时频测量.pptx

part1 第四章第四章 时频测量时频测量第四章第四章 时频测量时频测量本章要点：本章要点：u时频关系与时频标准及频率的测量方法时频关系与时频标准及频率的测量方法 u电子计数法测频、测周的原理与误差分析电子计数法测频、测周的原理与误差分析 u通用计数器的功能与应用及其性能改进的方法通用计数器的功能与应用及其性能改进的方法 u 频率稳定度的概念、表征方法和时域、频域测量原理频率稳定度的概念、表征方法和时域、频域测量原理 u调制域测量的原理与应用调制域测量的原理与应用 4.1 概概 述述4.1.1 时频关系时频关系指某事件发生的瞬间。如指某事件发生的瞬间。如t tl l时刻开始出现，在时刻开始出现，在t t2 2时刻消失；通常要与时刻消失；通常要与年月日时分秒年月日时分秒关联关联 。“时间时间”“时刻时刻”,“间隔间隔”,即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多久久.如图中，如图中，t t=t t2 2-t tl l是两时刻之间的是两时刻之间的“间隔间隔”,即矩形脉冲持续的时间长度。即矩形脉冲持续的时间长度。“周期周期”是指同一事件重复出现的时间，是指同一事件重复出现的时间，如如T。“频率频率”是单位时间（是单位时间（1秒）内周期性事秒）内周期性事 件重复的次数，单位是赫兹件重复的次数，单位是赫兹Hz。图图4.1 4.1 时频关系示意图时频关系示意图t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T电子表走时是否准确取决于电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器设石英晶石英晶体作振荡器设石英晶 体振荡器日频率稳定度为体振荡器日频率稳定度为10-6则日误差：则日误差：频率标准频率标准 时间标准时间标准 32768Hz32768Hz（2 21515HzHz）液晶屏液晶屏分分频频计计数数译译码码2 215151 1秒秒60601 1分分60601 1小时小时2424日日图图4.2 4.2 电子表的组成原理电子表的组成原理振振荡荡驱驱动动4.1.2 时频基准时频基准时间的单位是秒。随着科学技术的发展，时间的单位是秒。随着科学技术的发展，“秒秒”的定义曾作过三的定义曾作过三次重大的修改：次重大的修改：1.世界时秒（世界时秒（UT）由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（世界时（UT）。定义地球自转周期的）。定义地球自转周期的 186400作为世界时的作为世界时的1s，零类世界时（零类世界时（UT0），），其准确度在其准确度在10-6量级。量级。校正后的世界时称为校正后的世界时称为第二类世界时（第二类世界时（UT2）,其准确度在其准确度在310-8量级。量级。历书时秒历书时秒作为时间单位提高到十亿分之一秒，即作为时间单位提高到十亿分之一秒，即110-9量级。量级。世界时秒是世界时秒是与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。地球地球太阳太阳从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标从宏观世界转向微观世界，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。准。1967年年10月第月第13届国际计量大会正式通过了秒的定义：届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒秒”是是Cs133原子基态的两个超精细结构能级原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF=0和和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续之间跃迁频率相应的射线束持续9192631770个周期的时间个周期的时间”2.原子时秒（原子时秒（AT）F=4F=4mmF F=0=0F=3F=3mmF F=0=091926317709192631770个个 周周 期期=1 1秒秒跃跃迁迁频频率率很很高高很很稳稳定定为原子时秒为原子时秒(记作记作AT)。并自。并自1972年年1月月1日零时起，时间单位秒日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，其准确度可达其准确度可达510-14，是所有其它物理量标准远远不及的。，是所有其它物理量标准远远不及的。3.协调世界时秒（协调世界时秒（UTC）世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取代，各有各的用处。代，各有各的用处。原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了时刻时刻（年（年月日时分秒）和时间月日时分秒）和时间间隔间隔。协调世界时秒（协调世界时秒（UTC）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰）是原子时和世界时折衷的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世秒的方法来对天文时进行修正。这样，国际上则可采用协调世界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高界时来发送时间标准，既摆脱了天文定义，又使准确度可提高45个数量级。现在各国标准时号发播台所发送的就是世界协个数量级。现在各国标准时号发播台所发送的就是世界协调时调时UTC，其准确度优于，其准确度优于210-11。我国的中国计量科学院、。我国的中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原子时（子时（TAI）200多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国多台原子钟联网进行加权平均修正，作为我国时间标准由中央人民广播电台发布。时间标准由中央人民广播电台发布。4.1.3 频率测量方法频率测量方法频率测量方法频率测量方法模拟法模拟法计数法计数法频响法频响法比较法比较法电桥法电桥法谐振法谐振法拍频法拍频法差频法差频法示波法示波法李莎育图形法李莎育图形法测周期法测周期法电容充放电式电容充放电式电子计数式电子计数式110110-8-8110110-13-13量级量级110110-2-2量级量级4.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率4.2.1.电子计数法测频原理电子计数法测频原理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秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则次，则该信号的频率为：该信号的频率为：（4.2）门电路复习：门电路复习：与门与门A A1/01/0B B1 1/0 0c c1/01/0同理同理“或或”门、与非、或非门等也有类似功能。