电子测量技术基础(张永瑞)(第2版)第05章

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1、第5章　频率时间测量5.1概述5.2电子计数法测量频率5.3电子计数法测量周期5.4电子计数法测量时间间隔5.5典型通用电子计数器E-3125.6测量频率的其他方法小结习题55.1概　　述5.1.1时间、频率的基本概念1.时间的定义与标准时间是国际单位制中七个基本物理量之一，它的基本单位是秒，用s表示。“时间”在一般概念中有两种含义：一是指“时刻”。二是指“间隔”，即两个时刻之间的间隔。“时刻”与“间隔”二者的测量方法是不同的。人们早期把地球自转一周所需要的时间定为一天，把它的1/86400

2、定为1秒。地球自转速度受季节等因素的影响，要经常进行修正。地球的公转周期相当稳定，在1956年正式定义1899年12月31日12时起始的回归年(太阳连续两次“经过”春分点所经历的时间)长度的1/31556925.9747为1秒。由于回归年不受地球自转速度的影响，因此秒的定义更加确切。但观测比较困难，不能立即得到，不便于作为测量过程的参照标准。近几十年来，出现了以原子秒为基础的时间标准，称为原子时标，简称为原子钟。在1967年第十三届国际计量大会上通过的秒的定义为：“秒是铯133原子(Cs133)基

3、态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间。”现在各国标准时号发播台所发送的是协调世界时标(UTC)，其准确度优于±2×10-11。需要说明的是，时间标准并不像米尺或砝码那样的标准，因为“时间”具有流逝性。2.频率的定义与标准周期现象周期过程重复出现一次所需要的时间称为它的周期，记为T。在数学中，把这类具有周期性的现象概括为一种函数关系来描述，即F(t)=F(t+mT)(5.1-1)式中，m为整实数，即m=0,±1,…;t为描述周期过程的时间变量；T为周期过程

4、的周期。频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，记为f。(5.1-2)频率的单位就是1/秒，即赫兹(Hz)。对于简谐振动、电磁振荡这类周期现象，可用更加明确的三角函数关系描述。设函数为电压函数，则可写为u(t)=Umsin(ωt+j)(5.1-3)式中，Um为电压的振幅；ω为角频率,ω=2πf；j为初相位整个电磁频谱有各种各样的划分方式。在微波技术中，通常按波长划分为米、分米、厘米、毫米、亚毫米波。在无线电广播中，则划分为长、中、短三个波段。在电视中，把48.5~223MHz按每频道占

5、据8MHz范围带宽划分为1~12频道。在电子测量技术中，常以100kHz为界，以下称低频测量，以上称高频测量。常用的频率标准为晶体振荡石英钟，它使用在一般的电子设备与系统中，石英振荡器结构简单，制造、维护、使用都较方便，可以达到10-10的频率稳定度。近代最准确的频率标准是原子频率标准，简称为原子频标。原子频标有许多种，其中铯束原子频标的稳定性、制造重复性较好，因而高标准的频率标准源大多采用铯束原子频标。原子频标的原理是：原子处于一定的量子能级，当它从一个能级跃迁到另一个能级时，将辐射或吸收一定

6、频率的电磁波。铯-133原子两个能级之间的跃迁频率为9192.631770MHz，利用铯原子源射出的原子束在磁间隙中获得偏转，在谐振腔中激励起微波交变磁场，当其频率等于跃迁频率时，原子束穿过间隙，向检测器汇集，从而就获得了铯束原子频标。原子频标的准确度可达10-13，它广泛应用于航天飞行器的导航、监测、控制的频标源。明确：时间标准和频率标准具有同一性，可由时间标准导出频率标准，也可由频率标准导出时间标准。一般情况下不再区分时间和频率标准，而统称为时频标准。“北京时间”即我国铯原子时频标准。3.标准

7、时频的传递通常时频标准采用下述两类方法提供给用户使用：一、本地比较法。通过中间测试设备与标准源进行比对。外界干扰可减至最小，标准的性能得以最充分利用。缺点是作用距离有限，远距离用户要将自己的装置搬来搬去。二、发送-接收标准电磁波法。这里所说的标准电磁波是指其时间频率受标准源控制的电磁波，或含有标准时频信息的电磁波。拥有标准源的地方通过发射设备将上述标准电磁波发送出去，用户用相应的接收设备将标准电磁波接收下来，便可得到标准时频信号，并与自己的装置进行比对测量。现在，从甚长波到微波的无线电的各频段都

8、有标准电磁波广播。用标准电磁波传送标准时频是时频量值传递与其他物理量传递方法显著不同的地方，它极大地扩大了时频精确测量的范围，大大提高了远距离时频的精确测量水平。与其他物理量的测量相比，频率(时间)的测量具有下述几个特点：(1)测量精度高。在人们能进行测量的成千上万个物理量中，频率(时间)测量所能达到的分辨率和准确度是最高的。(2)测量范围广。从百分之一赫兹甚至更低频率开始，一直到1012Hz以上，都可以做到高精度的测量。(3)频率信息的传输和处理(如倍频、分频和混频等)都比较