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1、,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4.6高分辨时间和频率测量技术4.7微波频率测量技术4.8频率稳定度测量和频率比对4.9时频测量技术,4.1概述,4.1.1 时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义 2）时频测量的特点 3）测量方法概述4.1.2 电子计数器概述 1）电子计数器的分类 2）主要技术指标 3）电子计数器的发展,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
2、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：fN/T时间与频率的关系：可以互相转换。,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：,各种测量方法有着不同的实现原理
3、，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。,4.1.2 电子计数器概述,1）电子计数器的分类按功能可以分为如下四类：（1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。（2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。（3）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。（4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。,1）电子计数器的分类,按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。按测量
4、范围可分为：（1）低速计数器（低于10MHz）（2）中速计数器（10100MHz）（3）高速计数器（高于100MHz）（4）微波计数器（180GHz）,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）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-710-9。（4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可调）、灵敏度（10100mV）、输入阻抗（50 低阻和1M/25pF高阻）等。（5）闸
5、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。,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
6、能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。,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 2）原子时标4.2.2 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标,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。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。宏观标准和微观标准宏观标准：基于天文观测；微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(246060)=1/86400为1秒。其误差约为107量级。,1）天文时标,为世界时确定时间观测的参考点，得到平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性
7、，以假想的平太阳作为基本参考点。零类世界时（UT0）：以平太阳的子夜0时为参考。第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为3108。历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1109。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。,2）原子时标,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。原子时标（AT）的量子电子
8、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。hfn-m=En-Em式中，h=6.625210-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。,2）原子时标,原子时标的定义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”。1972年起实行，为全世界所接受。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45个量级，达510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。,2）原子时
