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1、2023/10/26,1,第五章 时间-频率测量,5.1 概述5.2 电子计数器测量频率5.3 电子计数器测量时间5.4 通用电子计数器5.5 电子计数器性能的改进5.6 标准频率源的测量5.7 调制域测量,2023/10/26,2,5.1概述,一、时间与频率关系二、时间频率基准三、时间频率测量的特点四、测量方法,2023/10/26,3,“周期”是指同一事件重复出现的时间，如T。,“频率”是单位时间（1秒）内周期性事 件重复的次数，单位是赫兹Hz。,一、时间与频率关系,电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器设石英晶体振荡器日频率稳定度为10-6,则日误差：,32768Hz（215Hz）,液
2、晶屏,分频,计数,译码,2151秒,601分601小时24日,电子表的组成原理,振荡,驱动,时间的单位是秒。随着科学技术的发展，“秒”的定义曾作过三次重大的修改：,1.世界时秒（UT）,基于天体运动确定的宏观计时标准，由天文观测得到，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（UT）。定义地球自转周期的 186400作为世界时的1s，零类世界时（UT0），其准确度在10-6量级。校正后的世界时称为第二类世界时（UT2），其准确度在310-8量级。,历书时秒作为时间单位提高到十亿分之一秒，即110-9量级。世界时秒是与年、月、日、时、分、秒相关联的，属年历计时。,二、时间频率基准,从宏观转向微观
3、，利用原子能级跃迁频率作为计时标准。1967年10月第13届国际计量大会正式通过了秒的定义：“秒”是Cs133原子基态的两个超精细结构能级F=4，mF=0和F=3，mF=0之间跃迁频率相应的射线束持续9192631770个周期的时间。,2.原子时秒（AT）,为原子时秒(记作AT)。并自1972年1月1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，其准确度可达510-14，远远高于其它物理量标准。,3.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，而世界时考虑了时刻（年月日时分秒）和时间
4、间隔。,协调世界时秒（UTC）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送的就是世界协调时UTC，其准确度优于210-11。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，参加了国际原子时（TAI）200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。,2023/10/26,8,三、时间-频率测量的特点,具有动态性质测量范围大测量精度高测量速度快易于实现测量自动化,2023/10/26,9,四、频率（时间）测量方法,频率测
5、量方法可以分为：,差频法,拍频法,示波法,电桥法,谐振法,比较法,直接法,李沙育图形法,测周期法,模拟法,频率测量方法,计数法,电子计数器法 110-8110-13量级,2023/10/26,10,1）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，又可细分为谐振法和电桥法。（1）谐振法：调节可变电容器C使回路发生谐振，此时回路电流达到最大，则:,2023/10/26,11,（2）电桥法 利用交流电桥平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量，通常采用如图所示的文氏电桥来进行测量。电桥达到复平衡时，则有,2）比较法,利用标准频率和被测量频率进行比较来测量频率。主要有拍频法、外差法、示波法等
6、。,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。,外差法：将标准频率与被测频率混频，经滤波取出差频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。,李沙育图形法：将被测频率和基准频率分别接到示波器Y轴和X轴，根据显示的李沙育图形得到被测信号频率。,2023/10/26,15,3)电子计数器法,按功能分为如下四类：（1）通用计数器：测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数、自检等。（2）频率计数器：功能一般限于测频和计数。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
7、。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。多用于工业测量和控制等。,2023/10/26,16,按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。按测量范围可分为：（1）低速计数器（2）中速计数器（3）高速计数器（4）微波计数器,2023/10/26,17,5.2 电子计数器测量频率,一、电子计数器测频原理二、误差分析,2023/10/26,18,根据频率定义，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：,一、电子计数器测频原理,2023/10/26,19,2023/10/26,20,1.闸门时间产生电路 由石英晶体产生高稳定度高准确度的标准时基信号，并将标准时基信号分频为若干档。2.
