1、第四章第四章 時(shí)頻測(cè)量時(shí)頻測(cè)量本章所研究的問題：本章所研究的問題：（一）（一） （二）（二）誤差分析？誤差分析？ （四）（四）通用儀器簡(jiǎn)介通用儀器簡(jiǎn)介 （五）（五）儀器的升級(jí)或改進(jìn)儀器的升級(jí)或改進(jìn) 1 1、關(guān)系？、關(guān)系？2 2、儀器？、儀器？3 3、實(shí)現(xiàn)測(cè)量的原理？、實(shí)現(xiàn)測(cè)量的原理？ （三）（三）實(shí)現(xiàn)周期、頻率測(cè)量的方案選擇？實(shí)現(xiàn)周期、頻率測(cè)量的方案選擇？ （一）問題：（一）問題： 1、時(shí)頻關(guān)系、時(shí)頻關(guān)系指某事件發(fā)生的瞬間。如指某事件發(fā)生的瞬間。如t tl l時(shí)刻開始出現(xiàn)，在時(shí)刻開始出現(xiàn)，在t t2 2時(shí)刻消失；通常要與時(shí)刻消失；通常要與年月日時(shí)分秒年月日時(shí)分秒關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián) 。“時(shí)間時(shí)間 ”“時(shí)刻

2、時(shí)刻”, “間隔間隔”,即兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔，表示該事件持續(xù)了多即兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔，表示該事件持續(xù)了多久久. .如圖中，如圖中， t t = =t t2 2- -t tl l是兩時(shí)刻之間的是兩時(shí)刻之間的“間隔間隔”, ,即矩形脈沖持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。即矩形脈沖持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。 “周期周期”是指同一事件重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間，是指同一事件重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)間，如如T。 “頻率頻率”是單位時(shí)間（是單位時(shí)間（1秒）內(nèi)周期性事秒）內(nèi)周期性事 件重復(fù)的次數(shù)，單位是赫茲件重復(fù)的次數(shù)，單位是赫茲Hz。圖圖4.1 4.1 時(shí)頻關(guān)系示意圖時(shí)頻關(guān)系示意圖t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T電子

3、表走時(shí)是否準(zhǔn)確取決于電子表走時(shí)是否準(zhǔn)確取決于石英晶體作振蕩器設(shè)石英晶石英晶體作振蕩器設(shè)石英晶 體振蕩器日頻率穩(wěn)定度為體振蕩器日頻率穩(wěn)定度為10-6610246060t則日誤差：則日誤差：646660 60 24 108.64 10100.08640.1 / 10ts 日頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 32768Hz32768Hz（2 21515HzHz）液晶屏液晶屏分分頻頻計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)譯譯碼碼2 215151 1秒秒60601 1分分60601 1小時(shí)小時(shí)2424日日?qǐng)D圖4.2 4.2 電子表的組成原理電子表的組成原理振振蕩蕩驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)（一）問題（一）問題 2、儀器、儀器（一）問題（一）問題 3

4、、實(shí)現(xiàn)測(cè)量的原理、實(shí)現(xiàn)測(cè)量的原理1.基本原理基本原理根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則次，則該信號(hào)的頻率為：該信號(hào)的頻率為： TNfx（4.2） 門電路復(fù)習(xí)：門電路復(fù)習(xí)： 與門與門A A1/01/0B B1 1/ /0 0c c1/01/0同理同理“或或”門、與非、或非門等也有類似功能。門、與非、或非門等也有類似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由圖可見：由圖可見：TNTx因此因此TNfx實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻原理原理：“定時(shí)計(jì)數(shù)定時(shí)計(jì)數(shù)”實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：比較法比較法 圖圖

5、4.3 4.3 測(cè)頻的原理測(cè)頻的原理與與門門A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重點(diǎn)掌握2組成框圖組成框圖 圖圖4.4是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)頻的框圖。它主要由下列四部分組成。是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)頻的框圖。它主要由下列四部分組成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 時(shí)基電路時(shí)基電路計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)一一 輸入電路輸入電路 分分 頻頻 顯示顯示 晶晶 振振 門門 控控 主主門門控制電路控制電路 A AB BC CD DE E1)時(shí)基（時(shí)基（T）電路）電路兩個(gè)兩個(gè)特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)標(biāo)準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)性

