频率与时间的测量

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1、2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院1第四章频率与时间的测量一、概述二、电子计数器测频方法三、电子计数器测周方法四、时间间隔测量五、通用电子计数器的结构与功能六、标准频率源的测量2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院2一、概述采用天文观测方法，将一天的时间分为24×60×60份作为秒；经过校正，其稳定度为3×10-8——世界时以1900年（回归年）的1556925.9747分之一作为秒的长度，其准确度可达±1×10-9——历书时引进微观计时标准，采用铯133（Cs133）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，其

2、准确度可达10-13——原子时频率或时间的原始基准2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院3频率和时间测量的特点时间是一个基本的参数，与其它电参量的测量方案、测量结果有密切的关系利用电子技术测量时间，具有很高的精确度，可达10-14测量过程高度自动化，测量迅速、使用方便频率是周期的倒数，频率测量与周期、时间的测量是相互关联和等效的电子计数器一般具有测量频率和测量周期等两种以上测量功能2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院4电子计数器的工作原理计数器控制信号被测信号基准信号遥控开关信号手控开关信号被测信号闸门时间信号计数信号f1主门N=f1×T2NT22021/

3、7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院5电子计数器的工作原理（续）组成计数信号（被测/标准）门控信号（标准/被测）主控门计数器信号整形电路显示电路功能计数（被测/不控）测频率（被测/标准）测周期（标准/被测）测频率比（被测1/被测2）测时间间隔、计时（标准/启停控制）计数/门控思考题：既然“测频”和“测周”都可以测量信号的频率，那么什么时候“测频”、什么时候“测周”呢？2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院6二、电子计数器测频方法数字频率计的结构与工作原理频率测量的误差分析频率比的测量2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院7时基信号单元石英振荡器1101

4、10110分频器脉冲放大1101101101101kHz闸门时间选择fcfc/k1ms10ms0.1s1s10s“1”TS1.数字频率计的结构与原理十进电子计数器fx闸门时间被测信号门控电路逻辑控制单元主门整形电路Nfx=N/Ts=Nfc/k=TSfx=(k/fc)fx1MHz2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院82.各组成部分的功能整形单元：将被测信号整形为可以计数的方波信号主门：构成门控信号的作用途径门控电路：形成控制基准信号十进制电子计数器：计数、显示逻辑控制单元：控制计数器的工作流程时基信号产生与变换单元：通过“闸门时间”选择开关选择适当的闸门时间信号，以适应不

5、同频率的测量与显示范围准备计数显示复零准备2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院93.频率测量的误差分析——随机误差触发误差输入信号经过放大、整形电路，转换为计数脉冲整形电路一般采用施密特触发电路当被测信号上叠加有噪声干扰信号时，会产生信号触发点不准的现象，由此产生的误差，称为触发误差（或转换误差）解决方案尽可能提高信噪比将信号适当衰减，使干扰噪声同时减小，降低对触发点的影响——自动增益控制（AGC）技术合理选择触发触发窗口，避开干扰脉冲（P173图5－14）——具体分析参见P162图5-6——具体分析参见P172图5-132021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程

6、学院103.频率测量的误差分析——系统误差频率测量的结果为：fx=N/Ts=Nfc/k测量误差为误差有两个来源：计数器的误差（±1误差）标准频率误差当不考虑标准频率的误差时，则测量误差仅由量化误差决定因为

7、ΔN

8、＝±1，所以测量的误差由N决定由于N=TSfx=(k/fc)fx，所以当fc和fx一定时，增大闸门时间TS（即增大时标k），可以减小测量误差量化误差N=TSfx=(k/fc)fx2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院11±1误差的产生示意图产生量化误差的原因：门控信号与被测信号不存在时序联系，脉冲出现的相对时刻具有一定的偶然性2021/7/4电子测量——北京交通大

9、学电气工程学院12闸门时间对测量误差的影响设被测信号的频率为100kHz，选取不同的闸门时间，可以得出下面的几种测量结果：结论：对于一个给定的被测信号，在计数器的计数范围内，闸门时间越大，量化误差造成的影响越小。2021/7/4电子测量——北京交通大学电气工程学院13标准频率源对测量误差的影响在不考虑量化误差时，测量准确度就等于标准频率源的准确度可以按照测量精度要求给频率源分配误差限额由于频率源的精度容易控制，因此一般情况下选取比测量精度高一个