电子测量与仪器第4章课件

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1、1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调制域测量的原理与应用调制域测量的原理与应用 24.1 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

2、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 T3电子表走时是否准确取决于电子表

3、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10-6610246060t则日误差：则日误差：64660 60 24 108.64 10100.08640.1 /ts 日频率标准频率标准 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44.1.2 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

4、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11

5、0-9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5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

6、（AT）F=4F=4mmF F=0=0F=3F=3mmF F=0=091926317709192631770个周期个周期= =1 1秒秒跃迁跃迁频率频率很高很很高很稳定稳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。63.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

7、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

8、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。 74.1.3 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计数法法频响频响法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

9、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1 11010-8-81 11010-13-13量级量级1 11010-2-2量级量级84.2 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： TNfx（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

10、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 19由图可见：由图可见：TNTx因此因此TNfx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102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

11、xN N0 0A At tT Tx x 时基电路时基电路计数计数一一 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 E111)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。