门、与非、或非门等也有类似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由图可见：由图可见：因此因此实现了测频实现了测频原理原理：“定时计数定时计数”实质实质：比较法比较法 图图4.3 4.3 测频的原理测频的原理与与门门A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重点掌握2组成框图组成框图 图图4.4是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 时基电路时基电路计计 数数一一 输入电路输入电路 分分 频频 显示显示 晶晶 振振 门门 控控 主主门门控制电路控制电路 A AB BC CD DE E1)时基（时基（T）电路）电路两个两个特点特点：(1)标准性标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常通常晶振晶振频率稳定度要求达频率稳定度要求达10-610-10。（。（恒温糟恒温糟）(2)多值性多值性 闸门时间闸门时间T不一定为不一定为1秒，应让用户根据测频精度和秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如：速度的不同要求自由选择。例如：1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、1s、10s 等。等。门控（双稳）电路：门控（双稳）电路：TT2)输入电路输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。由放大整形电路和主门电路组成。被测输入周期信号（频率为被测输入周期信号（频率为fx，周期为周期为Tx）经放大、整形、微分）经放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脉冲，送主门的一的窄脉冲，送主门的一个输入端。个输入端。图图4.5 4.5 输入电路工作波形图输入电路工作波形图u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A输入输入(T T0 0或或F Fx x)放大放大整形整形微分微分3)计数显示电路计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。逻辑控制电路、译码器和显示器组成。4)控制电路控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照器的工作按照“复零一测量复零一测量显示显示”的的程序自动地进行，其工作流程如图程序自动地进行，其工作流程如图4.6所示。所示。准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，停止计数）（关门，停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）图图4.6 4.6 电子计数器的工作流程图电子计数器的工作流程图4.2.2.误差分析计算误差分析计算由第二章误差传递公式（由第二章误差传递公式（2.45）可对式（可对式（4.2）求得求得（4.3）计数误差时基误差1.量化误差量化误差计数误差、计数误差、1误差误差在测频时，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既这样，既便在相同的主门开启时间便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。，计数器所计得的数却不一定相同。可能多可能多1个或少个或少1个的个的1误差，这是频率量化时带来的误差故误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲称量化误差，又称脉冲计数误差或计数误差或1误差误差。N N=1 1 N=f N=fx xT T图图4.7 4.7 量化误差量化误差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T(a a)(1)(1)(2)(2)黑门进8个脉冲红门进7个脉冲误差合成定理误差合成定理2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测 频误差。闸门信号频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为（周期为Tc），则有），则有=110-7110-10 石英晶体性能和切割方式石英晶体性能和切割方式-生产厂生产厂 石英振荡器的输出石英振荡器的输出频率准确度决定频率准确度决定 温度的影响温度的影响-单、双层恒温糟单、双层恒温糟 振荡电路的质量振荡电路的质量-电路优化设计电路优化设计 4.2.3.结论结论1.计数器直接测频的误差计数器直接测频的误差主要有两项主要有两项 即即1误差和标准频率误误差和标准频率误差，一般总误差可采用分项差，一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即误差绝对值合成，即（4.9）2.测量低频时，由于测量低频时，由于1误误差产生的测频误差大得惊人差产生的测频误差大得惊人例如，例如，fx=10Hz，T=1s，则由，则由1误差引起的测频误差可达误差引起的测频误差可达10，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。4.3 电子计数法测量时间电子计数法测量时间本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。4.3.1.电子计数法测量周期的原理电子计数法测量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右图可得由右图可得输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主门门倍倍 频频 晶晶 振振 输入电路输入电路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E4.3.2.电子计数器测量周期的误差分析电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频率误差量化误差和基准频率误差与分析电子计数器测频时的误差类似，这里与分析电子计数器测频时的误差类似，这里，根据，根据误差传递公式可得误差传递公式可得（4.11）根据图根据图4.10所示的测周原理，由式（所示的测周原理，由式（4.10）可得）可得 而而N=1（4.12）2.