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1、4.1 概述本节要求求：（1） 了解时间间频率的的基本概概念。（2） 了解时频频测量的的优点和和测量方方法的分分类。（3） 了解电子子计数器器的分类类及主要要的技术术指标要要求。4.1.1 时时间、频频率的基基本概念念1.时间间和频率率的定义义“时间”的含义义有两个个：一个个是指“时刻”,即某某个事件件何时发发生；另另一个是是指“时间间间隔”，即某某个事件件相对于于一开始始时刻持持续了多多久。所谓频率率就是指指周期信信号在单单位时间间（1秒秒）内变变化的次次数。如如果在一一定时间间间隔T内周周期信号号重复变变化了NN次，则则其频率率可表达达为： （44-1）由于周期期和频率率呈现上上式所示示的
2、关系系，所以以对周期期（时间间间隔）的的测量可可转化为为对频率率的测量量，然后后再取倒倒数即可可。2.时频频测量的的特点.测量量精度高高在电子子技术各各参数中中，频率率测量的的精确度度是最高高的（110114），因因而可以以利用某某种确定定的函数数关系把把其他电电参数的的精确测测量转换换诚频率率的测量量。应用用范围广广现代科科技所涉涉及的频频率范围围是极其其宽广的的，从百百分之一一赫兹甚甚至更低低频率开开始，一一直到110122赫兹以以上。因因此电子子学和其其他领域域的研究究工作都都离不开开频率测测量。自动动化程度度高 时时频测量量极易实实现数字字化。电电子计数数器利用用数字电电路的各各种逻辑
3、辑功能很很容易实实现自动动重复测测量、自自动选择择量程、测测量结果果自动显显示等。测量量速度快快由于数数字式仪仪器实现现了测量量自动化化，因此此不但操操作简便便，而且且大大加加快了测测量速度度。3.频率率测量方方法概述述频率的测测量方法法分类如如图41所示示差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法图411 频率率测量方方法比较法是是将被测测频率与与一个已已知频率率相比较较，通过过观察比比较结果果来获得得被测信信号频率率值的一一种方法法，包括括有：拍拍频法、差差频法与与示波法法等。其其中拍频频法是将将标准频频率与被被测频率率叠
4、加，通通过指示示器（耳耳机、电电压表或或示波器器）来判判别,适适用于音音频的测测量。差频法是是将标准准信号与与被测信信号进行行混合以以得到一一个差频频信号，通通过放大大后由仪仪表指示示，适用用于几十十兆以上上信号的的测量。计数法有有电容充充放电式式及电子子计数式式两种。后后者是用用电子计计数器显显示单位位时间内内通过被被测信号号的周期期个数来来实现频频率的测测量，这这时目前前最好的的方法。4.1.2 电电子计数数器1. 电子计数数器的分分类电子计数数器按照照功能可可以分为为如下四四类：通用用计数器器它可测测量频率率、频率率比、周周期、时时间间隔隔、以及及进行累累加计数数等。频率率计数器器是指专
5、专门用来来测量高高频和微微波频率率的计数数器，其其功能限限于测频频和计数数，其测测频范围围往往很很宽。时间间计数器器时间计计数器是是以时间间测量为为基础的的计数器器，其测测时分辨辨力和准准确度都都很高，已已达皮秒秒（100122）的数数量级。特种种计数器器包括可可逆计数数器、预预置计数数器、序序列计数数器、差差值计数数器等。2. 主要技术术指标(1).测量范范围电子子计数器器按直接接计数的的最高频频率分有有：低速速计数器器 （），中中速计数数器（），高高速计数数器（），微微波计数数器（或或更高）。(2).晶体振振荡器的的频率稳稳定度一一般为110661009范围围。(3).输入特特性. 触触发
