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1、第3章时频测量本讲稿第一页，共五十页本章要点：时频关系与时频标准及频率的测量方法电子计数法测频、测周的原理与误差分析通用计数器的功能与应用及其性能改进的方法频率稳定度的概念、表征方法和时域、频域测量原理调制域测量的原理与应用本讲稿第二页，共五十页3.1 概 述一、时间、频率的基本概念 1时间的定义与标准时间是国际单位制中七个基本物理量之一，它的基本单位是秒，用s表示。“时间”，在一般概念中有两种含义：一是指“时刻”，回答某事件或现象何时发生的。二是指“间隔”，即两个时刻之间的间隔，回答某现象或事件持续多久。本讲稿第三页，共五十页图3.1 时刻、时间间隔示意图本讲稿第四页，共五十页2频率的定义与
2、标准周期过程重复出现 一次所需要的时间称为它的周期，记为T。频率单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，记为f。联系周期与频率的定义，不难看出f与T之间有下述重要关系，即本讲稿第五页，共五十页二、时频基准二、时频基准 1世界时(UT)秒定义地球自转周期的186400作为世界时的1秒。1960年，国际计量大会决定采用以地球公转运动为基础的历书时(ET)秒作为时间单位，将1900年1月1日0时整起算的回归年的1315569259747作为1秒。按此定义复现秒的准确度提高到十亿分之1秒，即110-9。本讲稿第六页，共五十页2原子时(AT)秒 秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF
3、=0和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续9 192 631 770个周期的时间，其准确度可达510-14。3协调世界时(UTC)秒其准确度优于2l0-11 本讲稿第七页，共五十页三、频率测量方法概述三、频率测量方法概述 对于频率测量所提出的要求，取决于所测频率范围和测量任务。例如，在实验室中研究频率对谐振回路、电阻值、电容的损耗角或其他被研究电参量的影响时，能将频率测到 110-2量级的精确度或稍高一点也就足够了；对于广播发射机的频率测量，其精确度应达到110-5量级；对于单边带通信机则应优于110-7 量级；而对于各种等级的频率标准，则应在110-8110-13量级之间。本讲稿第八
4、页，共五十页根据测量方法的原理，对测量频率的方法大体上可作如下分类：本讲稿第九页，共五十页3.2 电子计数法测量频率一、电子计数法测频原理 若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则根据频率的定义，可知该信号的频率fx为(3.2)本讲稿第十页，共五十页图3.3 测频原理图本讲稿第十一页，共五十页图3.4 计数式频率计框图、波形图（1）实现量化的比较电路；（2）被转换量的输入电路；（3）量化的标准单位（T0或F0）的产生电路；（4）转换结果N的计数与显示电路。本讲稿第十二页，共五十页图3.4 计数式频率计框图、波形图本讲稿第十三页，共五十页 (1)时间基准（T）产生电路。这部分的作用就是提供准确的
5、计数时间T。（标准性、多值性）(2)计数脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。(3)计数显示电路。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，显示被测信号的频率。(4)控制电路。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，电子计数器的工作按照“复零测量显示”的程序自动地进行。本讲稿第十四页，共五十页二、误差分析计算1量化误差1误差 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关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既便在相同的主门开启时间T(先假
6、定标准时间相对误 差为零)内，计数器所计得的数却不一定相同，这便是量化误差(又称脉冲计数误差)即1误差产生的原因。本讲稿第十五页，共五十页图3.7 脉冲计数误差示意图本讲稿第十六页，共五十页 图 3.7中T为计数器的主门开启时间，Tx为被测信号周期，t1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，t2为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区间之内窄脉冲个数，图中N6)，由图可见，本讲稿第十七页，共五十页 脉冲计数最大绝对误差即1误差联系上式，写脉冲计数最大相对误差为结论：脉冲计数相对误差与被测信号频率和闸门时间成反比。即被测信号频率越高
7、、闸门时间越宽，此项相对误差越小。本讲稿第十八页，共五十页2闸门时间误差(标准时间误差)闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc。(周期为Tc)，分频系数为m，所以有 对上式微分，得由上两式可知闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差。本讲稿第十九页，共五十页三、结论三、结论计数器直接测频的误差主要有两项，即1误差和标准频率误差。一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即测量低频时，由于l误差产生的测频误差大得惊人,所以,测量低频时，宜采用直接测频方法。本讲稿第二十页，共五十页3.3 电子计数法测量时间 一、电子计数法测量周
