电子测量第4章时间与频率测量

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（UT1）：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、铷、氢只有一个价电子，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使回路发生谐振，此时回路电流达到最大(高频电压表指示)。可测量1500MHz以下的频率，准确度±(0.25～1)%。(2）电桥法利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量,文氏电桥，调节R1、R2使电桥达到平衡。R1=R2=R,C1=C2=C受元件精度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为±(0.5～1)%。2.模拟测量——比较法基本原理：利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率。有拍频法、外差法、示波法等。拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频测量（很少用）。【差拍】干涉波被接收输出后的听觉反映,当δf>20hz时,呈现为连续的差频叫声,所以被称为差拍。两个不同频率的声音相互作用而形成的周期性变化，幅值按两个频率之差周期性地增减，出现声音音量幅度调制、上下起伏。外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达几十MHz（外差式频率计）。示波法：李沙育图形法：将fx和fs分别接到示波器Y轴和X轴（X-Y图示方式），当fx＝fs时显示为斜线（椭圆或园）。测周期法：根据显示波形由X通道扫描速率得到周期。4.3.2数字测量原理门控计数法频率测量：确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(N)，根据fx=N/T得到频率值。时间间隔测量：将被测时间按尽可能小的时间单位（时标）进行量化，累计被测时间内所包含的时间单位数。“闸门”控制：将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“门控”信号控制。测频时，闸门时间即为采样时间。测时时，闸门开启时间即为被测时间。1频率测量十进制计数器，闸门时间设定为10的幂次方，直接显示计数结果，移动小数点和单位的配合，得到被测频率。测量速度与分辨力：闸门时间Ts为频率测量的采样时间，Ts愈大，测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨力愈高。2.频率比的测量3.周期的测量:“时标计数法”,在Tx内计数器对时标计数。频率高者A通道频率低者B通道B通道扩展时间间隔的两个时刻点由两个事件确定。如同一波形上两个不同点脉冲信号参数；手动触发定时、累加计数。两个事件触发得到起始信号和终止信号，经过门控双稳态电路得到“门控信号”，采用“时标计数”触发极性选择和触发电平调节：灵活完成各种时间间隔的测量。如各种脉冲参数测量、相位差测量。4.时间间隔的测量4.3.3数字时间与频率测量的误差1误差来源（1）量化误差量化误差：截断误差，±1误差产生原因：闸门与被测信号不同步,时间零头（2）触发误差输入信号脉冲信号，“转换误差”（3）标准频率误差时基准确度和测量时间之内的短期稳定度直接影响测量结果。 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 标准频率误差小于测量误差的一个数量级。外部基准源。2频率测量的误差分析（1）误差表达式fx=N/Ts=Nfs（2）量化误差（3）触发误差尖峰脉冲的干扰:引起触发点的改变，对计数影响不大。高频叠加干扰:产生错误计数。措施:增大触发窗或减小信号幅度;输入滤波。3周期测量的误差分析（1)误差表达式(2)中界频率测频时，fx愈低，量化误差愈大；测周时，fx愈高，量化误差愈大。在测频与测周之间，存在一个中界频率fm，当fx>fm时，应采用测频；当fx 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算其估计值。实际fi是平均值（P175）广义阿仑方差当存在闪烁相位噪声（1/f低频噪声）时，上述标准偏差将发散。将上述N次测量重复多次（m组），可以证明：m个标准偏差的平均值的极限存在。【闪变噪声】一种在低频（<1kHz）下具有很大影响的噪声，来源可能是半导体内部或表面的各种杂质、缺陷等所造成的一些不稳定性因素，引起的噪声电流均方值与交流信号频率之间近似有反比关系，常常称这种噪声为1/f噪声。短稳的时域表征fi’和fi为相邻（无间隙）两次测量值，并将其作为一组，共进行m组测量得到2m个数据。阿仑方差描述相邻两次频率值的起伏变化。1/f噪声在相邻两次测量中无影响。秒级稳定度的阿仑方差检定规程：取样时间1s，组数100。阿伦方差N=2,T=时，为阿仑方差2、阿仑方差的测量需要进行相邻两次连续取样。可用两台计数器交替工作实现。K1、K2接a，信号由A通道输入，测频方式。第一个闸门时间计数器1工作，测得f1’；第二个闸门时间计数器2工作，测得f1。往复。开关K1、K2接b，计数器即工作在测周方式，信号由B通道输入。3、短稳的频域表征—相位噪声阿仑方差的局限性：较好地描述秒级频率稳定度。但对于更短时间（如10ms以内）的短期频率稳定度，由于测量上困难而失去意义。由噪声引起的相位起伏，等效于一个噪声源的相位调制（相位噪声）。频谱不纯，在频域内用各种谱密度表征短稳，对频率不稳定度的根源——噪声的直接描述（本质的描述）。相位起伏的谱密度检相器检波后，输出信号的功率谱密度频率起伏的谱密度相对频率起伏的谱密度单边带（SSB）相位噪声偏离载频为f处，每Hz带宽的单边带功率与载波功率之比SSB是表征短稳最常用的方法。是对频率源输出信号纯度或信噪比的直接描述。短稳的频域表征—相位噪声4、相位噪声的测量—零拍法将被测信号与同标称频率的标准信号一起加到鉴相器中鉴相。鉴相器是由双平衡混频器组成的低噪声鉴相器，它只响应于相位变化而与输入信号幅度无关。鉴相器的输出的噪声电压经过放大、低通滤波以后，用波形分析仪或频谱分析仪来分析此噪声的频谱，选出不同频偏上的相位噪声，通过计算就可以得到单边带相位噪声谱密度：频率比对：在两个具有相同的频率标称值，或者两个频率标称值具有一定的比例关系的频标信号之间的高精度频率测量。差频周期法频差倍增法相位比较法时差法与双混频时差法4.6.3频率比对频率比对时差法与双混频时差法信号间的时差被倍增了f04.7调制域测量技术1.调制域测量的概念时域与频域分析的局限性一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时出现。调制域分析在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。调制域即指由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域。调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。2瞬时频率测量原理◆瞬时频率的概念信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。f(t)也代表了时间t时的瞬时频率。◆平均频率实际上，由于测量上的困难，瞬时频率只是一种理论上的概念。因为所有测量都需要一定的采样时间（闸门时间），测量结果则为该采样时间内的平均频率。◆用平均频率逼近瞬时频率在时间轴上以某个时刻t0为起始点，连续地对被测信号进行采样，则各采样计数值Mi与相应时间点ti相对应。则可得到采样时间内的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值。3无间隙计数器的实现◆无间隙计数器通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用无间隙计数器 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。◆实现原理使用两组计数器交替工作，每一组都包括时间计数器（对时标T0）和事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计数器进行数据的显示等工作。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。