6、 閘門時(shí)間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測(cè)頻率高一數(shù)量級(jí)以上，故閘門時(shí)間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測(cè)頻率高一數(shù)量級(jí)以上，故通常通常晶振晶振頻率穩(wěn)定度要求達(dá)頻率穩(wěn)定度要求達(dá)10-610-10。（。（恒溫糟恒溫糟）(2)多值性多值性 閘門時(shí)間閘門時(shí)間T不一定為不一定為1秒，應(yīng)讓用戶根據(jù)測(cè)頻精度和秒，應(yīng)讓用戶根據(jù)測(cè)頻精度和速度的不同要求自由選擇。例如：速度的不同要求自由選擇。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 門控（雙穩(wěn)）電路：門控（雙穩(wěn)）電路： TT2)輸入電路輸入電路 由放大整形電路和主門電路組成。由放大整形電路和主門電路組成。 被測(cè)輸入周期信號(hào)

7、（頻率為被測(cè)輸入周期信號(hào)（頻率為fx，周期為周期為Tx）經(jīng)放大、整形、微分）經(jīng)放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脈沖，送主門的一的窄脈沖，送主門的一個(gè)輸入端。個(gè)輸入端。 圖圖4.5 4.5 輸入電路工作波形圖輸入電路工作波形圖u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A輸入輸入( (T T0 0或或F Fx x ) )放大放大整形整形微分微分3)計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路 這部分電路的作用，簡(jiǎn)單地說，就是這部分電路的作用，簡(jiǎn)單地說，就是計(jì)數(shù)被測(cè)周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù)，顯示計(jì)數(shù)被測(cè)周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù)，顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、被測(cè)信號(hào)的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、邏輯控

8、制電路、譯碼器和顯示器組成。邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。 4)控制電路控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按一定的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。一定的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)器的工作按照器的工作按照“復(fù)零一測(cè)量復(fù)零一測(cè)量顯示顯示”的的程序自動(dòng)地進(jìn)行，其工作流程如圖程序自動(dòng)地進(jìn)行，其工作流程如圖4.6所示。所示。 準(zhǔn)備準(zhǔn)備期期（復(fù)零，等待）（復(fù)零，等待）顯示顯示期期（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）測(cè)量測(cè)量期期（開門，計(jì)

9、數(shù)）（開門，計(jì)數(shù)）圖圖4.6 4.6 電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖4.3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間本節(jié)介紹時(shí)間量的測(cè)量主要是指與頻率對(duì)應(yīng)的周期、相位及時(shí)本節(jié)介紹時(shí)間量的測(cè)量主要是指與頻率對(duì)應(yīng)的周期、相位及時(shí)間間隔等時(shí)間參數(shù)，重點(diǎn)討論周期的測(cè)量。間間隔等時(shí)間參數(shù)，重點(diǎn)討論周期的測(cè)量。 4.3.1.電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右圖可得由右圖可得ccxfNNTT輸入電路輸入電路A A 分分 頻頻 門門

10、控控 主主門門倍倍 頻頻 晶晶 振振 輸入電路輸入電路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E4.4 誤差分析計(jì)算誤差分析計(jì)算由第二章誤差傳遞公式（由第二章誤差傳遞公式（2.43）jmjjxxfy1可對(duì)式（可對(duì)式（4.2） TNfx求得求得 TTNNffxx（4.3） 計(jì)數(shù)誤差計(jì)數(shù)誤差時(shí)基誤差時(shí)基誤差1.量化誤差量化誤差計(jì)數(shù)誤差、計(jì)數(shù)誤差、1誤差誤差在測(cè)頻時(shí)，在測(cè)頻時(shí)，主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不不相相關(guān)的關(guān)的，即是說它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是，即是說它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的隨機(jī)的。這樣，既這樣，既便在相同的主門開啟時(shí)

11、間便在相同的主門開啟時(shí)間T，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同。，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同。可能多可能多1個(gè)或少個(gè)或少1個(gè)的個(gè)的1誤差，這是頻率量化時(shí)帶來的誤差故誤差，這是頻率量化時(shí)帶來的誤差故稱量化誤差，又稱脈沖稱量化誤差，又稱脈沖計(jì)數(shù)誤差或計(jì)數(shù)誤差或1誤差誤差。 TfNNNx11NN= =1 1 N=f N=fx xT T圖圖4.7 4.7 量化誤差量化誤差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T( (a a) )(1)(1)(2)(2)黑門進(jìn)黑門進(jìn)8 8個(gè)脈個(gè)脈沖沖紅門進(jìn)紅門進(jìn)7 7個(gè)脈個(gè)脈沖沖誤差合成定理誤差合成定理