8、期的原理 图3.9 计数法测量时间原理框图本讲稿第二十一页，共五十页测周电路测周电路测频电路测频电路本讲稿第二十二页，共五十页 图3.10 图3.9中各点波形本讲稿第二十三页，共五十页 图3.10 图3.9中各点波形本讲稿第二十四页，共五十页 二、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而N=1本讲稿第二十五页，共五十页2触发转换误差设被测信号为正弦波 本讲稿第二十六页，共五十页实际上，UBUm得 本讲稿第二十七页，共五十页3多周期测量本讲稿第二十八页，共五十页4结论用计数器直接测周的误差主要有3项，即量化误差、转换误差及标准频率误差，其合成误差可按下式计算采用多周期测量可提高测量
9、准确度；提高标准频率，可以提高测周分辨率；测量过程中尽可能提高信噪比UmUn本讲稿第二十九页，共五十页三、中界频率三、中界频率 fM为中界频率，fc为标准频率，T为闸门时间 当fxfM时，宜测频；当fxfM时，宜测周。本讲稿第三十页，共五十页四、时间间隔的测量四、时间间隔的测量 1基本原理本讲稿第三十一页，共五十页本讲稿第三十二页，共五十页2相位测量本讲稿第三十三页，共五十页3脉冲宽度测量本讲稿第三十四页，共五十页3.4 通用电子计数器一、概述一、概述 1分类1)通用计数器2)频率计数器3)时间计数器4)特种计数器2通用计数器技术特性本讲稿第三十五页，共五十页序号品种显示位数主 要 工 作 特
10、 性 A通道有无高频探头测时分辨率B通道时基稳定度/（2/d）测频范围输入特性测周期范围输入特性低/Hz高/MHz灵敏度(有效值）/mV阻 抗/（m/pF）最小/ms最大/ms灵敏度(有效值）/mV阻抗/（M/pF）1低速41(DC)0.055001/50/20ms2001010000.5/60110-42低速510(DC)0.11001/50/10ms100103000.5/50110-53低速610(DC)11001/40/1ms10103000.5/40110-84低速710(DC)101001/25/0.1ms1103000.5/40110-75中速810(DC)50100(10)0.
11、5/15/20ns1(0.2)103000.5/30310-8，110-86中速810(DC)100100(10)50有10Ns1(0.1)103000.5/30110-8，510-9310-97高速910(DC)300100(10)50有10ns1103000.5/30310-9，110-9510-108高速910(DC)500100(10)50有2ns1103000.5/30310-9，110-9510-109高速910(DC)1000100(10)50有1ns1103000.5/30310-9，110-9510-10本讲稿第三十六页，共五十页二、通用计数器的功能二、通用计数器的功能 1自
12、检本讲稿第三十七页，共五十页2频率比(AB)的测量本讲稿第三十八页，共五十页3累加计数(计数A的测量)4计时本讲稿第三十九页，共五十页三、单单片通用片通用计计数器数器1输入通道电路2频率扩展电路3LED显示器4晶体振荡回路5控制开关与按键本讲稿第四十页，共五十页E312A型通用计数器的技术指标如下。测频范围：1Hz10MHz最小输入电压：正弦波时为30mV，脉冲波时为 0.1V(峰峰值)闸门时间：10ms，0.1s，1s，10s周期测量范围：l0s0.4ms，倍乘1，10，100，103标准频率：5MHz晶振，倍频后10MHz准确度和稳定度：510-8本讲稿第四十一页，共五十页35 调制域测量
13、调制域测量一、调制域测量的概念一、调制域测量的概念 所谓调制域，是指由频率轴（F）和时间轴（T）共同构成的平面域，在这一平面域中清楚地反映了信号的频率随时间调制的情况。适用于分析信号频率、相位、时间间隔等随时间变换的特性。本讲稿第四十二页，共五十页本讲稿第四十三页，共五十页二、调制域分析的关键技术二、调制域分析的关键技术 关键技术：实现动态连续地测量频率 复零准备开门计数关门读数 无死区时间计数器（Zero Dead Time Counter），简称ZDT计数器 本讲稿第四十四页，共五十页T1=N1T0，f1=1/T1=f0/N1T2=N2T0，f2=1/T2=f0/N2本讲稿第四十五页，共五
14、十页三、调制域分析仪的应用三、调制域分析仪的应用 调制域分析仪的主要测量对象为：频率，周期，时间间隔(正负时间间隔、连续时间间隔)，实时运算的时间间隔直方图，相位偏移(单通道)和A相对B的相位，时间偏差(抖动)。专门测量(包括脉冲宽度、占空比和上升下降时间)等，可直接通过各种不同的测量方法获取结果。调制域分析仪的主要分析功能有：频率、相位、时间间隔相对于时间轴的变化显示，单次或多次平均，任何测量结果的直方图显示，测量结果数值显示，调制分析(峰峰偏移、中心频率、调制速率)，抖动频谱分析，各种参数统计(平均、最大、最小、方差、均方差、有效值、概率)，阿伦方差计算等。本讲稿第四十六页，共五十页1直接观测频率变化(调制)本讲稿第四十七页，共五十页2信号抖动测试本讲稿第四十八页，共五十页3对抖动的频谱分析本讲稿第四十九页，共五十页4跳频通信对抗中的应用本讲稿第五十页，共五十页