9、标,原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。铯原子钟准确度：10-1310-14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。铷原子钟准确度：10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。氢原子钟短期稳定度高：10-1410-15，但准确度较低（10-12）。,4.2.2 石英晶体振荡器,电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、
10、高准确的频率输出。下图为恒温晶振的组成。,1）组成,2）指标,晶体振荡器的主要指标有:输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。日波动:210-10；日老化:110-10；秒稳:510-12。输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50)。几种不同类型的晶体振荡器指标,4.3 时间和频率的测量原理,4.3.1 模拟测量原理 1）直接法 2）比较法4.3.2 数字测量原理 1）门控计数法测量原理 2）通用计数器的基本组成,4.3.1 模拟测量原理,1）直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细分为谐振法和电桥法两种。（1）谐振法：调节可变电容器C使回路发
11、生谐振，此时回路电流达到最大(高频电压表指示)，则可测量1500MHz以下的频率，准确度(0.251)%。,(2）电桥法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量,通常采用如下图所示的文氏电桥来进行测量。调节R1、R2使电桥达到平衡，则有,令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：和于是，被测信号频率为：通常取R1=R2=R,C1=C2=C，则测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为(0.51)%。,2）比较法,基本原理利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率。有拍
12、频法、外差法、示波法以及计数法等。数学模型为：拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频测量（很少用）。外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。示波法：李沙育图形法：将fx和fs分别接到示波器Y轴和X轴（X-Y图示方式），当fxfs时显示为斜线（椭圆或园）；测周期法：直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周期，进而得到频率。,4.3.2 数字测量原理,1）门控计数法测量原理时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N)，根据
13、fx=N/T得到频率值。为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。,4.3.2 数字测量原理,闸门可由一个与（或“或”）逻辑门电路实现。这种测量方法称为门控计数法。其原理如下图所示。上图为由“与”逻辑门作为闸门，其门控信号为1时闸门开启（允许计数），为0时闸门关闭（停止计数）。测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间”）即为采样时
14、间。测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。,2）通用计数器的基本组成,通用电子计数器的组成框图如下图所示：,2）通用计数器的基本组成,通用计数器包括如下几个部分输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。通过预定标器还可扩展频率测量范围。主门电路：完成计数的闸门控制作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路：控制协调整机工作，
15、即准备测量显示。,1）A、B输入通道,作用：它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发（包括出发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。通过预定标器（外插件）还可扩展频率测量范围。斯密特触发电路：利用斯密特触发器的回差特性，对输入信号具有较好的抗干扰作用。,2）主门电路,功能：主门也称为闸门，通过“门控信号”控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数。电路：由“与门”或“或门”构成。其原理如下图：由“与门”构成的主门，其“门控信号”为1时，允许计数脉冲通过；由“或门”构成的主门，其“门控信号”为0时，允许计数脉冲通过。“门
16、控信号”还可手动操作得到，如实现手动累加计数。,3）计数与显示电路,功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路。计数电路的重要指标：最高计数频率。计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的时间限制，使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器，最高计数频率主要由个位计数器决定。不同电路具有不同的工作速度：如74LS（74HC）系列为3040MHz；74S系列为100MHz；CMOS电路约5MHz；ECL电路可达600MHz。,4）时基产生电路,功能：产生测频时的“门控信
