电子测量教案cha

电子测量 第3章 -,49,第 3 章 时间和频率的测量,1. 概述,2. 时频测量的技术和仪器,3. 常规电子计数器,3.1 常规电子计数器的基本测量功能,3.2 常规电子计数器的关键电路,3.3 常规电子计数器的测量误差分析,4. 提高测量准确度的方法,4.1倒数计数器,4.2平均测量技术,4.3模拟内插法 4.4游标法,5. 电子计数器的应用,1. 概 述,（1）周期和频率是描述周期性现象的重要参数:,（2）时间是国际单位制中七个基本物理量之一,（3）在电子技术领域内，频率的测量精确度是最高的,基于量子频标的时频测量 ,其准确度已达到1E-15秒的量级,（4）时间和频率是基础物理学研究的一个重要问题,近年来的诺贝尔物理奖有三个都与时间和频率标准有关,（5）现代导航、通信、测控等依赖于时频率测量的高精度,一些设备已用上了飞秒(1E-15秒)量级的技术,时间与频率基准,（1）,采用天文观测方法，将一天分为,得到的秒，经过校正，其稳定度为,（2）,以1900年1月1日0时起回归年长度的31556925.9747,分之一作为秒的定义，其准确度可达,（3）,引进微观计时标准，采用铯,133,（Cs,133,）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，其准确度可达 , 最好的已达1E-15.,AT,UT,ET,（4）,2002年以来， “光钟”成为国际计量科学发展的一个新热点，它以原子分子在光学波段的跃迁频率为频率标准。光钟的建立，有望使人类在频率测量与实现方面的水平提高到1E-18到1E-22的量级。,2. 时频测量的技术和仪器,2.1 时频测量技术,（1）直接法,利用无源网络的频率特性来实现频率的直接测量。,A. 谐振法,B. 电桥法,R,2,R,3,C,1,R,4,R,1,C,2,A,50kHz1.2GHz, 准确度0.11%,50kHz以下,，,（0.51）%,2.1 时频测量技术,（2）转换法,采用“频率电压”转换法测频。,-频率可达几兆赫，误差一般为百分之几,-优点：连续监视频率的变化,（3）比较法,将被测频率信号与已知频率信号相比较来测频。,A. 模拟比较法: 拍频法、差频法和示波器法,B. 计数器法 : 利用电子计数器来测试时间和频率,-目前时频测量仪器所采用的主要测量方法,2.2 电子计数器,（1）1952年, HP公司生产了第一台用数码管显示的HP524A型10MHz电子计数器,（2）现代电子计数器分为,通用频率计数器/定时器,和,微波计数器,两类,电子计数器能够测量频率的上限达,15,20GHz,微波计数器能够实现高达,46GHz,微波信号的频率测量,通过内部电路的重构已经可以实现多种测量功能,频率、频率比、周期、单一周期、时间间隔、上升时间,/,下降时间、,占空比、脉宽、相位、电压电平、累加计数等,通过内置微处理器实现各种数据统计、分析和显示功能,Agilent 53230A通用频率计数器/定时器,2,个通道、,DC,350MHz,可选第,3,通道, 6,15GHz,基本功能,:,频率、频率比、周期、单一周期、时间间隔、上升时间,/,下降时间、占空比、脉宽、相位、电压电平、累加计数,增加选件实现脉冲微波测量功能,支持连续无间隙测量，调制域分析,内置数学分析和统计功能，计算平均值、标准偏差、阿伦偏差等,提供数据记录趋势图、累积直方图显示功能,12,位,/,秒频率测量分辨率,20,ps,单次时间间隔分辨力,75,000,个频率读数,/,秒,90,000,个时间间隔读数,/,秒,1,MSa/s,无间隙频率,/,时间戳,3. 常规电子计数器,3.1,基本测量功能,（1）频率测量,测频原理图,工作波形图,（2）周期测量,多周期平均测量:,（3）频率比测量,计算公式？