6、电平平及极性性触发电电平和极极性共同同决定了了输入信信号的触触发点，要要求触发发电平有有一定的的调节范范围，触触发极性性可选择择。.输入入电压范范围能保证证正常工工作的最最小输入入电压称称为输入入灵敏度度，大多多为100mv1000mv范范围。思考题：1. 解释时间间与时刻刻的不同同点。2. 数字化测测量的优优点有哪哪些？4.2 时间与与频率标标准本节要求求：（1） 了解从天天文时标标到原子子时标的的发展过过程。（2） 了解石英英晶体振振荡器的的构造和和技术指指标。4.2.1 时时间与频频率的原原始标准准1. 天文时标标时间和频频率测量量的一个个重要特特点就是是：时间间是一去去不复返返的。因因
7、此，寻寻找按严严格相等等的时间间间隔重重复出现现的周期期现象就就成为制制定时间间和频率率标准的的首要问问题。长期以来来，人们们把地球球自转当当作符合合上述要要求的频频率源，把把由地球球自转确确定的时时间计量量系统称称为世界界时。它它满足了了当时人人们的需需要。随随后人们们又制定定了根据据太阳来来计量时时间的计计时系统统，称为为平太阳阳时系统统。这种种计时系系统的精精度比世世界时有有了大幅幅度的提提高。各地通过过天文观观测直接接测定的的世界时时称为地地方时，记记做UTT0。在UUT0的基础础上修正正了地球球极移的的影响，产产生了UUT1；在UUT1的基础础上修正正了季节节性变化化的影响响，产生生
8、了UTT2。它的的稳定度度比世界界时提高高了两个个数量级级，达到到了11099量级。19522年九月月，国际际天文学学会第八八次大会会通过了了历书时时的正式式定义。这这种计时时系统采采用19900年年1月11日0时时（UTT）起的的回归年年长度作作为计量量时间的的单位，定定义“秒是按按19000年起起始时的的地球公公转平均均角速度度计算出出的一个个回归年年的311，5556，9925，9974，77分之一一”，称之之为历书书秒。它它在19960年年的第十十一届计计量大会会上得到到认可。2.原子子时标天文时间间标准具具有一定定的局限限性。原原子时是是近年来来建立起起来并确确定的一一种新型型计时系
9、系统，它它利用原原子从某某种能量量状态转转变到另另一种能能量状态态时，辐辐射或吸吸收的电电磁波的的频率作作为标准准频率来来计量时时间。它它们受宏宏观世界界的影响响较小，因因此频率率准确度度和稳定定度都十十分高，远远远超过过了天文文标准。19677年100月的第第十届国国际计量量大会正正式通过过了秒的的新定义义：“秒是CCs1333原子子基态的的两个超超精细结结构能级级之间跃跃迁频率率相应的的射线束束持续99，1992，6631，7770个个周期的的时间”。这个个定义已已为全世世界所接接受，并并且自119722年1月月1日零零时起，时时间单位位“秒”由天文文秒改为为原子秒秒。由于于我们所所说的时
10、时间包含含着时刻刻和时段段（时间间间隔）双双重概念念，定义义平太阳阳时和历历书时的的时候已已考虑了了时间的的起点问问题，因因此，这这两者都都包含上上述两个个含义。而而原子时时只能提提供准确确的时间间间隔。4.2.2 石石英晶体体振荡器器目前，时时间和频频率的测测量，之之所以在在所有物物理量的的测量中中处于领领先地位位，主要要因为频频率是迄迄今为止止复制得得最准确确（100133量级）、保保持得最最稳定（110114/星星期）、而而且测量量得最准准确的物物理量。工工作基准准通常都都用和一一级标准准相校准准的晶体体振荡器器来担任任。1.组成成石英晶体体有很高高的机械械稳定性性和热稳稳定性。压压电效
11、应应使得石石英晶体体高度稳稳定的机机械振动动可以直直接控制制电振荡荡，使电电振荡频频率也保保持得非非常稳定定。图442所所示的是是高稳定定度石英英晶体振振荡器的的结构图图。图422 高稳稳定度晶晶体振荡荡器结构构装置由于系统统漂移或或老化现现象,必必须定期期和高一一级的频频率源校校准，通通过微调调频率以以达到规规定的准准确度和和稳定度度。由于于采用了了高质量量因数的的泛音晶晶体、精精密的恒恒温设备备以及特特别选定定的电子子器件的的工作状状态，目目前，石石英晶体体老化率率不难做做到1008，较较好的可可达31099/天510110/天天，短期期稳定度度达210110/秒秒510111/秒秒。思考