17、号”（多档闸门时间可选）及时间测量时的“时标”信号（多档可选）。实现：由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。如，若fc=1MHz,经106分频后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的时基信号，经过门控双稳态电路得到宽度为Ts=1s的门控信号。,4）时基产生电路,要求：标准性：“门控信号”和“时标”作为计数器频率和时间测量的本地工作基准，应当具有高稳定度和高准确度。多值性：为了适应计数器较宽的测量范围，要求“闸门时间”和“时标”可多档选择。常用“闸门时间”有：1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“时标”有：10ns、100ns、
18、1us、10us、100us、1ms。,5）控制电路,功能：产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，使整机按“复零测量显示”的工作程序完成自动测量的任务。如下图所示：,4.4.2 电子计数器的测量功能,1）频率测量原理：计数器严格按照 的定义实现频率测量。根据上式的频率定义，T为采样时间，N为T内的周期数。采样时间T预先由闸门时间Ts确定（时基频率为fs）。则或该式表明，在数字化频率测量中，可用计数值N表示fx。它体现了数字化频率测量的比较法测量原理。例如：闸门时间Ts=1s，若计数值N=10000，则显示的fx为“10000”Hz，或“10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s，则
19、计数值N=1000，则显示的fx为“10.00”kHz。请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率fs）。,1）频率测量,原理框图和工作波形图（fx由A通道输入，内部时基）为便于测量和显示，计数器通常为十进制计数器，多档闸门时间设定为10的幂次方，这样可直接显示计数结果，并通过移动小数点和单位的配合，就可得到被测频率。测量速度与分辨力：闸门时间Ts为频率测量的采样时间，Ts愈大，则测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨力愈高。,4.4.2 电子计数器的测量功能,2）频率比的测量原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：fx对fs的频率比。据此
20、，若要测量fA对fB的频率比（假设fAfB），只要用fB的周期TB作为闸门，在TB时间内对fA作周期计数即可。方法：fA对fB分别由A、B两通道输入，如下图。,注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输入。提高频率比的测量精度：扩展B通道信号的周期个数。例如：以B通道信号的10个周期作为闸门信号，则计数值为：,即计数值扩大了10倍，相应的测量精度也就提高了10倍。为得到真实结果，需将计数值N缩小10倍（小数点左移1位），即应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。,2）频率比的测量,3）周期的测量原理：“时标计数法”周期测量。对被测周期Tx，用已知的较小单位时间刻度T0（“时标”）去量化
21、，由Tx所包含的“时标”数N即可得到Tx。即该式表明，“时标”的计数值N可表示周期Tx。也体现了时间间隔（周期）的比较测量原理。实现：由Tx得到闸门；在Tx内计数器对时标计数。Tx由B通道输入，内部时标信号由A通道输入（A通道外部输入断开）。,4.4.2 电子计数器的测量功能,原理框图：例如：时标T0=1us，若计数值N=10000，则显示的Tx为“10000”us，或“10.000”ms。如时标T0=10us，则计数值N=1000，显示的Tx为“10.00”ms。请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它表示了周期测量的分辨力（应等于时标T0）。为便于显示，多档时标设定为10的幂次方。测量速度
22、与分辨力：一次测量时间即为一个周期Tx，Tx愈大(频率愈低)则测量时间愈长；计数值N与时标有关，时标愈小分辨力愈高。,3）周期的测量,4）时间间隔的测量时间间隔：指两个时刻点之间的时间段。在测量技术中，两个时刻点通常由两个事件确定。如，一个周期信号的两个同相位点（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。两个事件的例子及测量参数还有：同一信号波形上两个不同点之间脉冲信号参数；两个信号波形上，两点之间相位差的测量；手动触发定时、累加计数。测量方法：由两个事件触发得到起始信号和终止信号，经过门控双稳态电路得到“门控信号”，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍采用“时标计数”方法测量（即所测时间间
23、隔由“时标”量化）。,4.4.2 电子计数器的测量功能,4）时间间隔的测量,原理框图欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B、C通道输入。时标由机内提供。如下图。,触发极性选择和触发电平调节：为增加测量的灵活性，B、C输入通道都设置有触发极性(+、-)和触发电平调节，以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。,4）时间间隔的测量,4）时间间隔的测量,相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。两个信号分别由B、C通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。测量原理如下图：为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，得到t1、t2再取平均，则,4.4.2 电子计数
