时间与频率测量

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1、第4章时间与频率测量4.1概述4.2时间与频率标准4.3频率与时间的测量原理4.4高分辨时间与频率测量技术4.5微波频率测量技术4.6频率稳定度测量与频率比对4.7调制域测量技术作业简述GPS定位原理及其与时间/频率基准的关系。分析通用电子计数器各测量功能的实现。分析双游标法减小时间量化误差的原理。简述频率比对的常用方法。简述阿伦方差的物理意义及测量方法。简述相位噪声的物理意义及测量方法。教材思考与练习题：4-5、4-7、4-84.1概述时间:“时刻”、“时间间隔”频率: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

2、f＝N/T（1）时间/频率的基础性任何物理现象都在一定的时间和空间里呈现时间单位是7个基本国际单位之一m,kg,s,A,K,mol,cd（2）频率基准及频率测量精度极高铯原子频率基准准确度达10-15，未来光学频标准确度可望达10-18很多物理量测量转换为时间/频率测量长度单位：根据光在真空中一定时间内所经历的路径长度而定义电压标准：应用约瑟夫森效应将电压转换为频率基准进行测量双斜式ADC：基于V-T变换概述（3）时频测量技术应用广泛几乎所有的电子设备都离不开时钟最有代表性的应用领域：导航和通信全球卫星定位系统(美GPS、俄GLONASS、北斗)GPS:24颗卫星,任

3、何地方任何时候都可以至少看到4-11颗卫星。GPS定位原理：测距如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时刻信息确定，则可以通过在同一时刻tr同时接收3颗GPS星的发播信号，求解用户接收机的坐标位置。实际上,用户接收机与卫星时钟存在一定的时间差,需同时观测4颗卫星实现定位.4.2时间与频率标准1.天文时标世界时（UT,UniversalTime）:以地球自转为依据。1/(24×60×60)=1/86400天为1秒，10－7量级。平太阳时：自转不均匀性，以假想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（U

4、T1）：修正极移效应（自转轴微小位移）。第二类世界时（UT2）：修正季节性变化。准确度3×10－9。历书时（ET）：以地球绕太阳公转为依据。1/31556925.9747年为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1×10－9。1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。2.原子时标（1）原子时标（AT）的量子电子学基础原子(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（h=6.6252×10-27普朗克常数）常用于原子频标的原子：铯（Cs133）、铷（Rb87）、氢只有

5、一个价电子，电子和原子核的自旋要么平行要么反平行原子对应的能量只有两种，构成超精细结构能级铯、铷、氢在两个能级之间迁跃将吸收或释放能量，对应的迁跃频率分别为9.192GHz、6.834GHz、1.420GHz，都在微波段，应用方便。（2）原子时标的定义1967年10月，第13届国际计量大会。“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。天文实物标准原子自然标准，准确度提高4-5个量级，达10-15(相当于数百万年±1秒)。2.原子时标（3）原子频率标准（原子钟）原子时标的实物仪器，用

6、于时间、频率标准的发布和比对。铯原子钟:10-14~10-15被动型铯束管，准确度高，长稳高大铯钟,专用高稳基准；小铯钟,工作基准铷原子钟:10-11，短稳10-12被动型铷气泡、主动型铷激射器体积小、重量轻，工作基准氢原子钟:10-12，短稳10-14~10-15主动型氢激射器、被动型氢激射器笨重昂贵，一级标准？北斗原子钟3石英晶体振荡器最常用的工作基准晶振压电效应电场-压力（形变）主要影响因素温度：频率-温度特性曲线【拐点温度】零频率温度系数点温度，在此温度附近温度系数最小。晶体零温度系数点大多在室温附近。老化：长期稳定度。前期老化、后期老化。激励电平：频率相对变

7、化与激励电流的平方成正比由于噪声电平限制，激励电平也不能过小高精密晶振激励电流一般小于70uA核辐射及加速度影响：军事应用3石英晶体振荡器温补晶振（TCXO）：10-6-10-7恒温晶振（OCXO）：优于10-8三类晶振普通晶振：10-5测量方法分类不同的实现原理，不同的准确度和适用范围差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法4.3时间与频率测量原理4.3.1模拟测量原理1.直接法利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，分为谐振法和电桥法两种。（1）谐振法调节可变电容器C使回路发生