电子测量第四章.ppt

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1、1,第四章频率与时间的测量,第一节 频率或时间的原始基准,记时标准：UT0、UT1、UT2、ET宏观计时标准 AT原子时,第二节 电子计数器测频方法,一、电子计数器的测频原理,频率：周期性信号在单位时间（一秒）内变化的次数。,2,频率表达式 N：重复次数 T：一定时间间隔,3,计数器 计数器是用触发器构成的。触发器的 和 端有两个稳定状态，因此可用 和 端来表示二进制代码。对应每一个输入时钟脉冲CP，触发器就翻转一次，每两个CP脉冲就使一个触发器又回复到原态，并输出一个进位信号，符合适二进一的特点，因此可利用它们作为二进制计数单元。对若干个触发器进行适当的联接，就构成二进制、十进制或N进制计数

2、器。但在数字仪表中，最常用的是按8421编码的十进制计数器，又名二十进制计数器。,4,计数器（主要由若干个触发器）,计数器输出n位二进制代码（代表计的脉冲的个数）,译码器,显示器（用十进制数把脉冲的个数显示出来）,5,被测信号（正弦波）由信号转换成的脉冲由时基信号发生器提供门控信号，作为时间基准（时基）,被计数的脉冲,T称为闸门时间,6,1、输入单元：将被测正弦信号 通过放大、整形形成计数的方波2、十进制电子计数器，用来进行脉冲计数3、时基信号产生与变换单元。4、逻辑控制单元,7,三、误差分析,由 得,:仪器特有的误差:闸门时间的相对误差,（一）1误差,当主门开启时间 时，达到最大计数误差。,

3、8,6,6,9,这时,10,（二）标准频率误差,闸门时间T 的准确性决定于石英振荡器提供的标准频率的准确度。,设石英振荡器的频率为,，分频系数为K,则,11,（三）结论,1、计数器直接测频的误差主要有两项,2、测量低频时，由于1误差产生的测频误差大得惊 人，所以测量低频时不宜采用直接测频方法。,12,13,第三节 电子计数器测周方法,一、测周的必要性与基本原理,由于 较低时，1误差所引起的测频误差将会大到不可允许的程度，所以为了提高测量低频时的准确度，可预先测周期,。,基本原理：,14,15,二、误差分析,而且,16,由上式可知，越大（被测频率愈低），1误差对测周精确度的影响愈小。,17,18

4、,三、倒数计数器,19,定标器：每计满N个标准脉冲就产生一个进位脉冲。,计数器1：计的脉冲个数是N。,测频率模式,测周期模式,20,21,第四节 时间间隔的测量,一、基本模式,当跨接于两个输入端的选择开关S断开时，两个通道是完全独立的，来自两个信号源的信号控制计数器工 作；可用于测量两个信号的时间差（相位差）。,时间间隔的测量常用两种工作方式：,22,两个独立的输入通道(B和C)可分别设置触发电平和触发极性(触发沿)。输入通道B为起始通道，用来开启主门，而来自输入通道C的信号为计数器的终止信号。,23,相位差,24,当S闭合时，两个输入端并联，仅一个信号加到计数器，但可独立地选择触发电平和触发

5、极性，以完成起始和终止功能。可用于测量一个信号任意两点问的时间间隔，可以测脉冲宽度。,二、脉冲宽度的测量,25,当需要测量脉冲的宽度时，开关S应闭合，而且，B输入触发沿应置于“十”，C输入触发沿应置于“一”。可见主门的开启时间为，即脉冲宽度，在时间内，时标通过主门计数。由于脉冲宽度是以50脉冲幅度来定义的，为了获得高的测量准确度，触发电平必须准确设置在50的脉冲幅度上。利用这种工作方式可以测量一个波形上任意两点间的时间间隔，因此利用电子计数器可以进行波形分析。,26,27,第五节 不同测量模式的测量误差,一、测频模式时的误差,在不同测量模式中，由于由被测信号受噪声和干扰 的影响或触发电平不准确

6、，引起测量误差。,由前面讨论过土1误差和标准频率误差而引起的固 有误差。,在测频模式中，被测信号首先通过触发器转变成方波，并在主门开通期间计数。在计致器中，都采用斯密特电路作为触发器，实现把正弦波形成方波的过程。,28,输出,当正弦电压上升到Al点，达到斯密特电路的接通电平，电路翻转，处于一个稳态。由于电路具有滞后特性，故直到正弦电压下降至断开电压(Bl点)，电路才回到起始状态，这样在斯密特电路的输出，可得到方波。若无噪声干扰，则方波的重复周期等于输入正弦信号周期。,29,输出,“触发窗”（也称“滞后带”）：与 之差。,30,1、噪声干扰引起的计数误差,叠加在信号波形上的噪声海峰值很大时，每个

