电子测量技术--课件

电子测量技术西南交通大学电气工程学院孙永奎Email:1ppt课件5 时间和频率的测量电子测量技术5 时间和频率的测量5.1 概述5.2 频率和时间测量技术简述5.3 电子计数器5 时间和频率的测量电子测量技术5.5 电子计数器测量时间5.4 电子计数器测量频率5.6 提高电子计数器测频、测周 准确度的方法5 时间和频率的测量电子测量技术5.1 概 述时间和频率的基本概念时间和频率基准石英晶体振荡器5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.1 时间和频率的基本概念1.时间的定义时间间隔u(t)0tt1t2 t时刻基本单位：秒（s）时时刻刻是是指指连连续续流流逝逝的的时时间间中中的的一一个个时时点点，表表示示某时间或现象何时发生。某时间或现象何时发生。时时间间间间隔隔是是指指两两个个时时刻刻之之间间的的间间隔隔，表表示示某一事件或现象持续多久。某一事件或现象持续多久。5 时间和频率的测量电子测量技术2.周期（T）周周期期现现象象是是指指以以相相等等时时间间间间隔隔重重复复发生的任何现象。发生的任何现象。周周期期是是指指周周期期现现象象出出现现一一次次所所经经历历的时间。的时间。基本单位：秒（s）基本单位：赫兹（Hz）3.频率（f）频频率率是是指指单单位位时时间间内内周周期期现现象象重重复复出现的出现的次数次数。5 时间和频率的测量电子测量技术4.时频测量的特点v最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量v测量准确度高测量准确度高v自动化程度高自动化程度高v测量速度快测量速度快5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1.时间基准时间基准天文秒天文秒宏观计时基准微观计时基准（原子时AT）原子秒原子秒零类世界时第一世界时UTUT0 0UTUT1 1第二世界时UTUT2 2历书时世界时UTUTETET平太阳时平太阳时以太阳通过伦敦格林威治天文台的本初子午线为参考测得的平太阳时。5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1.时间基准时间基准宏观计时基准天文秒天文秒历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）原子秒原子秒UTUT0 0UTUT1 1第二世界时UTUT2 2UTUT ETET 通过多个天文台观测的数据修正地轴运动对UT0的影响后，得到的时间基准。平太阳时平太阳时5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1.时间基准时间基准宏观计时基准天文秒天文秒历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）原子秒原子秒UTUT0 0UTUT1 1第二世界时UTUT2 2UTUTETET在UT1的基础上，改正了季节性，年度性的变化后，得到的时间基准。310-8平太阳时平太阳时5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1.时间基准时间基准宏观计时基准天文秒天文秒历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）原子秒原子秒UTUT0 0UTUT1 1第二世界时UTUT2 2UTUTETET以1900年回归年的1/31556925.9747作为历书秒 110-9310-85 时间和频率的测量电子测量技术5.1.2 时间和频率基准1.时间基准时间基准宏观计时基准天文秒天文秒历书时世界时零类世界时第一世界时微观计时基准（原子时）原子秒原子秒UTUT0 0UTUT1 1第二世界时UTUT2 2UTUTETET定义铯133（Cs133）原子基态在二个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为1秒。510-14110-9310-8协调世界时协调世界时5 时间和频率的测量电子测量技术2.频率基准时间基准时间基准（原子时）（原子时）频率基准频率基准（原子频率基准）（原子频率基准）时频基准5 时间和频率的测量电子测量技术5.1.3 石英晶体振荡器石英频率标准是目前最常用的工作频率标准，频率稳定度可以达到10-10数量级。具有很高的机械稳定性和热稳定性具有很高的机械稳定性和热稳定性5 时间和频率的测量电子测量技术5.2 频率和时间测量技术简述直读法比较法计数法5 时间和频率的测量电子测量技术5.2.1 直读法谐振法、电桥法、谐振法、电桥法、频率频率电压转换法电压转换法 直直读读法法是是直直接接利利用用电电路路的的某某种种频频率率响应特性来测量频率值的方法。