24、器的测量功能,5）自检（自校）功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基Ts（闸门信号）对时标T0计数，则计数结果应为：自检的方框图：例如：若选择Ts=10ms,T0=1us,则自检显示应稳定在N=10000。自检不能检测内部基准源。,4.5 电子计数器的测量误差,4.5.1 测量误差的来源1）量化误差；2）触发误差；3）标准频率误差4.5.2 频率测量的误差分析1）误差表达式；2）量化误差的影响；3）实例分析4.5.3 周期测量的误差分析1）误差表达式；2）量化误差的影响；3）中界频率；4）触发误差,4.5
25、.1 测量误差的来源,1）量化误差什么是量化误差：由前述频率测量fx=N/Ts=Nfs和周期测量Tx=NT0，可见，由于计数值N为整数，fx和Tx必然产生“截断误差”，该误差即为“量化误差”。也称为“1误差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。产生原因：量化误差并非由于计数值N的不准确（也并非标准频率源fs或时标T0的不准确）造成。而是由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。下图为频率测量时量化误差的示意图。,1）量化误差,如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数
26、结果不同。根据频率定义，准确的fx应为式中，即，或 因此，量化误差的影响相当于计数值N的“”个字。是随机的，它们 服从均匀分布，其差值 则服从三角分布。,4.5.1 测量误差的来源,2）触发误差什么是触发误差：输入信号都需经过通道电路放大、整形等，得到脉冲信号，即输入信号(转换为)脉冲信号。这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，若输入被测信号叠加有干扰信号，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为“触发误差”，也称为“转换误差”。如图。周期为Tx的输入信号，触发电平在A1点，但在A1点上有干扰信号(幅度Vn)。提前触发,周期TxTx。,4
27、.5.1 测量误差的来源,3）标准频率误差机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。通常，要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的外部基准源。,4.5.3 周期测量的误差分析,4）触发误差频率测量时触发误差的影响尖峰脉冲的干扰如图，尖峰脉冲只引起触发点的改变，对测频影响不大。高频叠加干扰如图，产生错误计数。措施增大触发窗或减小信号幅度；输入滤波。,周期测量时触发误差的影响 尖峰脉冲 周期测量时，尖
28、峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严重。如图，测量误差为：分析 设输入为正弦波：,干扰幅度为Vn。对触发点A1作切线ab，其斜率为 则，可见，愈小，即触发点愈陡峭，误差愈小。,4）触发误差,4）触发误差,进一步推导触发点的斜率，如下：实际中，对正弦输入信号，常选择过零点为触发点（具有最陡峭的斜率），则触发点电压VB满足：于是，有：若考虑在一个周期开始和结束时可能都存在触发误差，分别用 表示，并按随机误差的均方根合成，得到：结论：测周时为减小触发误差，应提高信噪比。,4.6.1 多周期同步测量技术1）倒数计数器；2）多周期同步法4.6.2 模拟内插法1）内插法原理；2）时间扩展电路4.6.3 游标
29、法4.6.4 平均法,4.6 高分辨时间和频率测量技术,4.6.1 多周期同步测量技术,1）倒数计数器如前述，对低频信号，为减小量化误差，宜采用测周方案。但测周时不能直接得到频率值的显示结果，为得到频率值显示，硬件上采用了一种特殊设计即倒数计数器。原理：首先按测周模式，设计数值为N，再设法将1/N予以显示。思路：设测周的时标来自晶振(Tc)，测频的闸门为Ts=10nTc，则测频时计数值式中，N为测周时的计数值。,1）倒数计数器,式 表明，实现：首先对被测信号测周，得计数值N，再在10nTc闸门时间内对(晶振的N分频)计数，即得计数值Nf。原理图图中计数器1和计数器2分别工作在测周和测频模式。预
30、定标器(由加法计数器构成)起着分频器作用。主门2的闸门和输入计数脉冲同步。,4.6.1 多周期同步测量技术,2）多周期同步法多周期同步测频测频时量化误差是由于闸门与被测信号的非同步引起的。为减小量化误差，必须使闸门时间等于被测信号整周期数。设计原理采用预置闸门，用fx对预置闸门同步，在实际的同步闸门时间内同时对fx计数得被测信号整周期计数得Nx。为确定同步闸门时间，用另一计数器对标准频率f0计数得N0。,2）多周期同步法,工作波形如图，同步闸门时间Ts由N0T0确定，则：误差：Nx无1误差，N0存在1误差，但一般N0较大，1/N0较小。实现：基于微处理器，控制预置闸门（软件发出），计算频率结果
31、。可实现不同闸门时间内的等精度测量。,4.6.2 模拟内插法,一般时间间隔测量的局限性：为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标的减小受时基电路和计数器最高工作频率限制，而计数器也有最大计数容量的限制（最大计数值）。内插法对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的尾数(零头时间)。如下图所示，则准确的Tx为：Tx=T0+T1-T2为实现T1-T2的测量，有模拟和数字两种方法。,4.6.2 模拟内插法,1）模拟内插法原理由于T1和T2均很小（小于时标），采用普通的“时标计数法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：对T1和T2作时间扩展（放大）后测量。三次测量若T1、T2均扩展k