7、信号周期与“滞后带”相交的次数将大于两次，即产生了额外的触发达时计致器就会发生额外计数。,触发窗,31,为了消除噪声干扰引起的计数误差，可将信号通道(A通道)增益调小，这样叠加在信号上的噪声幅度同时减小，使得噪声幅度小于触发窗宽度，在这种情况下，每一个信号周期内与触发窗只相交两次(图中A和B两点)，即不发生额外触发。,2、消除噪声干扰引起的计数误差,触发窗,32,二、测周模式的的误差,在测周时，门控信号由通过B通道的被测信号所控制，即通过斯密持电路把被测信号变成方波，并触发门控电路产生控制主门开启的门控信号。当无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于一个被测周期。,33,当被测信号受干扰时，假设干扰

8、为一尖峰脉冲，可见，斯密特电路将提前在 触发，于是形成的方波周期为，即产生 的误差，称“转换误差（或触发误差）”。,1、转换误差（或触发误差）,34,直线a b为Al点的正弦波切线，即接通电平处正弦曲线的斜率为,2、转换误差（或触发误差）的计算,35,36,同样在正弦信号下一个上升沿上(图中A2点附近)也可能存在于扰，即也可能产生触发误差,37,由于干扰或噪声都是随机的，和 都属于随机误差，并进行误差合成：,信噪比,38,3、利用“多周期测量法”减小转换误差对测周的影响,所谓“多周期测量法”是用计数器测量多个周期值，比如计数器计十个被测周期的数，即测，然后将计得的数除以10就等于一个周期 的数

9、。,39,多周期测量的测周方框图,40,多周期测量减少转换误差的原因,以 为例，两相邻周期由于转换误差所产生的 是互相抵消的，当测10个周期时，只有第一个周期开始产生的转换误差 和第十个周期终了产生的 才产生10个周期引起的总测周误差。,41,以 为例，两相邻周期由于转换误差所产生的 是互相抵消的，当测10个周期时，只有第一个周期开始产生的转换误差 和第十个周期终了产生的 才产生10个周期引起的总测周误差：,一个周期的误差为,42,4、结论,用计数器直接测周的误差主要有：量化误差 转换误差 标准频率误差,合成误差按下式计算：,43,采用多周期测量可提高测量准确度；选用小的时标(即k小)可提高测

10、周分辨力；测量过程中尽可能提高传噪比。,44,三、测时间间隔模式时的误差,在这一测量模式中，同样也会产生由噪声干扰引起的触发误差。此外，由于斯密持触发电路的滞后，也会产生误差，称“触发滞后误差”。,1、误差的种类,45,以测量脉冲宽度为例，由于触发电路存在滞后，电路不是在标称触发电平A点(50脉冲幅度)产生触发，而是在接通电平(点)产生触发；同样，在下降沿上，电路不是在B点翻转，而是在断开电平()上翻转，故测得的脉冲宽度为，而不是所定义的脉冲宽度。,2、产生触发滞后误差的原因,46,触发窗宽度上升沿斜率；下降沿斜率。,3、触发滞后误差的计算,47,4、消除触发滞后误差的方法,现代时间间隔计数器

11、，内部装有补偿网络，借助于移动触发窗的方法，可自动消除触发滞后误差。对正斜率(上升沿)，将触发窗往下移半个窗口宽度，而对负斜率(下降沿)则向上移半个窗口宽度，则触发点A和B正好处在50脉冲幅度的电平上。,触发窗,48,第六节 标准频率源的测量,一、引 言,1、标准频率源指的是什么？,标准频率源(简称频率源)主要是指各级频率标准、频率合成器和通用计数器中的高稳定石英振荡器（常称小晶振）。,2、标准频率源的基本要求,频率准确度和频率稳定度是标准频率源的两项主要 指标。,49,3、标准频率源测量的特点,标准频率源的测量属于频率精密测量(频率计量)的内容，这种测量是在一个(被测的)频率源和另一个准确度

12、更高的频率源之间进行比对来实现的。由于一个频率源的准确度是由它的频率稳定度来保证的，因此，检定一个频率源的主要内容是测量它的频率稳定度。,50,二、频率准确度 频率准确度是指频率实际值 对其标称值。的相对偏差，其表达式为,三、频率稳定度,1、频率稳定度的定义,频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率源的频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度，它表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。,51,(1)系统性的或确定性的变化，比如，构成频率源 的元器件的老化或系统性漂移；环境温度、供 电电压等外界条件变化所引起的频率漂移。(2)非确定性的或随机性的变化，其主要原因是各 种噪声对输出信号进行寄生调

13、频和调相，从而 产生频率的随机起伏。,2、影响频率稳定度内外因素,52,四、频率稳定度的描述,用长期稳定度、短期稳定度来描述频率稳定度。,长期稳定度指长时间(年或月范围内)的频率变化，在石英振荡器中，长时间的频率漂移主要是由石英谐振器(晶体)的老化引起的，它属于系统性的或确定性的变化其值与频率的随机性变化无关所以，长期稳定度一般是指年或月的老化率。,短期稳定度是秒或毫秒内的随机频率变化，这种无规则的随机变化与长期的频率漂移无关比如，用于计数器的石英振荡器，其输出频率在一秒内稳不稳具有重要意义，故常用“秒级稳定度”来表征。,53,1、长期稳定度表征,长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在