响应特性来测量频率值的方法。5 时间和频率的测量电子测量技术5.2.2 比较法拍频法、差频法、示波法拍频法、差频法、示波法 比比较较法法是是将将被被测测频频率率与与标标准准频频率率进进行行比较比较来测量频率的方法。来测量频率的方法。5.2.3 计数法电容充放电法、电子计数器法电容充放电法、电子计数器法目前测量频率和时间最好目前测量频率和时间最好的方法的方法5 时间和频率的测量电子测量技术5.3 电子计数器电子计数器的发展概述电子计数器的分类电子计数器的主要技术性能指标电子计数器的组成5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.1 电子计数器的发展概述三阶段：外差式和谐振式阶段外差式和谐振式阶段 （2020世纪世纪4040年代年代）数字式阶段数字式阶段 （2020世纪世纪5050年代年代）智能式阶段智能式阶段 （2020世纪世纪6060年代末年代末）5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.2 电子计数器的分类 具有具有多种多种测量功能测量功能1.通用计数器2.频率计数器 主要用于主要用于测频测频和和计数计数，测频范围很，测频范围很广广3.计算计数器 带带有有微微处处理理器器，具具有有计计数数、程程控控测测量量、计算和显示的功能计算和显示的功能5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.3 电子计数器的主要技术性能指标 测试性能（测试性能（仪器所具备的测试功能仪器所具备的测试功能）测量范围测量范围 输入特性输入特性频率：上限和下限周期：最大值和最小值输入耦合方式：AC和DC触发电平及可调范围输入灵敏度最大输入电压输入阻抗：高阻和低阻5 时间和频率的测量电子测量技术 晶体振荡器的频率稳定度和准确度晶体振荡器的频率稳定度和准确度 输出特性输出特性 显示及工作方式显示及工作方式显示位数显示时间（可调）显示方式：记忆和不记忆 主门时间和时标主门时间和时标输出时标信号的种类输出数码的编码方式输出电平5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器 输入通道输入通道将输入信号进行放大、整形，使其变为标准脉冲。5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器 主门主门在门控信号作用的有效期，允许计数脉冲通过进入计数器计数。门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器 时基信号产生电路时基信号产生电路用于产生各种时标信号和门控信号。门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲 时时 标标 信信号号5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器 控制电路控制电路能产生各种控制信号去控制和协调计数器各单元工作，使整机按一定工作程序自动完成测量任务。门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲 时时 标标 信信号号5 时间和频率的测量电子测量技术5.3.4 电子计数器的组成A输入B输入闸门输出测频测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 周期 倍乘器 时标 产生器门控双稳 触发器 计数及显示电路计数及显示电路用于对主门输出的脉冲信号计数并显示十进制脉冲数。门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲 时时 标标 信信号号5 时间和频率的测量电子测量技术5.4 电子计数器测量频率电子计数器的测频原理电子计数器测频的最大允许误差分析频率比的测量5 时间和频率的测量电子测量技术5.4.1 电子计数器的测频原理B输入闸门输出测频测频测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 分频器 时标 产生器门控双稳 触发器 门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲fx 时时 标标 信信号号 计数显示 控制逻辑电路主门时间脉冲主门时间脉冲5 时间和频率的测量电子测量技术5.4.1 电子计数器的测频原理fx 计数脉冲（信号产生）分频器输出（晶振 fc分频）门控信号 主门输出分频系数分频系数晶振周期晶振周期 主门时间主门时间主门时间应合理选择。