电子测量技术（西电版）第3章频率时间测量

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1、第3章　频率时间测量3.1概述3.2电子计数法测量频率3.3电子计数法测量周期3.4电子计数法测量时间间隔3.5减小计数器±1误差的方法3.6模拟法测频思考与练习随着电子、通信技术的发展与普及，“频率”已成为广大群众所熟悉的物理量。调节收音机上的频率刻度盘可选听你所喜欢的电台节目；调节电视机上的频道按键，可选择相应频率的电视台节目，这些已成为人们的生活常识。人们的日常生活、工作中更离不开计时。学校何时上、下课？工厂几时上、下班？火车几点到站？班机何时起飞？出差的亲人几日能归来？等等这些问题都涉及到计时。频率、时间的应用，在当代高科技中

2、显得尤为重要，频率与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。例如，邮电通讯，大地测量，地震预报，以及人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位和控制等都与频率、时间密切相关，只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求高得多罢了。本章先介绍频率、时间的基本概念、测量方法，然后重点讨论频率、时间测量的数字方法，最后概要介绍频率、时间测量的模拟方法。3.1概述3.1.1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。在年历计时中嫌秒的单位太小，常用日、星期、月、年表示时间长

3、短；在电子测量中有时又嫌秒的单位太大，常用毫秒(ms，10-3s)、微秒(μs，10-6s)、纳秒(ns，10-9s)皮秒(ps，10-12s)表示时间长短。“时间”图3-1时刻、时间间隔示意图在一般概念中有两种含义：一指“时刻”，表示某事件或现象何时发生。例如图-1中的脉冲信号在t1时刻开始出现，在t2时刻消失；二是指“间隔”，即两个时刻之间的间隔，表示某现象或事件持续多久。例如图3-1中的Δt，Δt＝t2-t1表示t1、t2这两个时刻之间的间隔，即矩形脉冲持续的时间长度。“时刻”与“间隔”二者的测量方法是不同的。早期，人们把地球自转一

4、周所需要的时间定为一天，把它的1/86400定为1s。但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，使秒定义更加确切。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构成的时间标准，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定义为：“秒是铯133原子(Cs133

5、)基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。”现在各国标准时间发播台所发送的是协调世界时标(UTC)，其准确度优于±2×10-11。我国陕西天文台是规模较大的现代化授时中心，它有发播时间与频率的专用电台，台内有铯原子钟作为我国原子时间标准。它能够保持三万年以上才有正负一秒的偏差。中央人民广播电台的北京报时声，就是由陕西天文台授时给北京天文台，再通过中央人民广播电台播发的。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。换言之，时间总是在改变，不可能让其停留或保持住。用标准尺

6、校准普通尺子时，你可以把它们靠在一起做任意多次的测量，从而得到较高的测量准确度。但在测量“时刻”时却不能这样，当你延长测量时间时，所要测量的“时刻”已经流逝成为“过去”了。对于时间间隔的测量也是如此。所以说，时间标准具有不同于其他物理量标准的特性，这在测量方法和误差处理中表现得尤为明显。2.频率的定义与标准生活中的“周期”现象人们早已熟悉。如地球自转的日出日落现象是确定的周期现象；重力摆或平衡摆轮的摆动、电子学中的电磁振荡也都是确定的周期现象。自然界中类似上述的周而复始重复出现的事物或事件还可以举出很多，这里不再一一列举。周期过程重复

7、出现一次所需要的时间称为它的周期，通常用T来表示。在数学中，把这类具有周期性的现象概括为一种函数关系描述，即F(t)=F(t+mT)(3-1)式中，m为整实数，即m=0，±1，±2，…，±n；t为描述周期过程的时间变量；T为周期过程的周期。频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，通常用f来表示。联系周期与频率的定义，不难看出f与T之间有下述重要关系，即(3-2)若周期T的单位是秒，那么由式(3-2)可知频率的单位是1/秒，即赫兹(Hz)。对于电谐振动、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

8、函数，则可写为u(t)=Umsin(ωt+φ)(3-3)式中，Um为电压的振幅；ω为角频率，ω＝2πf；φ为初相位。整个电磁频谱有各种各样的划分方式，表3-1给出了国际无线电咨询委员会规定