,（4）时间间隔测量,（5）累加计数功能,一个输入通道是用于连接产生计数脉冲的信号源,主门时间的控制可以有多种方式:,一种方式是由时标信号来控制主门的开启时间；,另一种方法是由两个单独的通道分别控制主门的“打开”与“关闭”；,甚至是通过仪器前面板的开关由人工控制主门的“打开”与“关闭”。,3.2,关键电路,（1）输入调节电路,施密特触发器的迟滞特性:,-灵敏度,-触发电平控制,（a）输入信号必须穿越高低两个迟滞电平,（b）信号振铃不会引起错误计数,（a）不合适的触发电平 （b）正确地提高迟滞电平 （c）正确地降低迟滞电平,（2）时基电路-晶振,晶体振荡器有三种基本类型：,室温晶体振荡器（,RTXO,）,温度补偿晶体振荡器（,TCXO,）,恒温控制晶体振荡器（,OCXO,）,晶振的频率稳定度,频率稳定度是指在一定的时间间隔内频率准确度的变化。对稳定度的描述主要有,长期稳定度,和,短期稳定度,两种。,长期稳定度：老化率，通常用一个月或者一天内晶振的频率变化来表示。,短期稳定度：噪声引起的随机频率波动和相位抖动，通常用阿仑方差来描述。,3.3,测量误差分析,（1）测频误差分析,第一项,N,N,是数字化仪器所特有的计数误差,-,量化误差,第二项,f,c,f,c,是时基误差,误差传递公式,A. 量化误差：也称为1误差。,是数字化仪器所特有的计数误差。,- 主门的开启时刻与被测信号之间不同步；,- 门控时间接近被测信号周期的整数倍时误差最大。,t,t,x,t,t,0,Tx,N,T,x,a,b,t,N=5,对于 a图，计得5个数;,对于 b图，当,t趋向0时，有两种可能的计数结果：,当第一个脉冲和第六个脉冲都能通过主门，则,可计得,6,个数。,(2) 当第一个和第六个脉冲都没有通过主门，则,可计得4个数。,最大误差总是1个计数单位，故称为,“1误差”。,为了减少量化误差对测量值准确度的影响，通常，有两种技术途径，即：,（1）减少量化单位：把被测量倍频为m,f,；,（2）增加计数时间扩大门控时间T为k,T,。,这时计数器的读数为mk,fT,，量化误差最大值仍为1字，所以量化误差为：,讨论：,a. 在低频段，由1字引起的误差很大,b. 随着1误差影响的减少，标准时间或内部基准频率本身所具有的准确度对测量结果的影响将不可忽略，这时，它可以被认为是用计数器测频准确度的极限。,B. 时基误差,主要,决定于由晶振提供的标准频率的准确度。,晶振的输出频率相对误差应比,1,误差引起的测频误差小一个数量级。,C.,其他因素引起的测频误差,噪声干扰或触发电平选择不当引起的计数误差,利用施密特电路进行波形整型过程中, 额外触发产生的误差：简称为触发误差。,例1：噪声干扰引起的计数误差,例2：触发电平选择不当引起的计数误差,1误差,标准频率误差,固有误差,测频误差分析结论：,采用,分项误差绝对值合成,，,表达式如下：,被测频率越低，误差越大；,闸门时间越大，误差越小；,结论：,测量总误差不可能优于标准频率误差。,测量低频时不宜采用直接测频方法,通过相应措施可避免触发误差,-,自动增益控制电路,（2）测周误差分析,根据测周原理图：,采用绝对值合成，可得：,其他因素引起的测周误差,测量周期时，信号的流通路径和测频时完全相反，门控信号由被测信号所控制。,被测信号的直流电平、波形的陡峭程度，以及噪声的叠加情况等，会直接导致输入信号过早或者过晚通过迟滞窗的边界，从而导致主门在不正确的时间间隔内开启，这就导致了周期测量的随机定时误差，这种误差称为,触发误差或者转换误差,。,正弦信号触发误差的产生情况,触发误差的计算,由于干扰和噪声都是随机的，所以,T,1,和,T,2,都属于随机误差，可按随机误差来合成：,由于触发误差仅在主门开启与关闭时间对测量产生影响，利用多周期测量可以减少触发误差。,测周误差分析结论：,（1）采用多周期测量法测周的误差主要有三项：量化误差、触发误差和时基误差。对于正弦信号，其误差合成可按下式计算：,其中，10,n,为多周期测量选择的周期个数。