第2章频率时间测量优秀PPT.ppt
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1、第第2章频率时间测量章频率时间测量现在学习的是第1页,共72页第第2 2章章 频率时间测量频率时间测量2.1 2.1 概概 述述2.2 2.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率2.3 2.3 电子计数法测量周期电子计数法测量周期2.4 2.4 电子计数法测量时间间隔电子计数法测量时间间隔2.5 2.5 其他测量频率的方法其他测量频率的方法现在学习的是第2页,共72页2.1 2.1 概概 述述 一、时间、频率的基本概念一、时间、频率的基本概念1 1时间的定义与标准时间的定义与标准 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,用是秒
2、,用s s表示。常用毫秒表示。常用毫秒(ms(ms,1010-3-3 s)s)、微秒微秒(s(s,1010-6-6 s)s)、纳秒、纳秒(nS(nS,l0l0-9-9 s)s)、皮秒、皮秒(ps(ps,l0l0-12-12 s)s)。“时间时间”,在一般概念中有两种含义:一是指,在一般概念中有两种含义:一是指“时刻时刻”,回答,回答某事件或现象何时发生的。二是指某事件或现象何时发生的。二是指“间隔间隔”,即两个时刻之,即两个时刻之间的间隔,回答某现象或事件持续多久。间的间隔,回答某现象或事件持续多久。现在学习的是第3页,共72页图图2 21 1 时刻、时间间隔示意图时刻、时间间隔示意图表示表示
3、t t1 1、t t2 2这两时刻之间的间隔,即矩形脉冲持续的时间这两时刻之间的间隔,即矩形脉冲持续的时间长度。须知长度。须知“时刻时刻”与与“间隔间隔”二者的测量方法是不同的。二者的测量方法是不同的。现在学习的是第4页,共72页2 2频率的定义与标准频率的定义与标准 周期过程重复出现周期过程重复出现 一次所需要的时间称为它的周期,一次所需要的时间称为它的周期,记为记为T T。在数学中,把这类具有周期性的现象概括为一在数学中,把这类具有周期性的现象概括为一种函数关系描述,即种函数关系描述,即频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数,记为次数,
4、记为f f。联系周期与频率的定义,不难看出联系周期与频率的定义,不难看出f f与与T T之间有下述重要关系,即之间有下述重要关系,即 周期周期T T的单位是秒,的单位是秒,频率的单位就是频率的单位就是1 1秒,即赫兹秒,即赫兹(Hz)(Hz)。现在学习的是第5页,共72页 对于简谐振动、电磁振荡这类周期现象,可用更加对于简谐振动、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,则可写明确的三角函数关系描述。设函数为电压函数,则可写为为 式中,式中,U Um m为电压的振幅。为电压的振幅。为角频率,为角频率,为初相位。为初相位。现在学习的是第6页,共72页 3 3标准时频
5、的传递标准时频的传递 本地比较法:就是用户把自己要校准的装置搬到本地比较法:就是用户把自己要校准的装置搬到拥有标准源的地方,或者由有标准源的主控室通拥有标准源的地方,或者由有标准源的主控室通过电缆把标准信号送到需要的地方,然后通过中过电缆把标准信号送到需要的地方,然后通过中间测试设备进行比对。使用这类方法时,由于环间测试设备进行比对。使用这类方法时,由于环境条件可控制得很好,外界干扰可减至最小,标境条件可控制得很好,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,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,会带来许远距离用户要将自己的装置搬来
6、搬去,会带来许多问题和,麻烦。多问题和,麻烦。现在学习的是第7页,共72页 发送发送接收标准电磁波法:标准电磁波,是指其时间频率受接收标准电磁波法: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