触发转换误差触发转换误差测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。图测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。图4.12(a)给出了一给出了一个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲Un，UB为施密特电路触为施密特电路触发电平。可见，施密特电路将提前在发电平。可见，施密特电路将提前在 触发，于是形成的方触发，于是形成的方波周期为波周期为，即产生，即产生 的误差，称的误差，称“转换误差转换误差”(或触发误差或触发误差)。u ux x=U=UmmSinSinx xt t U UB BA A 1 1A A1 1A A 2 2T Tx xT Tx xT T x x T T1 1U Un n图图4.12 4.12 转换误差的产生与计算转换误差的产生与计算a aU Un n T T1 1A A1 1A A 1 1 b b(b b)(a a)从图可得从图可得（4.13）式中式中Un干扰或噪声幅度。干扰或噪声幅度。设被测信号为正弦波设被测信号为正弦波 u ux x=U=UmmSinSinx xt t U UB BA A 1 1A A1 1A A 2 2T Tx xT Tx xT T x x T T1 1U Un n图图4.12 4.12 转转换换误误差的产生与计算差的产生与计算a aU Un n T T1 1A A1 1A A 1 1 b b(b b)(a a)将上式代入（将上式代入（4.13），实际上），实际上，得，得式中式中 Um信号振幅。信号振幅。同样，在正弦信号下一个上升沿上也可能存在于扰，即也可同样，在正弦信号下一个上升沿上也可能存在于扰，即也可能产生能产生 触发误差触发误差 由于干扰或噪声都是随机的，所以由于干扰或噪声都是随机的，所以 和和 都属于随机误差，都属于随机误差，我们可按我们可按 来合成，于是可得来合成，于是可得（4.15）2.多周期测量多周期测量(*自学自学)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。我们可以利用图我们可以利用图4.13 4.13 图图4.13 4.13 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 T1010 x x1010T Tx x T T2 2A A 1010T Tx x有干扰有干扰来说明，图中取周期倍增系数来说明，图中取周期倍增系数10为例，即测为例，即测10个周期。从图个周期。从图可见，两相邻周期由于转换误差所产生的可见，两相邻周期由于转换误差所产生的 比如，第一个周期比如，第一个周期T1x终了，这样终了，这样10个周期引起的总误差与个周期引起的总误差与测测个周期产生的误差一样，经除个周期产生的误差一样，经除10，得一个周期的误差为，得一个周期的误差为 是互相抵消的，是互相抵消的，可见减小了，可见减小了10倍。倍。此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到10n倍，这样，倍，这样，由由1误差所引起的测量误差也可减小误差所引起的测量误差也可减小 倍。图倍。图4.11中的中的10Tx和和100Tx两曲线说明这个结果。两曲线说明这个结果。因此，在多周期测量模式下，测周误差表达式要进行修正，令因此，在多周期测量模式下，测周误差表达式要进行修正，令周期倍增系数为周期倍增系数为k=则（则（4.12）和（）和（4.15）可合写成）可合写成（4.16）4.结论结论1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将4.16式中式中k换成换成 ）：）：（4.17）2)采用多周期测量可提高测量准确度；采用多周期测量可提高测量准确度；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VmVn。4.3.3 4.3.3 中界频率中界频率研究研究量化误差（量化误差（1误差）对测频和测周的影响误差）对测频和测周的影响。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。将（将（4.6）和（）和（4.12）式中）式中量化误差表达式联立可得量化误差表达式联立可得 式中，式中，为中界频率，为中界频率，为标准频率，为标准频率，T为闸门时间。为闸门时间。令令 则则 因因 故故 图图4.14中给出了不同闸门时间：中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频和不同标准频率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以三种情况的交叉曲线。现以T=1s，=100MHz为例，可查知为例，可查知=10kHz。100MHz100MHz图图4.14 4.14 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1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MHz=100MHz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f f100MHz100MHz因此，当因此，当 宜测频；宜测频；当当，宜测周。，宜测周。这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法，通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法，对测频或测周都能实现等精度测量。对测频或测周都能实现等精度测量。4.3.4 时间间隔的测量时间间隔的测量1.基本原理基本原理输入输入C C10S10S时基分频器时基分频器+主主 门门触发器触发器触发器触发器起起 始始触发器触发器终终 止止触发器触发器门控门控电路电路十进制计数器十进制计数器1MHz1MHz石英石英振振 荡荡 器器触发沿选择触发沿选择+-输入输入B BS S1S1S10S10S（a a）触发电平、触发极性可调图图4.15 4.15 基本时间间隔测量模式基本时间间隔测量模式(b)(b)被计时标数被计时标数时标时标门控信号门控信号输入输入C C终止终止输入输入B B起始起始（a a）组成方框图）组成方框图 （b b）工作波形图）工作波形图2.相位测量相位测量相位差的测量，见图相位差的测量，见图4.16。则则 对应的相位可以计得对应的相位可以计得图图4.16 4.16 相位差的测量相位差的测量t t T T360360t t测相位要求两信号：同频 同幅3.3.脉冲时间参数测量脉冲时间参数测量图图4.17 4.17 脉冲宽度测量模式脉冲宽度测量模式 起始脉冲起始脉冲门控信号门控信号终至脉冲终至脉冲触发器输出触发器输出输入信号输入信号0.50.5t tr r0.10.10.90.9脉冲上升时间测量模式脉冲上升时间测量模式