《电子测量原理》课程电子教案（PPT课件）第四章 时间与频率的测量

第四章与频率的观星 4.1概述 4.2时间与频率的原始基准 4.3频率和时间的测量原理 44电子计数器的组成原理和测量功能 45电子计数器的测量误差

第四章 时间与频率的测量 4.1概述 4.2时间与频率的原始基准 4.3频率和时间的测量原理 4.4电子计数器的组成原理和测量功能 4.5电子计数器的测量误差

2)时频测量的特点 ◆最常见和最重要的测量 时间是7个基本国际单位之一,时间、频率是极为重要 的物理量,在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医 疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量 测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度(可达1014),校准 (比对)方便,因而数字化时频测量可达到很高的准确度。 因此,许多物理量的测量都转换为时频测量 自动化程度高 ◆测量速度快

2) 时频测量的特点 ◆最常见和最重要的测量 时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要 的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医 疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。 ◆测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校准 （比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。 因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。 ◆自动化程度高 ◆测量速度快

3)测量方法概述 ◆频率的测量方法可以分为:模拟法(差频法、示波 器法);电子计数器法 各种测量方法有着不同的实现原理,其复杂程度 不同。 各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频 率范围。 ◆数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方 法,是本章的重点

◆ 3）测量方法概述 ◆ 频率的测量方法可以分为：模拟法(差频法、示波 器法)；电子计数器法． ◆ 各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度 不同。 ◆ 各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频 率范围。 ◆ 数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方 法，是本章的重点

电子测量原 4.12电子计数器概述 1)电子计数器的分类 通用计数器,频率计数器,时间计数器 特种计数器 2)主要技术指标 (1)测量范围:亳赫几十GHz (2)准确度:可达10以上 (3)晶振频率及稳定度:晶体振荡器是电子计数器的内 部基准,一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级 (10倍)。普通晶振稳定度为105 第4页

电子测量原理 第4页 4.1.2 电子计数器概述 1）电子计数器的分类 通用计数器, 频率计数器, 时间计数器, 特种计数器. 2）主要技术指标 （1）测量范围：毫赫~几十GHz。 （2）准确度：可达10-9以上。 （3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内 部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级 （10倍）。普通晶振稳定度为10-5

4.1.1时间、频率的基本概念 1)时间和频率的定义 ◆时间有两个含义 “时刻”:即某个事件何时发生; 时间间隔”:即某个时间相对于某一时刻持续了多久。 ◆频率的定义:周期信号在单位时间(15)内的变化次数 (周期数)。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化 了N次,则频率可表达为 f=NT ◆时间与频率的关系:可以互相转换

4.1.1 时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义 ◆时间有两个含义： “时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。 ◆频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数 （周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化 了N次，则频率可表达为： f＝N/T ◆时间与频率的关系：可以互相转换

电子测量原 2)主要技术指标 (4)输入特性:包括耦合方式(DC、AC)、触发电平(可 调)、灵敏度(10~100mV)、输入阻抗(509低阻和M Ω/25pF高阻)等。 虚位器一一电子调实验,日电子计酸 (5)闸门时间测频): 5800虚仪器 电子计数器 退出 有1ms、10ms、10ms、1s、10s·m1m9m0 (6)时标(测周): 10008 有10ns、100ns、1ms、10mm (7)显示: 自动 包括显示位数及显示方式等。 10=/x10000 州门时间/网期倍乘 时标透 第6页

电子测量原理 第6页 2）主要技术指标 （4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可 调）、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50 Ω低阻和1M Ω//25pF高阻）等。 （5）闸门时间(测频)： 有1ms、10ms、100ms、1s、10s。 （6）时标(测周)： 有10ns、100ns、1ms、10ms。 （7）显示： 包括显示位数及显示方式等

电子测量原 3)电子计数器的发展 ◆测量方法的不断发展:模拟→数字技术→智能化。 ◆测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指 标,电子计数器的发展体现了这两个指标的不断 提高及功能的扩展和完善。 例子: 通道:两个22MH通道,也可日 选择第三个12.4GHz通道。 ●每秒12位的频率分辨率、150ps的时间间隔分辨率。 测量功能:包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下 降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、 峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟 ●处理功能:平均值、最小值、最大值和标准偏差。 第7页

电子测量原理 第7页 3）电子计数器的发展 ◆测量方法的不断发展：模拟→数字技术→智能化。 ◆测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指 标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断 提高及功能的扩展和完善。 ◆ 例子： ●通道：两个225MHz通道，也可 选择第三个12.4GHz通道。 ●每秒12位的频率分辨率、150ps的时间间隔分辨率。 ●测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下 降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、 峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。 ●处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差

电子测量原 42时间与频率标准 4.21时间与频率的原始标准 1)天文时标 ◆原始标准应具有恒定不变性。 ◆世界时( UT Universal Time):以地球自转周期(1天)确 定的时间即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差 药为10量级。 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足 设备庞大、操作麻烦;观测时间长;准确度有限。 第8页

电子测量原理 第8页 4.2 时间与频率标准 4.2.1 时间与频率的原始标准 1）天文时标 ◆原始标准应具有恒定不变性。 ◆世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确 定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差 约为10－7量级。 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足 ➢ 设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限

电子测量原 2)原子时标 ◆原子时标(AT)的量子电子学基础 原子(分子)在能级跃迁中将吸收(低能级到高能 级)或辐射(高能级到低能级)电磁波,其频率是 恒定的。 1967年10月,第13届国际计量大会正式通过 了秒的新定义:“秒是C513原子基态的两个超精 细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续 9,192631770个周期的时间”。 秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准,准确 度提高了4~5个量级,达5×1014(相当于62万年 土1秒),并仍在提高。 第9页

电子测量原理 第9页 2）原子时标 ◆原子时标（AT）的量子电子学基础 原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能 级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是 恒定的。 1967年10月，第13届国际计量大会正式通过 了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精 细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续 9,192,631,770个周期的时间” 。 秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确 度提高了4~5个量级，达5×10-14(相当于62万年 ±1秒)，并仍在提高

电子测量原 422石英晶体振荡器 输出频率1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日浪动:2×1010日老化:1×1010;秒 稳5×1012。 输出瘕形:正弦浪;输出幅度:0.5Vm5(负载50g)。 第10页

电子测量原理 第10页 4.2.2 石英晶体振荡器 输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波动:2×10-10 ；日老化:1×10-10；秒 稳:5×10-12 。 输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)