频率中界频率三、三、 中界频率中界频率 式中，式中， Mf为中界频率，为中界频率， cf为标准频率，为标准频率，T为闸门时间。为闸门时间。 MxxfTf1TffcM令令 则则 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 1、定义：对某信号使用测频法和测周法测量频
11、率，两者引、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起的误差相等，则该信号的频率定义为。2、若测频时扩大闸门时间、若测频时扩大闸门时间n倍，测周时周期倍乘倍，测周时周期倍乘k倍：倍：cMk ffn T例某频率计若可取的最大的例某频率计若可取的最大的T、fc值分别为值分别为10s、100MHZ，并取并取k=104，n=102，试确定该仪器可选择的中界频率。，试确定该仪器可选择的中界频率。1.基本原理基本原理3.43.4电子计数法测量时间间隔电子计数法测量时间间隔2、测量类型、测量类型(1)当开关闭合时当开关闭合时,测量同一信号波形上的任意两点的时测量同一
12、信号波形上的任意两点的时间间隔间间隔.(2)当开关断开时当开关断开时,测量两信号间的时间间隔测量两信号间的时间间隔.3、误差分析、误差分析（1）表达式：）表达式：（2）减少测量误差应采取的措施：）减少测量误差应采取的措施：1)选用频率稳定性好的标准频率源选用频率稳定性好的标准频率源,以减小标准频率误以减小标准频率误差差.2)提高信噪比以减小触发误差提高信噪比以减小触发误差.3)提高频率提高频率fc,以减小量化误差以减小量化误差,不能采用被测时间不能采用被测时间TX扩扩大大K倍法倍法)211(mncccxxxuufffTTT4.相位测量相位测量Tt360则则 t对应的相位可以计得对应的相位可以计
13、得360Ttt t T T360360t t5.5.脉冲时间参数测量脉冲时间参数测量 例、某频率计最高标准频率为例、某频率计最高标准频率为10MHz,若忽略标准频率误若忽略标准频率误差与触发误差差与触发误差,当被测时间间隔为当被测时间间隔为50s和和5 s时时,其测量误其测量误差多大差多大? 若最高标准频率一定若最高标准频率一定,且给定最大相对误差时且给定最大相对误差时,则仅考虑量化则仅考虑量化误差所决定的最小可测量时间间隔可由下式给出误差所决定的最小可测量时间间隔可由下式给出: 例例4 某频率计某频率计fcmax=10MHz, rmax=1%, 求求Txminmaxmaxmin1rfTcx3
14、.53.5 通用计数器通用计数器 电子计数器问世于五十年代初期，它是出现最早、发展最快的电子计数器问世于五十年代初期，它是出现最早、发展最快的类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比，面貌已焕类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比，面貌已焕然一新。然一新。 一、一、 通用计数器的功能通用计数器的功能1.1.自检自检 输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主门门倍倍 频频 晶晶 振振 k k次次N Nf fc cT=k/T=k/f fc cT TN Nn n次次f f0 0=1/T=1/T0 0=n nf fc c=f f0 0T T0 0NTNT0 0= =T TN=T/N=
15、T/T T0 0= =k k/f/fc cn nf fc c=kn=kn= =T T0 0这里有无这里有无1 1误差？误差？210610810实际原理框图：实际原理框图： 图图 自检原理方框图自检原理方框图2 21ms1ms5 510101010101010101010101010101010晶振晶振5MHz5MHz10ns10ns100ns100ns1s1s10s10s100s100s1ms1ms10ms10ms100ms100ms1s1s10s10s0 01 12 21 13 31S1S闸门时间选择闸门时间选择时标信号选择时标信号选择门 控 双门 控 双稳稳主门主门计数、显示计数、显示N=
16、100000000N=1000000002.2.频率比频率比(A(AB)B)的测量的测量频率比频率比A AB B是加于是加于A A、B B两路的信号源的频率比值。两路的信号源的频率比值。图图 频率比测量原理方框图频率比测量原理方框图B B0 01 12 21 13 3T TB B主门主门计数、显示计数、显示门控双稳门控双稳放大、整形放大、整形放大、整形放大、整形A Af fA AT TB BT TB BT TA ABAABTfNTf10nABfNf3.3.累加计数累加计数( (计数计数A A的测量的测量) ) 累加计数是在一定的时间内累加计数是在一定的时间内( (通常是比较长的时间内，如自动通
17、常是比较长的时间内，如自动统计生产线上的产品数量统计生产线上的产品数量) )记录记录A A信号（如产品通过时传感器信号（如产品通过时传感器产生的光电信号）经整形后的脉冲个数。产生的光电信号）经整形后的脉冲个数。 图图 累加计数原理框图累加计数原理框图0 01 12 21 13 3起始起始主门主门计数、显示计数、显示门控双稳门控双稳放大、整形放大、整形A A开开门门时时间间停停止止停停止止起起始始二、二、 单片通用计数器单片通用计数器溢出溢出累累加加计计数数5G7226B5G7226B量程输入量程输入控制输入控制输入功能输入功能输入复位输入复位输入保持输入保持输入输入输入A A输入输入B BD
18、D1 1D D8 8a a g g复位复位保持保持频频率率频频率率比比自自检检时间间隔时间间隔周期周期100p100p10K10KV V+ +K K2 2K K1 122M22M10M10MV V+ +V V+ +39p39p39p39pV V+ +100K100K10K10K10K10KS S2 2S S1 10.01S0.01S0.1S0.1S1S1S10S10S外外振振荡荡允允许许S S3 3选选择择S S4 4外外加加小小数数点点S S4 4测测量量显显示示S S7 7消消隐隐显显示示S S6 6dpdp7 77 77 77 77 77 77 77 7E312AE312A型通用计数器的技术指标为：型通用计数器的技术指标为： 测频范围：测频范围：1Hz10MHz1Hz10MHz 最小输入电压：正弦波时为最小输入电压：正弦波时为30mV30mV，脉冲波时为，脉冲波时为0.1V0.1V（峰（峰- -峰值）峰值） 闸门时间：闸门时间：10ms10ms，0.1s0.1s，1s1s，10s10s 周期测量范围：周期测量范围：10s0.4s10s0.4s，倍乘，倍乘1 1，1010，100100，10103 3 标准频率：标准频率：5MHz5MHz晶振，倍频后晶振，倍频后10MHz10MHz 准确度和稳定度：准确度和稳定度：5 51010-8-8