12、2.閘門時(shí)間誤差（時(shí)基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差）閘門時(shí)間誤差（時(shí)基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差） TTNNffxxccfdfTdT 閘門時(shí)間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，顯然要產(chǎn)生測(cè)閘門時(shí)間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，顯然要產(chǎn)生測(cè) 頻誤差。閘門信號(hào)頻誤差。閘門信號(hào)T是由晶振信號(hào)分頻而得。設(shè)晶振頻率為是由晶振信號(hào)分頻而得。設(shè)晶振頻率為fc（周期為（周期為Tc），則有），則有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶體性能和切割方式石英晶體性能和切割方式-生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠 石英振蕩器的輸出石英振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確度決定頻率準(zhǔn)確度決定 溫度的影響溫度的影響-單、雙層恒溫糟單、雙層恒溫糟 振蕩電路的質(zhì)量振蕩電

13、路的質(zhì)量-電路優(yōu)化設(shè)計(jì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.2.3. 結(jié)論結(jié)論1.計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要有兩項(xiàng)主要有兩項(xiàng) 即即1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般總誤差可采用分項(xiàng)差一般總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即誤差絕對(duì)值合成，即 )1(ccxxxffTfff（4.9） 2.測(cè)量低頻時(shí)，由于測(cè)量低頻時(shí)，由于1誤誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人例如，例如，fx= 10Hz，T=1s，則由，則由1誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)10，所以，測(cè)量低頻時(shí)不宜采用直接測(cè)頻方法。所以，測(cè)量低頻時(shí)不宜采用直接測(cè)頻方法。4.3.2. 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析電子計(jì)

14、數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析1.量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差與分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻時(shí)的誤差類似，這里與分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻時(shí)的誤差類似，這里 cxNTT ，根據(jù)，根據(jù)誤差傳遞公式可得誤差傳遞公式可得 ccxxTTNNTT（4.11） 根據(jù)圖根據(jù)圖4.10所示的測(cè)周原理，由式（所示的測(cè)周原理，由式（4.10）可得）可得 ,cxcxfTTTN而而N=1 cccxcccxxxfffTTTfTTT11（4.12） 4.3.3 4.3.3 中界頻率中界頻率研究研究量化誤差（量化誤差（1誤差）對(duì)測(cè)頻和測(cè)周的影響誤差）對(duì)測(cè)頻和測(cè)周的影響。測(cè)頻、測(cè)周誤差相等的頻率稱為中界頻率。測(cè)頻、測(cè)周誤差相等的頻率稱

15、為中界頻率。將（將（4.6）和（）和（4.12）式中）式中量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得 式中，式中， Mf為中界頻率，為中界頻率， cf為標(biāo)準(zhǔn)頻率，為標(biāo)準(zhǔn)頻率，T為閘門時(shí)間。為閘門時(shí)間。 MxxfTf1TffcM令令 則則 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 圖圖4.14中給出了不同閘門時(shí)間：中給出了不同閘門時(shí)間：0.1s、1s、10s和不同標(biāo)準(zhǔn)頻和不同標(biāo)準(zhǔn)頻率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線。現(xiàn)以三種情況的交叉曲線。現(xiàn)以T=1s， cf=100MHz為例，可查知為例，可查知 Mf=10kHz。 100MHz100MHz圖圖4.14 4

16、.14 測(cè)頻量化誤差與測(cè)周量化誤差測(cè)頻量化誤差與測(cè)周量化誤差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MH=100MHz z測(cè)頻的量化誤差測(cè)頻的量化誤差測(cè)周的量化誤差測(cè)周的量化誤差Mff f100MHz100MHz因此，當(dāng)因此，當(dāng) xMff 宜測(cè)頻；宜測(cè)頻； 當(dāng)當(dāng) xMff，宜測(cè)周。，宜測(cè)周。 這給使用帶來不便，要查知所用狀態(tài)下的

17、中界頻率，是當(dāng)前這給使用帶來不便，要查知所用狀態(tài)下的中界頻率，是當(dāng)前通用計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)，下面將介紹采用雙路計(jì)數(shù)器的方法，通用計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)，下面將介紹采用雙路計(jì)數(shù)器的方法，對(duì)測(cè)頻或測(cè)周都能實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。對(duì)測(cè)頻或測(cè)周都能實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。例：某計(jì)數(shù)式頻率計(jì)，測(cè)頻閘門時(shí)間為1s， 測(cè)周期時(shí)倍乘最大為10000， 時(shí)基最高頻率為10MHz，求中界頻率。4.3.4 時(shí)間間隔的測(cè)時(shí)間間隔的測(cè)量量1.基本原理基本原理輸入輸入C C10S10S時(shí)基分頻器時(shí)基分頻器+ +主主 門門觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器起起 始始觸發(fā)器觸發(fā)器終終 止止觸發(fā)器觸發(fā)器門控門控電路電路十進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器1MHz1MHz石英石英振