,（2）在一定时间限制条件，采用多周期测量可提高测量准确度，但测量速率下降；,（3）测量过程中，提高信噪比可提高测量准确度。,（4）为了减小触发误差，触发电平应选择在信号沿变化最陡峭处。,（3）时间间隔测量误差分析,测量时间间隔的误差分析和测量周期相似，由量化误差、触发误差和时基误差组成。,由于时间间隔测量的两路触发信号来源不同、输入调节电路也不同，因此两个触发点对于主门开启与关闭造成的触发误差也会有所不同。,4. 提高测量准确度的方法,4.1 倒数计数器,倒数计数器测频的原理框图,倒数计数器的工作波形,在仅考虑量化误差的前提下，倒数计数器的测量分辨力主要由主门时间的测量分辨力决定。如采用10MHz时基，分辨力为100ns，若用1s的主门，测量60Hz的输入信号，分辨力为0.000006Hz；若信号频率为600Hz，分辨力则为0.000060Hz，但仪器所能显示的有效频率位数都是7位。从这个角度看，可以用位数来表示测频分辨力。而且对于确定的主门和时基，倒数计数器的测频分辨力位数是一个常数，提高分辨力的方法之一是采用更高频率的时基，如100MHz。实际的倒数计数器的时基可达500MHz，如主门时间为1s，则可获得2ns或者近9位的分辨力。此外，分辨力位数与主门时间成正比，如果1s的主门能提供9位的分辨力，那么0.1s的主门将提供8位的分辨力。,在公式 中，如果,N,A,取值为1，被测频率实际上就是对时间计数器测得的周期值取倒数运算得到的，由于该计数器具有实现倒数运算的功能，因此也被称为倒数计数器。,采用预触发测量射频脉冲信号的频率,倒数计数器除了具有量化误差独立于被测频率的优点之外，还具备通过预触发实时控制主门的优点。,倒数计数器的优点是它充分利用了计数器在整个频率范围中的分辨能力。在调制域分析仪中，采用了两个计数器都是零死区时间的倒数计数器（时间计数器和事件计数器 ）。,4.2 平均测量技术,使用齐纳二极管产生的随机噪声对时基脉冲进行随机相位调制，使其具有随机相位抖动。,单次测量时，量化误差绝对值为,l,个量化单位。如果测量读数为,N,，由于闸门开启和被测信号脉冲时间关系的随机性，量化相对误差在,范围内出现的数值将呈现出随机性。如果取多次测量结果的平均值作为最终的测量结果，量化误差必然随着测量次数的无限增多而趋于零。,4.3 模拟内插法,使用内插时间扩展器（恒流源和电容构成）测出被测整周期之外的零头和尾数。,4.4 游标法,采用类似机械游标卡尺的原理，测出被测整周期之外的零头和尾数。,5.,电子计数器的应用,5.1 技术指标,（1）输入特性指标描述了计数器输入信号的情况，包括输入放大器性能、输入调节电路（如耦合方式的选择、触发电平的控制和阻抗选择）。,（2）操作模式特性指标描述了计数器在各种操作模式下的性能指标，如测量范围、最低有效显示数字LSD (Least Significant Digit)、分辨力、准确度等。,（3）通用指标部分描述了时间基准的性能和仪器特性，如辅助输入和输出（标记输出、触发电平指示灯、预触发、时基输入和输出），自检模式、采样率和主门时间选择等。,准确度的影响因素,5.2 使用注意事项,在使用现代电子计数器进行各种测量时，首先应根据测量信号的频率、幅度、信噪比等特点选择符合测量要求的计数器，同时注意以下事项：,1理解计数器的测量方法,2认识分辨力和准确度的差别,3选择合适的时基,4调节灵敏度, 避免噪声引起的误触发或触发误差,5为满足性能要求进行定期校准,电子计数器分成两类：常规计数式和倒数计数式。,通过查看频率分辨力指标，就能知道是常规计数器还是倒数计数器。如果分辨力以Hz表示，就是常规计数器。如果用位/秒表示，就是倒数计数器。,例如，对于HP 53230A，测量分辨力为12位/s；最大显示位数为15位，显然该计数器采用了倒数计数方式。,习题和思考题,习题 3-4, 3-12, 3-13, 3-14, 3-17,选作 3-18, 3-19,有兴趣的，阅读标记为*的章节,