8、计数脉冲形成电路 将被测信号经脉冲形成及整形电路变换成为标准计数脉冲。3.计数显示电路 在选定的闸门时间内对计数脉冲个数进行十进制计数及显示。,2023/10/26,21,二、测频方式误差分析,因为 由误差传递公式，可得,2023/10/26,22,可见，误差主要由两部分组成：1.1误差2.时基频率误差,量化误差,T,(1),(2),黑门进8个脉冲,红门进7个脉冲,2023/10/26,23,测频总误差为：,1误差,时基频率误差,2023/10/26,24,测频误差与被测频率fx和闸门时间Ts关系,1.计数器直接测频方法产生的误差主要有两项，即1误差和标准频率误差,2.测量低频时，由1误差产生
9、的测频误差将很大。测量低频时不宜采用直接测频方法。,2023/10/26,25,5.3 电子计数器测量周期,一、电子计数器测周原理二、误差分析三、中界频率的确定,2023/10/26,26,一、电子计数器测周原理,测量周期电路主要由闸门时间产生电路、计数脉冲形成电路和计数显示电路等三部分电路组成。,2023/10/26,27,通用电子计数器测周原理框图,2023/10/26,28,1闸门时间产生电路将被测信号经放大及整形电路变换成为闸门时基信号。2计数脉冲形成电路将石英晶振信号经倍频及整形电路变换成为标准计数脉冲。3计数显示电路在选定闸门时间内对计数脉冲个数进行十进制计数及显示。,2023/1
10、0/26,29,二、测周方式误差分析,因为 由误差传递公式，可得,2023/10/26,30,可见，误差主要由两部分组成：1.1误差2.时基频率误差,2023/10/26,31,3.噪声引起的误差 测周方式时除上述两类误差外，由于噪声干扰的影响，使触发点提前，则由干扰产生的误差为,2023/10/26,32,转换误差的产生示意图,2023/10/26,33,噪声干扰引起的计数误差,2023/10/26,34,当采用过零触发时，即，有同理，A2触发点由干扰产生的误差为所以，总的干扰误差合成为,2023/10/26,35,则，测周方式时的总误差为利用多周期测量可以减少测量误差其中，为周期倍乘率。,
11、1计数误差,噪声干扰误差,时基频率误差,2023/10/26,36,多周期测量减少测量误差示意图,2023/10/26,37,可见，电子计数器测量周期方法主要存在三项误差：1计数误差、转换误差和标准频率误差，而通过提高信噪比或采用多周期测量等方法可以提高测周方式时的测量精度。,2023/10/26,38,测周时的误差曲线,2023/10/26,39,三、中界频率的确定,其中：中界频率：测频方式时的时基信号频率：测周方式时的时标信号频率,当测频误差和测周误差相等时，就确定了测频方式和测周方式的频率分界点，称为中界频率。,2023/10/26,40,图中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和
12、不同标准频率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以T=1s，,=100MHz为例，可查知,=10kHz。,2023/10/26,41,5.4 通用计数器,通用计数器系列产品很多，大多都有：测量频率、周期、多周期平均、时间间隔、自检、频率比、累加计数及计时等功能。,一、通用计数器的组成,时基部分,控制时序电路,计数显示部分,输入电路,2023/10/26,43,1）A、B输入通道,作用：它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发（包括触发电平调节）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,2023/10/26,44,2）主门电路,作
13、用：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：可以由“与门”或“或门”构成。,2023/10/26,45,3）计数与显示电路,功能：计数电路对通过主门的脉冲进行十进制计数，并通过显示器将测量结果直观地显示出来。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。工作速度：如74LS（74HC）系列为30-40MHz；74S系列为100MHz；CMOS电路约5MHz；ECL电路可达600MHz。,2023/10/26,46,4）时
14、基产生电路,功能：产生测量频率的“门控”信号;产生测量时间的“时标”信号。实现：由晶体振荡器，通过倍频或分频，再通过门控双稳态触发器得到“门控”或“时标”信号。常用“闸门时间”：1ms、10ms、100ms、1s、10s 常用“时标”：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms,2023/10/26,47,5）控制时序电路,功能：产生需要的各种控制信号，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。,2023/10/26,48,二、通用计数器其它功能1 测量频率比,2023/10/26,49,注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输
15、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。,2023/10/26,50,2 测量时间间隔,欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B、C通道输入。,2023/10/26,51,2023/10/26,52,脉冲参数测量,tr,0.1,0.9,脉冲上升时间测量模式,2023/10/26,53,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
16、择相同的触发极性和触发电平。测相位要求两信号：同频 同幅,相位差的测量,2023/10/26,54,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：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。,3 自检（自校）方式,2023/10/26,55,2023/10/26,56,4 累加计数与计时,电子计数器累加计数模式框图,2023/10/26,57,一、多周期同步测量技术二、提高测时分辨率的方法,5.5 通用计数器
17、性能的改进,2023/10/26,58,一、多周期同步测量技术,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，应使闸门时间等于被测信号整周期数。,2023/10/26,59,2023/10/26,60,倒数计数器 倒数计数器可以在计数器的整个测频范围内基本上获得同样高的测试精度和分辨率。,fx,二、提高测时分辨率的方法,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)。则准确的
18、Tx为：Tx=T0+T1-T2,为实现T1-T2的测量，有模拟和数字两种方法。,2023/10/26,62,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）。内插法的基本思路是：对T1和T2作时间扩展后再测量。若T1、T2均扩展k倍，采用同一个时标，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。,由图可知，被测时间间隔,为,2023/10/26,64,例如，扩展器控制的开门时间为T1的1000倍，即：T11000T1