7、无线屯的各频段都有标准电磁波广播。如甚长波中到微波的无线屯的各频段都有标准电磁波广播。如甚长波中有美国海军导航台的有美国海军导航台的NWCNWC信号信号(22.3kHz)(22.3kHz),我国的,我国的BPMBPM信号信号(5.1.0(5.1.0,15MHz)15MHz)等。等。用标准电磁波传送标准时频,是时频量值传递与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。确测量水平。现在学习的是第8页,共72
8、页 二、频率测量方法二、频率测量方法现在学习的是第9页,共72页2.2 2.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率一、电子计数法测频原理一、电子计数法测频原理 若某一信号在若某一信号在T T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N N次,则根据频率次,则根据频率的定义,可知该信号的频率的定义,可知该信号的频率f fx x为为计数式频率计主要由下列三部分组成:计数式频率计主要由下列三部分组成:现在学习的是第10页,共72页现在学习的是第11页,共72页(1)(1)时间基准时间基准T T产生电路。这部分的作用就是提供准确的计数产生电路。这部分的作用就是提供准确的计数时间时间T T。(2)(2)计数
9、脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周计数脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。期信号转换为可计数的窄脉冲。(3)(3)计数显示电路。这部分电路的作用,就是计数被测周计数显示电路。这部分电路的作用,就是计数被测周期信号重复的次数,显示被测信号的频率。期信号重复的次数,显示被测信号的频率。现在学习的是第12页,共72页 二、误差分析计算二、误差分析计算 在测量中,误差分析计算是不可少的。理论上讲,在测量中,误差分析计算是不可少的。理论上讲,不管对什么物理量的测量,不管采用什么样的测量方法,不管对什么物理量的测量,不管采用什么样的测量方法,只要进行测量,就有误差
10、存在。误差分析的目的就是要只要进行测量,就有误差存在。误差分析的目的就是要找出引起测量误差的主要原因,从而有针对性地采取有找出引起测量误差的主要原因,从而有针对性地采取有效措施,减小测量误差,提高测量的精确度。效措施,减小测量误差,提高测量的精确度。下面分析电子计数测频的测量误差。下面分析电子计数测频的测量误差。现在学习的是第13页,共72页由由 ,得,得 从上式看出:电子计数测量频率方法引起的频率测量从上式看出:电子计数测量频率方法引起的频率测量相对误差,由计数器累计脉冲数相对误差和标准时间相相对误差,由计数器累计脉冲数相对误差和标准时间相对误差两部分组成。对误差两部分组成。1 1量化误差量
11、化误差11误差误差 在测频时,主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关在测频时,主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的,即是说它们在时间轴上的相对位置是随系是不相关的,即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样,既便在相同的主门开启时间机的。这样,既便在相同的主门开启时间T T(先假定标准先假定标准时间相对误时间相对误 差为零差为零)内,计数器所计得的数却不一定相同,内,计数器所计得的数却不一定相同,这便是量化误差这便是量化误差(又称脉冲计数误差又称脉冲计数误差)即即11误差产生的原误差产生的原因。因。现在学习的是第14页,共72页 T T为计数器的主门开启时间,为计数器的主门开启时间
12、,T Tx x为被测信号周期,为被测信号周期,t t1 1为主门为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设计数脉冲前沿使假设计数脉冲前沿使计数器翻转计数计数器翻转计数),t t2 2为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为前沿的时间。设计数值为N N(处在处在T T区间之内窄脉冲个数,图区间之内窄脉冲个数,图中中N N6)6),由图可见,由图可见,现在学习的是第15页,共72页 脉冲计数最大绝对误差即脉冲计数最大绝对误差即11误差:误差:故脉冲计数最大相对误差为:故脉冲计数最大相对误差为:现在学习的是第16页,共7