12、题：1.由原原子时标标能够确确定时间间吗？2.为什什么高稳稳定石英英晶体振振荡器需需要加恒恒温装置置？4.3 频率和和时间的的测量原原理本节要求求：（1） 掌握模拟拟测量原原理，包包括谐振振法、电电桥法等等。 （2） 掌握握门控计计数法的的原理、通通用计数数器的组组成框图图。4.3.1 模模拟测量量原理频率和和时间测测量技术术按工作作原理可可分为直直接法和和比较法法两类。1. 直接法在某些电电路中，输输入被测测频率ffx是电路路和设备备的已知知参数aa，b，cc，等的确确定的函函数关系系。进行行测量时时，利用用各种有有源和无无源的频频率比较较设备和和指示器器来确定定这种函函数关系系的具体体形式
13、，以以获取被被测信号号的频率率。谐振振法和电电桥法是是其典型型代表。(1).谐振法法谐振法法测频的的基本原原理如图图444所示。改改变可变变电容器器C，使使回路发发生串联联谐振时时回路电电流I达达到最大大，如用用与电容容串联相相接的电电流表指指示也将将达到最最大。被被测频率率用下式式计算： （4-3）fxMLIC图444谐振法法测频原原理可预先绘绘制配用用相应电电感的ffxC曲曲线，或或fx（为C的的旋转角角度）曲曲线。测测量时，调调节标准准电容使使回路谐谐振，可可从曲线线上直接接查出被被测频率率。(2).电桥法法通常都都采用图图455所示的的文氏电电桥。R3R4R1R2C1C2fx图455
14、文氏氏电桥这种电桥桥的平衡衡条件为为： （44-4）令等式两两端的实实部和虚虚部分别别相等，并并取, ,则由由可得 借助RR(或cc)的调调节，可可使电桥桥对被测测频率达达到平衡衡（指示示器指示示最小），故故可变电电阻R（或或可变电电容c）上上即可按按频率进进行刻度度。2.比较较法比较法通通过利用用标准频频率fss和被测测频率ffx进行比比较来测测量频率率。其数数学模型型为： （44-6）利用比较较法测量量频率，其其准确度度主要取取决于标标准频率率fs的准确确度，即即判断式式(4-6)存存在的误误差。拍拍频法、外外差法、示示波法以以及计数数法测频频是这种种测量法法的典型型代表。电子计数数器也是
15、是一种利利用比较较法进行行测量的的最常见见、最基基本的数数字化仪仪器，是是其他数数字化仪仪器的基基础。4.3.2 数数字测量量原理1. 门控计数数法测量量原理门控计数数法可理理解为：在规定定的时间间内打开开闸门，让让信号进进入计数数电路做做累加计计数，在在已知的的标准时时间内累累计未知知的待测测输入信信号的脉脉冲个数数，就实实现频率率测量；在未知知的待测测的时间间间隔内内累计已已知的标标准时间间脉冲个个数，就就实现周周期或时时间间隔隔的测量量。其原原理如图图466所示。 与门TATBTATBABC图466主门电电路2. 通用计数数器的基基本组成成通用计数数器的组组成如图图4-77所示:TB放大
16、、整形放大、整形闸门门控电路计数显示TBfA12AB图477 通通用计数数器的简简化框图图除主门、计计数电路路和数字字显示器器外，通通用计数数器还包包括两个个放大整整形电路路和一个个门控双双稳触发发器。从从A通道道输入频频率为ffA的A信信号，经经放大、整整形变换换为计数数脉冲信信号，接接至闸门门“1”端。从从B通道道输入频频率为ffB的B信信号，也也经放大大、整形形变换为为周期为为TB的矩形形脉冲信信号。这这个矩形形脉冲信信号接至至主门“2”端以触触发门控控双稳态态触发器器，使它它输出一一个宽度度为TBB的门控控时间脉脉冲信号号（开门门脉冲），控控制闸门门的开门门时间。思考题：1.简述述直接