19、，T21000T2内插后测量分辨力提高了1000倍。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。,2023/10/26,65,数字内插法-游标法,游标法的原理 游标法实现的原理和游标卡尺的测量原理相似，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。,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：,2023/10/26,67,同样，在关门时(主时钟计数停止)启动游标脉冲2开始计
20、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：,2023/10/26,68,三、微波计数器,通用电子计数器受内部计数器等电路的工作速度的限制，对输入信号直接计数时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，再由计数器进行计数。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的微波频率信号变换成可直接计数的中频信号。,2023/10/26,69,1）变频法,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。,2023/10/26
21、,70,自动变频式微波计数器原理框图,2）置换法,利用一个频率较低的压控（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）。当环路锁定时，有：,2023/10/26,72,全自动置换法微波计数器原理框图,2023/10/26,73,5.6 标准频率源的测量,一、频率稳定度的定义二、长期频率稳定度三、短期频率稳定度,2023/10/26,74,一、频率稳定度的定义,电子计数器是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。而晶体振荡器存在老化与漂移，因此，需要进行定期校准。校准方法：将晶体振荡器输出作为被测信号，用上
22、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”。,2023/10/26,75,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：,2023/10/26,76,频率稳定度 频率源的输出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)系统性或确定性的变化（如老化等因素）(2)非确定性的或随机性的变化（如噪声等随机因素）因此，频率准确度只能表示当前测量（取样时间）时的准确度，它是时间t的函数。频率准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。,2023/10/26,77,长期、短期稳定度 对
23、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之分。长期：年、月、日 短期：秒级,2023/10/26,78,二、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t1-t2时间内的相对频率漂移（即频率准确度的变化）。,2023/10/26,79,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
24、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。,由最小二乘法公式，得：式中，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，日波动综合 表征了老化漂移和 随机起伏。,2023/10/26,81,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。日波动测量 根据检定规程，测量日波动时可每隔1小时测量一个数据，连续测24小时，共得25个数据，取出fmax和fmin，
25、用下式计算。,2023/10/26,82,三、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：,2023/10/26,83,阿仑方差定义,式中，fi和fi为两次相邻测量在采样时间内的平均值，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
26、的阿仑方差检定规程：取样时间1s，组数100。,2023/10/26,84,测量方案 阿仑方差的测量，需要进行相邻两次连续取样。可用两台计数器交替工作实现。测量方案如图。,2023/10/26,85,其波形如下图所示：,2023/10/26,86,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。,2023/10/26,87,5.7 调制域测量,时域与频域分析的局限性一个实际信号可以分别从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不
27、能把握各频谱分量在何时出现。调制域概念在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析即调制域分析。调制域指由频率轴(f)和时间轴(t)共同构成的平面域。,2023/10/26,88,调制域为人们观测信号提供了一个新的窗口,一些在时域和频域无法观察到的现象,例如，锁相环路中压控振荡器中(VCO)的频率阶跃响应。,一、调制域分析的关键技术,调制域分析主要是研究频率随时间变化情况,因此其关键的技术是要实现动态连续地测量频率。而通用电子计数器：,调制域分析主要是研究频率随时间变化情况,因此其关键的技术是要实现动态连续地测量频
28、率。而通用电子计数器：,调制域分析主要是研究频率随时间变化情况,因此其关键的技术是要实现动态连续地测量频率。而通用电子计数器：,2023/10/26,90,“Zero Dead Time Counter”(无死区时间计数器，简称ZDT计数器),2023/10/26,92,二、调制域分析的应用,调制域分析仪的主要测量对象为：频率；周期；时间间隔（正负时间间隔、连续时间间隔）；实时运算的时间间隔直方图；相位偏移（单通道）和A相对B的相位；时间偏差（抖动）；专门测量（包括脉冲宽度、占空比和上升下降时间等）等，可直接通过各种不同的测量获取结果。,调制域分析仪的主要分析功能有：频率、相位、时间间隔相对于时间轴的变化显示；单次或多次平均；任何测量结果的直方图显示；测量结果数值显示；调制分析（峰峰偏移、中心频率、调制速率）；抖动频谱分析；各种参数统计（平均、最大、最小、方差、均方差、有效值、概率）；阿仑方差计算等。,2023/10/26,93,1.直接观测频率变化（调频信号在调制域分析仪上的显示）,2.信号抖动测试（例：时钟脉冲抖动则会左右偏移）,3.对抖动的频谱分析,2023/10/26,96,4.跳频通信对抗中的应用,通信对抗中，跳频通信具有较强的抗检测、抗干扰能力，是现代军事通信的重要制式。,2023/10/26,97,谢 谢,