5 时间和频率的测量电子测量技术主门时间选择原则：在计数器不产生溢出的前提下，主门时间尽量取大一些。5 时间和频率的测量电子测量技术5.4.2 电子计数器测频的最大 允许误差分析测频的最大允许误差量化相对误差量化相对误差主门时间主门时间相对误差相对误差5 时间和频率的测量电子测量技术1.量化相对误差 测测量量频频率率时时，在在相相同同的的主主门门时时间间内内，计计数数器器计计数数值值不不一一定定相相同同，这这样样产产生生的的误差称为量化误差。误差称为量化误差。量化误差（1误差）量化误差的产生是不可避免的，是由于主门时间的开启时刻和被测计数脉冲的随机关系引起的。5 时间和频率的测量电子测量技术设TI时间内计数值为N，则5 时间和频率的测量电子测量技术量化相对误差计数值N越大时，量化相对误差就越小。当fx一定时，增大主门时间TI，可以减小量化相对误差。主门时间一定，被测信号的频率愈高，量化相对误差就越小。5 时间和频率的测量电子测量技术2.主门时间误差（标准频率误差）主主门门时时间间误误差差是是指指由由于于主主门门时时间间不不准准造造成成主主门门的的启启、闭闭时时间间或或长长或或短短，从从而而引起的测频误差。引起的测频误差。主门时间误差大小主要由石英晶体振荡器输出频率的准确度决定。5 时间和频率的测量电子测量技术设晶振频率为fc，分频系数为K，则主门时间为：主门时间相对误差在数值上等于晶振输出标准频率的相对误差，只是符号相反。5 时间和频率的测量电子测量技术3.最大允许误差提高晶振频率的准确度和稳定性，增大主门时间。减小最大允许误差的方法：低被测信号频率低时，不宜采用测频法直接测量频率，而应采用测周期的方法间接测量频率。例5.15 时间和频率的测量电子测量技术5.4.3 频率比的测量B输入闸门输出测频测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器 分频器 时标 产生器门控双稳 触发器 门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲 时时 标标 信信号号 计数显示 控制逻辑电路fA放大整形 N N T TB BfB5 时间和频率的测量电子测量技术5.5 电子计数器测量时间电子计数器测周的最大允许误差分析电子计数器的测周原理中界频率时间间隔的测量5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.1 电子计数器的测周原理闸门输出测周测周外标晶振放大整形主门十进制计数器显示器放大整形记忆控制复零脉冲发生器倍频器 分频器门控双稳 触发器 门门 控控 信信号号计数脉冲计数脉冲 控制逻辑电路测周测周 计数显示时标信号的周期A输入B输入fx时标选择时标选择5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.2 电子计数器测周的最大 允许误差分析测周的最大允许误差量化相对误差量化相对误差时标信号相对误差时标信号相对误差触发相对误差触发相对误差噪声干噪声干扰信号扰信号的电压幅值的电压幅值被测信号的电压幅值被测信号的电压幅值5 时间和频率的测量电子测量技术测周的最大允许误差大 周期较大的信号，应采用测周法测量。周期较小的信号，应采用测频法测量。5 时间和频率的测量电子测量技术减小时标信号的周期Ts，即减小K值。减小测周最大允许误差的方法：提高晶振频率的准确度和稳定度。利用周期倍乘法（将主门时间由Tx扩大为mTx）。5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.3 中界频率时标信号的最小频率时标信号的最小频率时标信号的最大频率时标信号的最大频率 当被测频率高于中界频率时，应采用直接测频法测量频率；当被测频率低于中界频率时，应采用测周法测量频率。5 时间和频率的测量电子测量技术5.5.4 时间间隔的测量晶振放大整形主门倍频器 分频器计数 显示 控制逻辑电路门控双稳 起始 触发器 终止 触发器触发器触发器A输入B输入C输入+-S触发沿选择触发沿选择时标选择时标选择N5 时间和频率的测量电子测量技术(1(1)(2(2)晶振放大整形主门倍频器 分频器计数 显示 控制逻辑电路门控双稳 起始 触发器 终止 触发器触发器触发器A输入B输入C输入+-S触发沿选择触发沿选择时标选择时标选择N5 时间和频率的测量电子测量技术5.6 提高电子计数器测频、测周准确度的方法多周期同步测量法游标计数法内插法平均测量技术5 时间和频率的测量电子测量技术 第五章作业5.4，5.5