13、2页 2 2闸门时间误差闸门时间误差(标准时间误差标准时间误差)闸门时间不准,造成主门启闭时间或长或短,显闸门时间不准,造成主门启闭时间或长或短,显然要产生测频误差。闸门信号然要产生测频误差。闸门信号T T是由晶振信号分频而得。是由晶振信号分频而得。设晶振频率为设晶振频率为f fc c。(周期为周期为T Tc c),分频系数为,分频系数为m m,所以有,所以有 对上式微分,得对上式微分,得现在学习的是第17页,共72页 考虑相对误差定义中使用的是增量符号,所考虑相对误差定义中使用的是增量符号,所以改写为以改写为 上式表明:闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率上式表明:闸门时间相对误差在数值上等
14、于晶振频率的相对误差。的相对误差。现在学习的是第18页,共72页 f fc c有可能大于零,也有可能小于零。若按最坏情况考有可能大于零,也有可能小于零。若按最坏情况考虑,测量频率的最大相对误差应写为虑,测量频率的最大相对误差应写为现在学习的是第19页,共72页 三、测量频率范围的扩大三、测量频率范围的扩大现在学习的是第20页,共72页 图为外差法扩频测量的原理框图。设计数器直接图为外差法扩频测量的原理框图。设计数器直接计数的频率为计数的频率为f fA A。被测频率为。被测频率为f fx x ,f fx x高于高于f fA A 。本地振。本地振荡频率为荡频率为f fL L ,f fL L为标准频
15、率为标准频率f fc c 经经m m次倍频的频率。次倍频的频率。f fx x与与f fx x两者混频以后的差频为两者混频以后的差频为 用计数器频率计测得用计数器频率计测得f fA A ,再加上,再加上f fL L即即m m f fc c ,便得被,便得被测频率测频率现在学习的是第21页,共72页2.3 2.3 电子计数法测量周期电子计数法测量周期 现在学习的是第22页,共72页 一、电子计数法测量周期的原理一、电子计数法测量周期的原理 它是将晶振标准频率信号和输入被测信号的位置对调它是将晶振标准频率信号和输入被测信号的位置对调而构成的。当输入信号为正弦波时,图中各点波形如下图而构成的。当输入信
16、号为正弦波时,图中各点波形如下图所示。可以看出,被测信号经放大整形后,形成控制闸门所示。可以看出,被测信号经放大整形后,形成控制闸门脉冲信号,其宽度等于被测信号的周期脉冲信号,其宽度等于被测信号的周期T Tx x。晶体振荡器的。晶体振荡器的输出或经倍频后得到频率为输出或经倍频后得到频率为f fc c的标准信号,其周期为的标准信号,其周期为T Tc c ,加于主门输入端,在闸门时间,加于主门输入端,在闸门时间T Tx x内,标准频率脉冲信号内,标准频率脉冲信号通过闸门形成计数脉冲,送至计数器计数,经译码显示通过闸门形成计数脉冲,送至计数器计数,经译码显示计数值计数值N N。现在学习的是第23页,
17、共72页现在学习的是第24页,共72页 由上图所示的波形图可得由上图所示的波形图可得 当当T Tc c为一定时,计数结果可直接表示为为一定时,计数结果可直接表示为T Tx x 值。值。现在学习的是第25页,共72页 二、电子计数器测量周期的误差分析二、电子计数器测量周期的误差分析 对上式微分,得对上式微分,得 上式两端同除上式两端同除NTNTc c 即即T Tx x,得,得即即现在学习的是第26页,共72页用增量符号代上式中微分符号,得用增量符号代上式中微分符号,得因因 ,T Tc c上升时,上升时,f fc c下降,所以有下降,所以有N N为计数误差,在极限情况下,量化误为计数误差,在极限情
18、况下,量化误差差 所以所以现在学习的是第27页,共72页 由于晶振频率误差由于晶振频率误差 ,其符号可能正,可能,其符号可能正,可能为负,考虑最坏情况,因此在计算周期误差时,取绝对值相为负,考虑最坏情况,因此在计算周期误差时,取绝对值相加,所以改写为:加,所以改写为:现在学习的是第28页,共72页 例如,某计数式频率计计例如,某计数式频率计计 ,在测量周,在测量周期时,取期时,取 ,则当被测信号周期,则当被测信号周期 时时 其测量精确度很高,接近晶振频率准确度。当其测量精确度很高,接近晶振频率准确度。当 时,测量误差为时,测量误差为 计数器测量周期时,其测量误差主要决定于量化误差,计数器测量周