32、倍，采用同一个时标（设为）分别测量T0、kT1、kT2，设计数值分别为：N0、N1、N2，则：意义：上式由于 不存在量化误差，总量化误差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相当于用 时标的普通时间测量。,4.6.2 模拟内插法,2）时间扩展电路时间扩展电路如下图所示：工作原理以恒流源对电容器C充电，设充电时间为T1，而以(k-1)T1（可近似为kT1）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经历的时间为：T1=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍时间扩展。在kT1时间内对时标计数。,例如，扩展器控制的开门时间为T1的1000倍(k取999)，即：T1T1999T11000T1在T1时间内对时
33、标 计数得N1，则类似地：T2T2999T21000T2在T2时间内对时标 计数得N2，则于是：内插后测量分辨力提高了1000倍。校准技术内插扩展技术可大大提高测时分辨力,但测量前需进行校准。,4.6.2 模拟内插法,4.6.3 游标法,1）游标法的原理数字式游标法实现的原理和游标卡尺的原理相似，是利用相差很微小的两个量，对其量化单位以下的差值进行多次的叠加，直到叠加的值达到一个量化单位为止，通过相关的计算便可以获得较精确的差值。设主时钟频率F011/T01和游标时钟F021/T02。F01F02(T01T02)且F01和F02非常接近。即差值T0=T02T01很小。如T01=10ns，T02
34、=11ns，则T0=T02T01=1ns。双游标法的工作原理如下图。,4.6.3 游标法,如图，设开门与关门时的两个“零头时间”为,开门后同时启动主计数器和游标脉冲1计数，由于T02T01，设经过N1个计数值后,游标脉冲与主脉冲重合(图中符合点1)。此时：即：,4.6.3 游标法,同样，在关门时(主时钟计数停止)启动游标脉冲2开始计数，由于T02T01，设经过N2个计数值后，游标脉冲与主脉冲重合(图中符合点2)。此时，有：则，被测时间间隔为：定义扩展系数K，则游标时钟周期用K可表示为：而于是，被测时间间隔可写成：可见，数字游标法将测时分辨力由T01提高到了T01/K。,4.6.4 平均法,1）
35、平均法原理硬件平均法测量测频：在基本频率测量中，取样时间（即闸门时间）内对N个周期脉冲进行累加计数，实际上已是对N个周期进行了平均。测周：多周期测量即是硬件上的平均测量。硬件平均法的局限：单次测量的时间有限；计数容量有限。软件平均法 单次测量（测频和测周）总是存在量化误差，这是一种随机误差,它在1/N1/N范围内(误差限1/N)均匀分布。多次测量取平均。利用随机误差的抵偿性，可采取多次测量取平均的办法，减小测量误差。,设连续进行有限次（n次）测量，计数值分别为N1、N2、Nn，其算术平均值为：由于N1N2 Nn N，各次的量化误差为：对各单次测量的量化误差采用均方根合成，根据算术平均值的性质，
36、其误差将减小到单次测量的即：,4.6.4 平均法,4.6.4 平均法,2）时基脉冲的随机调相技术 软件平均法依赖于各单次测量的量化误差的随机性，即要求闸门开启/关闭时刻和被测信号脉冲之间具有真正的随机性。否则，各单次测量的量化误差就不具有随机误差的抵偿性。实现原理采用齐纳二极管产生的噪声对时基脉冲进行随机相位调制，使时基脉冲具有随机的相位抖动。原理图下图是一个实用的测量方案。,4.6.4 平均法,4.7 微波频率测量技术,4.7.1 变频法 1）变频法原理 2）组成框图4.7.2 置换法 1）置换法原理 2）组成框图,4.7 微波频率测量技术,通用电子计数器受内部计数器等电路的工作速度的限制，
37、对输入信号直接计数存在最高计数频率的限制。中速计数器采用“预定标器”（由ECL电路构成的分频器），将输入信号进行分频后，再由计数器计数。对于几十GHz的微波计数器，主要采用变频法和置换法将输入微波频率信号变换成可直接计数的中频。4.7.1 变频法1）变频法原理变频法（或称外差法）是将被测微波信号经差频变换成频率较低的中频信号，再由电子计数器计数。变频法的原理框图如下。,电子计数器主机内送出的标准频率fs，经过谐波发生器产生高次谐波，再由谐波滤波器选出所需的谐波分量Nfs，它与被测信号fx混频出差频fI。若由电子计数器测出fI，则被测频率fx为：为适应fx的变化，谐波滤波器应能够选出合适的谐波分
38、量Nfs。,4.7.1 变频法,4.7.1 变频法,2）组成框图自动变频式微波计数器的原理方框图如下图所示。,4.7.1 变频法,工作原理谐波发生器：输入为计数器标准频率信号fs。采用阶跃恢复二极管，以产生丰富的谐波Nfs。谐波滤波器：采用YIG（单晶铁氧体材料）电调谐滤波器，其谐振频率可在很宽范围实现电调。扫描捕获电路：产生阶梯波电流，控制YIG的外加磁场，使YIG的谐振频率从低到高步进式地改变，从而可逐次选出不同的各次谐波。差频放大器、检波器：当谐波滤波器输出的某次谐波Nfs与待测频率fx的差频fI（fxNfs）落在差频放大器的带宽（1101MHz）范围内时，fI经放大、检波后输出一直流电