14、其平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移多数高稳定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，其频率的老化漂移往往呈现良好的线性(增加或减小)。,长期稳定度的定义,（天、月、年）,54,对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做“日老化率”。用一天内频率平均漂移的相对值表示。,日老化率,老化曲线上相隔一天(24小时)的两个频率值；标称频率,55,老化曲线是由离散的测试点通过数据处理后得到的，通常是利用最小二乘法得到日老化率。在实际测量中，需要连续测一周或一个月，设每天测一个数据，共测n天，则依次得n个等精度测量数据 于是可利用最小二乘法拟合得到一条老化曲线，不难求得其斜率的估计值

15、。,设回归方程为：,根据最小二乘法原理，对于等精度测量，应满足,56,正规方程,57,日老化率,58,当外界条件(温度、供电电压等)恒定时，一天内的振荡频率，除老化漂移外，还将产生频率的随机起伏，可用日波动来综合表征老化漂移和随机起伏这两种频率变化，日波动是指频率源经规定时间的预热以后在24小时内频率的最大变化。,日波动,59,四、频率稳定度的时域测量,频率稳定度的时域测量是建立在与标准频率比对的基础上。完成这种比对必须具备两个条件：(1)作为基准的标准频率，其准确度和稳定度至少 应比被测频率源高一个数量级(2)测量(比对)设备的测量准确度至少应比被测频 率源商3倍,60,(一)计数器直接测频

16、,例 一台标准频率为25MKz的石英振荡器，用计数器直接测频，若提供计数器的时基信号频率准确度为1x109，则当T1s时的测频误差为 计数器直接测频的测量准确度，主要受到 误差的限制，即使闭门时间选为10 s，也只能达到108 量级，而且闸门时间的选择往往受到取样时间的限制，例如，测量秒级稳定度，闸门时间必须为1s,61,(二)测差频周期法,测差频周期法是先把被测频率降低，然后测其周期。,被测频率 和标淮频率 由混频器检出两者的差频，用测周计数器测差频信号的周期 然后计算，可测得被测频率值,1、什么是测差频周期法？,62,2、测差频周期法的误差分析,设土1误差所产生的周期绝对误差为,由,得最后

17、的测频误差为,：被测频率源的标准频率,63,例：设 和 的标称频率，差频，即，若计数器的时标为，“周期倍乘”置于“1”，求测频误差。,解：,土1误差所产生的周期绝对误差,如果只考虑 误差，那么,64,讨论,1、为了保证测差额周期法的高准确度，作为比对用 的标准频率，其准确度应比被测频率源 至 少高一个量级。可认为完全由 的不稳定产 生的。,65,2、利用这种方法来测一个频率源的秒级稳定度，这 时我们必须把被测频率源的频率 调整到 使。即，这是因为计数器测 周时的取样时间等于被测信号周期(当周期倍增置 于“1”)但是，这一点不是在任何情况下都做得 到的，特别是当测量高稳定的石英振荡器时，其 频率

18、微调范围较小(一般只能在其稳定度范围内调 节)，差额不能调到1Hz，同时，频率调得太偏，会使石英振荡器的频率稳定度变坏。,66,(三)差额倍增技术,差额倍增技术是目前频率测量中广泛采用的一种方案，其实质是将被测频率源的频率起伏进行倍增。,至频率计数器,至周期计数器,被测频率,标准频率,鉴相器,67,由计数器测得的差频为，且,被测频率源的准确度为,68,（四）示波测量法,69,由于 和 有偏差，两信号之间的相位差将随时间而变，相位差从 变到，椭圆图形将转动一次，所需时间相当于一个差频 的周期，也就是说，(可看作基准)和 的频差越大，椭圆转动越快。测量椭圆转动一圈所需的时间，就不准求得频差,被测频

19、率源的准确度,或,李沙育图形转动的圈数；转动n圈所需时间。,70,测量误差,例，取n1为减小测量误差取 t40s人手反应误差一般为，圈数观测误差 则,71,41,测频模式：1误差产生的测频误差,72,42,测频模式：1误差产生的测频误差,测周模式：1误差产生的测周误差,当被测频率较低时，测频模式1误差产生的测频误差比测周模式1误差产生的测周误差要大得多。,73,44,4.21,4.94,5.48,4.71,5.48,6.35,6.67,4.76,6.06,5.71,1.33,2.76,3.96,1.97,1.95,2.05,1.24,0.90,2.55,1.78,2.45,2.02,2.35,3.70,3.70,74,75,45,测周误差,转换误差所产生的测周误差,76,利用“多周期测量法”可以减小转换误差对测周的影响，提高周期倍增数，可以降低测周误差。,77,欲得到两信号的频率比，选频率高的信号加到A通道形成时标选频率低的信号加到B通道形成时基，计数器读数便是在闸门时间T5内时标7A的变化次数，即N,12、15 电子测量技术里面找,78,79,80,