19、期时,其测量误差主要决定于量化误差,被测周期越大被测周期越大(f fx x越小越小)时误差越小,被测周期越小时误差越小,被测周期越小(f fx x大大)时时误差越大。误差越大。现在学习的是第29页,共72页 为了减小测量误差,可以减小为了减小测量误差,可以减小T Tc c(增大增大f fc c),但这受到实,但这受到实际计数器计数速度的限制。在条件许可的情况下,尽量使际计数器计数速度的限制。在条件许可的情况下,尽量使f fc c增大。另一种方法是把增大。另一种方法是把T Tx x扩大扩大m m倍,形成的闸门时间宽度倍,形成的闸门时间宽度为为m m T Tx x ,以它控制主门开启,实施计数。计
20、数器计数,以它控制主门开启,实施计数。计数器计数结果为结果为由于由于 ,所以,所以现在学习的是第30页,共72页电子计数器测量周期的误差:电子计数器测量周期的误差:表明了量化误差降低了表明了量化误差降低了m m倍。倍。现在学习的是第31页,共72页 扩大待测信号的周期为扩大待测信号的周期为mTmTx x,这在仪器上称作为,这在仪器上称作为“周周期倍乘期倍乘”,通常取,通常取m m为为1010i i(i i0 0,1 1,2 2).).例如上例被测例如上例被测信号周期信号周期T Tx xl0 sl0 s,即频率为,即频率为10105 5HzHz,若采用四级十,若采用四级十分频,把它分频成分频,把
21、它分频成10Hz(10Hz(周期为周期为10105 5 s)s),即周期倍乘,即周期倍乘m=10 m=10 000000,这时测量周期的相对误差,这时测量周期的相对误差 由此可见,经由此可见,经“周期倍乘周期倍乘”再进行周期测量,其测量再进行周期测量,其测量精确度大为提高,但也应注意到,所乘倍数要受仪器显精确度大为提高,但也应注意到,所乘倍数要受仪器显示位数及测量时间的限制。示位数及测量时间的限制。现在学习的是第32页,共72页 在通用电子计数器中,测频率和测周期的原理及在通用电子计数器中,测频率和测周期的原理及其误差的表达式都是相似的,但是从信号的流通路径其误差的表达式都是相似的,但是从信号
22、的流通路径来说则完全不同。测频率时,标准时间由内部基准即来说则完全不同。测频率时,标准时间由内部基准即晶体振荡器产生。一般选用高精确度的晶振,采取防晶体振荡器产生。一般选用高精确度的晶振,采取防干扰措施以及稳定触发器的触发电平,这样使标准时干扰措施以及稳定触发器的触发电平,这样使标准时间的误差小到可以忽略。测频误差主要决定于量化误间的误差小到可以忽略。测频误差主要决定于量化误差差(即土即土1 1误差误差)。现在学习的是第33页,共72页 在测量周期时,信号的流通路径和测频时完全相在测量周期时,信号的流通路径和测频时完全相反,这时内部的基准信号,在闸门时间信号控制下通反,这时内部的基准信号,在闸
23、门时间信号控制下通过主门,进入计数器。闸门时间信号则由被测信号经过主门,进入计数器。闸门时间信号则由被测信号经整形产生,它的宽度不仅决定被测信号周期整形产生,它的宽度不仅决定被测信号周期T T,还与被,还与被测信号的幅度、波形陡直程度以及叠加噪声情况等有关,测信号的幅度、波形陡直程度以及叠加噪声情况等有关,而这些因素在测量过程中是无法预先知道的,因此测量周而这些因素在测量过程中是无法预先知道的,因此测量周期的误差因素比测量频率时要多。期的误差因素比测量频率时要多。现在学习的是第34页,共72页 在测量周期时,被测信号经放大整形后作为时间闸门的在测量周期时,被测信号经放大整形后作为时间闸门的控制
24、信号控制信号(简称门控信号简称门控信号),因此,噪声将影响门控信号,因此,噪声将影响门控信号的准确性,造成所谓的准确性,造成所谓触发误差触发误差。若被测正弦信号为正常的。若被测正弦信号为正常的情况,在过零时刻触发,则开门时间为情况,在过零时刻触发,则开门时间为T Tx x。若存在噪声,若存在噪声,有可能使触发时间提前有可能使触发时间提前T T1 1 ,也有可能使触发时间延,也有可能使触发时间延迟迟T T2 2。若粗略分析,设正弦波形过零点的斜率为。若粗略分析,设正弦波形过零点的斜率为 如图中虚线所标,则得如图中虚线所标,则得现在学习的是第35页,共72页触发误差示意图触发误差示意图现在学习的是
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