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第五章频率和时间的测量技术.ppt

1、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10-1310-14量级

2、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10-1510-16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,(3) 计数显示电路:作用:计数被测周期信号重复的次

3、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

4、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,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。,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UmUn。,三、

5、中界频率,三、 中界频率,式中,,为中界频率,,为标准频率,T为闸门时间。,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。,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。,1.基本原理,3.4电子计数法测量时间间隔,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

6、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,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50s和5 s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、

7、通用计数器的功能,1.自检,实际原理框图:,2.频率比(AB)的测量,频率比AB是加于A、B两路的信号源的频率比值。,3.累加计数(计数A的测量),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,E312A型通用计数器的技术指标为:,测频范围:1Hz10MHz,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:10s0.4s,倍乘1,10,100,103,标准频率:5MHz晶振,倍频后10MHz,准确度和稳定度:510-8,

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