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1、第三章 频率和时间的测量技术,直接法 电桥法 模拟法 谐振法 差频法 比较法 拍频法 示波法 计数法 电容充放电法 电子计数式,3.1 标准频率源,1.原子频标的基本原理根据量子理论，原子或分子当由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其频率严格地决定于两能级之间的能量差，这种现象是微观原子或分子所固有的，非常稳定。若能设法使原子或分子受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率。1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：秒是Cs-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。铯原子钟精度达10-1310-14量级
2、2003年中国计量科学研究院：冷铯原子喷泉钟。,3.1 标准频率源,2.氢原子钟：亦称为氢原子激射器，精度10-12量级。3.铷原子钟：精度10-11量级。4.离子储存频标：亦称为离子阱频标，预计其精度可达10-1510-16量级。,3.2 电子计数法测量频率,一、测频原理,1.基本原理：根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则该信号的频率为：,2.组成框图,(1)时基T(闸门时间T)产生电路:作用:提供准确的计数时间T,频率计数器组成原理框图,(2)计数脉冲形成电路:作用:把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲,(3)计数显示电路:作用:计数被测周期信号重复的次数,并显示被测信
3、号的频率(4)控制电路：产生各种控制信号，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。测频原理的实质:以比较法为基础,把被测信号频率与已知信号的频率相比,将比较的结果以数字的形式显示出来.,二、误差分析1、误差来源:(1)时基T是否准确(2)计数值N是否准确,2、量化误差-1误差,图 T=7Tx的示意图,图 T=7.4Tx的示意图,结论:(1)不论N值为多少,其最大误差总是1个计数单位,故称“1误差”(2)脉冲计数相对误差与被测信号频率成反比,与闸门时间成反比.,3、闸门时间误差(标准时间误差):结论：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差 4、测频总误差:,三、提高测频准确度应采取以下
4、措施:（1）提高晶振的准确度和稳定度，以减小闸门时间误差（2）扩大闸门时间或倍频被测信号，以减小1误差（3）当频率较小时，应采用测周法。,3.3电子计数法测量周期,一、电子计数法测量周期的原理,测周原理框图,测频原理框图,二、误差分析,1、量化误差和基准频率误差,2、触发误差,3.多周期测量,进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和 1误差。,4.结论,1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、触发误差以及标准频率误差。,2)采用多周期测量即周期倍乘可提高测量准确度；,3)提高标准频率，可以提高测周分辨力；,4)测量过程中尽可能提高信噪比UmUn。,三、中界频率,三、中界频率,式中
5、，,为中界频率，,为标准频率，T为闸门时间。,1、定义：对某信号使用测频法和测周法测量频率，两者引起的误差相等，则该信号的频率定义为。,2、若测频时扩大闸门时间n倍，测周时周期倍乘k倍：,例某频率计若可取的最大的T、fc值分别为10s、100MHZ，并取k=104，n=102，试确定该仪器可选择的中界频率。,1.基本原理,3.4电子计数法测量时间间隔,2、测量类型(1)当开关闭合时,测量同一信号波形上的任意两点的时间间隔.(2)当开关断开时,测量两信号间的时间间隔.,3、误差分析（1）表达式：（2）减少测量误差应采取的措施：1)选用频率稳定性好的标准频率源,以减小标准频率误差.2)提高信噪比以
6、减小触发误差.3)提高频率fc,以减小量化误差,不能采用被测时间TX扩大K倍法,4.相位测量,则,对应的相位可以计得,5.脉冲时间参数测量,例、某频率计最高标准频率为10MHz,若忽略标准频率误差与触发误差,当被测时间间隔为50s和5 s时,其测量误差多大?若最高标准频率一定,且给定最大相对误差时,则仅考虑量化误差所决定的最小可测量时间间隔可由下式给出:例4 某频率计fcmax=10MHz,rmax=1%,求Txmin,3.5 通用计数器,电子计数器问世于五十年代初期，它是出现最早、发展最快的类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比，面貌已焕然一新。,一、通用计数器的功能,1.自检,实际原理框图：,2.频率比(AB)的测量,频率比AB是加于A、B两路的信号源的频率比值。,3.累加计数(计数A的测量),累加计数是在一定的时间内(通常是比较长的时间内，如自动统计生产线上的产品数量)记录A信号（如产品通过时传感器产生的光电信号）经整形后的脉冲个数。,二、单片通用计数器,E312A型通用计数器的技术指标为：,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：10s0.4s，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,