17、法法的测量量原理。2.根据据通用计计数器的的简化框框图，如如果闸门门时间在在0.11秒到11秒之间间可调，计计数器为为8位的的计数器器，试计计算此通通用计数数器可测测量的最最高频率率和最低低频率。4.4.2 电电子计数数器的测测量功能能通用电子子计数器器的基本本功能是是测量频频率、周周期、频频率比、时时间间隔隔和自检检等。计计数器输输入通道道所加信信号的不不同组合合，决定定了所实实现的测测量功能能。1. 频率测量量电子计数数器按照照式的定定义进行行频率测测量.原原理如图图4110所示示，其对对应点的的工作波波形如图图4111所示示。在开开门时间间，被测测信号通通过闸门门进入计计数器计计数并显显
18、示。若若闸门开开启时间间为Tcc和输入入信号频频率为ffx，则计计数值为为: （44-7）Tc放大、整形闸门门控电路计数显示Afx分频电路BCDNTcTxABCD图4-110 测测频原理理框图 图44111 工作作波形图图闸门的宽宽度是由由标准的的时基经经过分频频得到的的，通过过开关选选择分频频比，是是已知量量。因此此，只要要得到计计数器的的计数值值，就可可以由（式式477）得到到被测信信号的频频率。2. 频率比的的测量频率比ffA/fB测量的的原理如如图412所所示。两两个信号号中频率率较低的的信号（周周期大的的）需要要加到门门控电路路输入端端作为开开门信号号。得到到的读数数即为两两个频率率
19、的比值值。放大、整形放大、整形闸门门控电路计数显示TBfBfAABN图4112 频频率比的的测量原原理虽然两个个信号的的频率对对我们来来说都是是未知的的，但是是我们只只关心频频率的比比值，其其实际值值对测量量者来说说是没有有意义的的。3. 周期测量量原理如图图4-113所示示。被测测信号TTx从B输输入端输输入，经经脉冲形形成电路路取出一一个周期期的方波波信号，加加到门控控电路。若若时标信信号周期期为T00，计数数器读数数为N，被被测周期期的表达达式应为为： TTxN T0 （4-8）图4113 测测周期的的原理框框图需要注注意的是是：门控控信号由由被测信信号经过过整形获获得，而而被计数数的信
20、号号则是标标准的时时基信号号经过分分频得到到，其周周期是已已知的。通通过时基基信号在在开门时时间内的的计数值值就可由由式（448）得得到被测测信号的的周期。4. 时间间隔隔测量时间的起起始和停停止脉冲冲经B和和C两个个输入通通道，分分别触发发R-SS触发器器产生TTX=TbTc的闸门门信号宽宽度。在在时间间间隔TXX所形成成的开门门时间内内，对AA通道输输入的时时标信号号进行计计数，其其计数值值N为：TX=NNT0通过选择择两个输输入通道道的触发发极性和和触发电电平可以以完成两两输入信信号任意意两点之之间时间间间隔的的测量. 如果果需要测测量同一一个输入入信号的的任意两两点之间间的时间间间隔，
21、可可以把被被测信号号同时送送入B、CC通道，分分别选取取其触发发电平和和触发极极性以产产生开始始和停止止信号。通过测量两个正弦波形上两个相应点之间的时间间隔，根据信号的频率可以求得两个正弦信号的相位差。5. 自检自检是确确认仪器器工作状状态是否否正常的的自我检检查，时时基信号号经过nn级100分频后后控制闸闸门的开开启时间间，对时时基本身身进行计计数.因因为闸门门信号和和被计数数脉冲来来自同一一个信号号源，所所以在理理论上不不存在1量化化误差。因因此每次次测量值值和分频频比相一一致则表表明仪器器工作正正常。思考题：1.为什什么标准准时间单单位为11ms、00.1mms、110uss、1uus、00.1uus、110nss、1nns等，都都呈现110的倍倍数关系系？2.区分分对应于于电子计计数器的的5种测测量功能能，其输输入通道道输入信信号的差差别。3.试述述测量脉脉冲宽度度的方法法。