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 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10-13~10-14量级 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10-15~10-16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

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. (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

进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和± 1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。 图 多周期测量可减小转换误差 · VB A 2 V´B A´9 A9 A 10 Tx 10T´x ΔT1 T1x 无干扰 A´ 2 T2x ΔT2 T10x 10Tx A´10 有干扰

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Um／Un。

三、 中界频率 100MHz 图 测频量化误差与测周量化误差 1Hz 1KHz 1MHz 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 图 测频量化误差与测周量化误差 1Hz 1KHz 1MHz 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10S T=1S 0.1S fc=10MHz fc=1GHz fc=100MHz 测频的量化误差 测周的量化误差 f

三、 中界频率 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~。 因 故 令 则 式中， 为中界频率， 为标准频率，T为闸门时间。 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。

§3.4电子计数法测量时间间隔 1.基本原理 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 tφ φ · T 360º t 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50μs和5 μs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 输入电路A 分 频 门 控 主 门 倍 频 晶 振 k次 N …… fc T=k/fc T n次 一、 通用计数器的功能 1.自检 输入电路A 分 频 门 控 主 门 倍 频 晶 振 k次 N …… fc T=k/fc T n次 f0=1/T0 =nfc =f0 T0 NT0=T N=T/T0=k/fc×nfc =kn = × = 这里有无±1误差？

实际原理框图： 图 自检原理方框图 ×2 1ms ÷5 ÷10 ×10 晶振 5MHz 10ns 100ns 1μs 10μs 100μs 图 自检原理方框图 ×2 1ms ÷5 ÷10 ×10 晶振 5MHz 10ns 100ns 1μs 10μs 100μs 10ms 100ms 1s 10s 1 2 3 1S 闸门时间选择 时标信号选择 门控双稳 主门 计数、显示 N=100000000

频率比A／B是加于A、B两路的信号源的频率比值。 图 频率比测量原理方框图 B 1 2 3 TB 主门 计数、显示 门控双稳 放大、整形 A fA TA

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 图 累加计数原理框图 1 2 3 起始 主门 计数、显示 门控双稳 放大、整形 A 开门 时间 停止 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 溢出 累加计数 5G7226B 量程输入 控制输入 功能输入 复位输入 保持输入 输入A 输入B D1 D8 a~g 频率 比 自检 时间间隔 周期 100p 10K V+ K2 K1 22MΩ 10M 39p 100KΩ S2 S1 0.01S 0.1S 1S 10S 外振荡允许S3 选择S4 外加小数点S4 测量显示S7 消隐显示S6 dp 7

E312A型通用计数器的技术指标为： 测频范围：1Hz~10MHz 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：10s~0.4μs，倍乘×1，×10，×100，×103 标准频率：5MHz晶振，倍频后10MHz 准确度和稳定度：±5×10-8