39、压，使扫描捕获电路停止扫描，因而YIG固定地调谐在N次谐波上。,4.7.1 变频法,微波计数器的显示当YIG调谐成功（选择的谐波分量Nfs被确定）后，控制电路直接将Nfs在高位上显示。而fI=fx-Nfs则由计数器计数并显示在Nfs位之后。这样，便得到fx=Nfs+fI。例如：若fx=1234.567890MHz，标准频率fs=100MHz。则YIG应调谐在N=12次谐波上，即Nfs=1200MHz，高位直接显示“12”。计数器再对差频信号fI=fx-Nfs=34.567890MHz计数，最后显示为“12 34.567890”MHz。变频法特点：谐波Nfs幅度低，灵敏度低，但分辨力高。,4.7
40、.2 置换法,1）置换法原理利用一个频率较低的置换振荡器的N次谐波，与被测微波频率fx进行分频式锁相，从而把fx转换到较低的频率fL（通常为100MHz以下）。原理框图如下：当环路锁定时，有：式中，fs为已知的标准频率，计数器直接对fL计数，但为得到fx，还需确定N值。,4.7.2 置换法,2）组成方框图全自动置换法微波计数器的方框图如下图所示。,4.7.2 置换法,工作原理主通道：fx与fL的N次谐波NfL经混频器A，由差频放大器取出fI=fx-NfL，当环路锁定时：fI=fx-NfL=fs。即有：fx=NfL+fs。fL由计数器直接计数。辅助通道：用于确定N。fL与标准频率发生器(F0=1
41、kHz)经混频器C得到差频：fL-F0，其N次谐波与fx经混频器B，由差频放大器取出fI=fx-N(fL-F0)=fs-NF0。再经过混频器D得到NF0，它与F0经“与门”后得到N。时基扩展器：为得到NfL的计数值，将闸门时间扩展N倍后对fL计数，其计数值相当于原闸门内对NfL计数。fx的显示：由fx=NfL+fs，将fs预置后与NfL计数值显示。置换法特点：锁相环路增益高，灵敏度高，分辨力较差。,4.8 频率稳定度测量和频率比对,4.8.1 频率稳定度的表征 1）频率稳定度 2）长期频率稳定度的表征 3）短期频率稳定度的表征4.8.2 阿仑方差的测量,4.8.1 频率稳定度的表征,电子计数器
42、基于比较测量法原理，其时间、频率的参考标准为内部晶体振荡器。晶体振荡器存在老化与漂移，因此，需要进行定期校准（微调）。校准方法为将晶体振荡器输出作为被测信号，用上一级更准确的频率标准为参考，进行测量称为“频率计量”。测量的主要内容为“频率稳定度”。1）频率稳定度频率准确度频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差。即：,1）频率稳定度,频率稳定度概念频率源的频率值由于受内外因素的影响，总是在不断地变化着，大体上可分为：(1)系统性的或确定性的变化（如老化）；(2)非确定性的或随机性的变化（频率随机起伏）。因此，频率准确度只能表示当前测量（取样时间）的准确度，它是时间t的函数。频率准
43、确度随时间的变化即为频率稳定度。它表征频率源维持其工作于恒定频率上的能力。长期、短期稳定度对频率稳定度的描述引入时间概念，即在一定时间间隔内的频率稳定度，则有长期稳定度与短期稳定度。长期年、月、日；短期秒级。,4.8.1 频率稳定度的表征,2）长期频率稳定度的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(增加或减少)。如下图。图中表示了实际频率随时间的变化，由图可得频率稳定度K：K表示了在t1t2时间内的相对频率漂移（即频率准确度的变化）。,4.8.1 频率稳定度的表征
44、,日老化率对石英振荡器，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”。（上图中的时间取为一天）日老化率的测量 显然，每天的“日老化率”会有所变化，实际中连续测一周或一个月。设每天测一个数据，共测n天，得f1,f2,fi,fn,利用最小二乘法拟合得到老化曲线:则其斜率(估计值)相对f0比值即为日老化率（下图a）。,4.8.1 频率稳定度的表征,由最小二乘法公式，可求得：式中，日波动晶体振荡器除老化漂移外，一天内还将产生频率的随机起伏，如图（b）所示。日波动综合表征了老化漂移和随机起伏。,日波动定义日波动是指频率源（经规定时间的预热以后）在24小时内最大相对频率变化。日波动的测
45、量根据检定规程，测量日波动时可每隔1小时测量一个数据(每次测量的取样时间T=10s),连续测24小时，共得25个数据，取出fmax和fmin，用下式计算。,4.8.1 频率稳定度的表征,4.8.1 频率稳定度的表征,3）短期频率稳定度的表征相对频率起伏根据频率准确度定义：式中fx由于噪声引起寄生调频、调相，fx应为时间t的函数，则频率准确度和频率稳定度均为时间t的函数。将频率源输出信号作为随机过程，用下式表示：式中，将幅度A0视为恒定（不考虑幅度起伏变化）；f0为标称频率；为瞬时相位（起伏变化）。则瞬时频率可表示为：相对频率起伏为：,4.8.1 频率稳定度的表征,时域与频域的表征（1）时域表征
46、：相对频率起伏 为随机变量，因此可用其取样方差来表示。标准偏差：由于 即，相对频率起伏的标准偏差等于f(t)的标准偏差。对f(t)作有限次（n次）测量，得到f1、f2、fn，用贝塞尔公式计算其估计值。平均值为：注意：各次测量值f1、f2、fn为取样时间（闸门时间）内的平均。的意义：f1、f2、fn围绕 的起伏变化。,4.8.1 频率稳定度的表征,阿仑方差：当存在闪烁相位噪声（低频噪声即1/f噪声）时，上述标准偏差将发散，为此，采用阿仑方差。阿仑方差定义为：式中，fi和fi为相邻（无间隙）两次测量值，并将其作为一组，共进行m组测量得到2m个数据。阿仑方差的意义：描述了相邻两次频率值的起伏变化。1/f噪声在相邻两次测量中无影响。秒级稳定度的阿仑方差检定规程：取样时间1s，组数100。,4.8.1 频率稳定度的表征,（2）频域表征阿仑方差的局限性：阿仑方差能较好地描述秒级频率稳定度。但对于更短时间（如10ms以内）的短期频率稳定度，由于测量上的困难就失去了意义。令：y(t)即为时域中的相对频率起伏随机变量。对y(t)作付氏变换，得到其谱函数Y(f)：在Y(f)基础上，即可得到y(t)的功率谱密度、自相关函数等，并由此得到方差（维纳-欣钦定理）。,