18、振 蕩蕩 器器觸發(fā)沿選擇觸發(fā)沿選擇+ +- - -輸入輸入B BS S1S1S10S10S（a a）觸發(fā)電平、觸發(fā)極性可調(diào)圖圖4.15 4.15 基本時(shí)間間隔測(cè)量模式基本時(shí)間間隔測(cè)量模式(b)(b)被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)時(shí)標(biāo)時(shí)標(biāo)門控信號(hào)門控信號(hào)輸入輸入C C終止終止輸入輸入B B起始起始（a a）組成方框圖）組成方框圖 （b b）工作波形圖）工作波形圖2.相位測(cè)量相位測(cè)量相位差的測(cè)量，見圖相位差的測(cè)量，見圖4.16。Tt360則則 t對(duì)應(yīng)的相位可以計(jì)得對(duì)應(yīng)的相位可以計(jì)得360Tt圖圖4.16 4.16 相位差的測(cè)量相位差的測(cè)量t t T T360360t t測(cè)相位要求兩信號(hào)：同頻 同幅3.3.脈

19、沖時(shí)間參數(shù)測(cè)量脈沖時(shí)間參數(shù)測(cè)量圖圖4.17 4.17 脈沖寬度測(cè)量模式脈沖寬度測(cè)量模式 起始脈沖起始脈沖門控信號(hào)門控信號(hào)終至脈沖終至脈沖觸發(fā)器輸出觸發(fā)器輸出輸入信號(hào)輸入信號(hào)0.50.5t tr r0.10.10.90.9脈沖上升時(shí)間測(cè)量模式脈沖上升時(shí)間測(cè)量模式4.44.4 通用計(jì)數(shù)器通用計(jì)數(shù)器4.4.1 4.4.1 概述概述 電子計(jì)數(shù)器問世于五十年代初期，它是出現(xiàn)最早、發(fā)展最快的電子計(jì)數(shù)器問世于五十年代初期，它是出現(xiàn)最早、發(fā)展最快的類數(shù)字式儀器。今天的電子計(jì)數(shù)器與其初期相比，面貌已煥類數(shù)字式儀器。今天的電子計(jì)數(shù)器與其初期相比，面貌已煥然一新。然一新。 4.4.2 4.4.2 通用計(jì)數(shù)器的功能通

20、用計(jì)數(shù)器的功能通用計(jì)數(shù)器系列產(chǎn)品很多，但大多都具有：測(cè)量頻率、周期、多周期平通用計(jì)數(shù)器系列產(chǎn)品很多，但大多都具有：測(cè)量頻率、周期、多周期平均、時(shí)間間隔、自檢、頻率比、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等功能。這些功能在前均、時(shí)間間隔、自檢、頻率比、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等功能。這些功能在前面大多已介紹，這里僅對(duì)自檢、頻率比、累加計(jì)數(shù)等進(jìn)行補(bǔ)充說明。面大多已介紹，這里僅對(duì)自檢、頻率比、累加計(jì)數(shù)等進(jìn)行補(bǔ)充說明。 1.1.自檢自檢這里有自檢的方便條件這里有自檢的方便條件儀器自檢的重要性（如測(cè)自裝振蕩器的頻率）儀器自檢的重要性（如測(cè)自裝振蕩器的頻率） 輸入電路輸入電路A A 分分 頻頻 門門 控控 主主門門倍倍 頻頻 晶晶 振振

21、 k k次次N Nf fc cT=k/T=k/f fc cT TN Nn n次次f f0 0=1/T=1/T0 0=n nf fc c=f f0 0T T0 0NTNT0 0= =T TN=T/N=T/T T0 0= =k k/f/fc cn nf fc c=kn=kn= =T T0 0這里有無這里有無1 1誤差？誤差？210610810實(shí)際原理框圖：實(shí)際原理框圖： 圖圖4.18 4.18 自檢原理方框圖自檢原理方框圖2 21ms1ms5 510101010101010101010101010101010晶振晶振5MHz5MHz10ns10ns100ns100ns1s1s10s10s100s1

22、00s1ms1ms10ms10ms100ms100ms1s1s10s10s0 01 12 21 13 31S1S閘門時(shí)間選擇閘門時(shí)間選擇時(shí)標(biāo)信號(hào)選擇時(shí)標(biāo)信號(hào)選擇門 控 雙門 控 雙穩(wěn)穩(wěn)主門主門計(jì)數(shù)、顯示計(jì)數(shù)、顯示N=100000000N=1000000002.2.頻率比頻率比(A(AB)B)的測(cè)量的測(cè)量頻率比頻率比A AB B是加于是加于A A、B B兩路的信號(hào)源的頻率比值。根據(jù)頻率兩路的信號(hào)源的頻率比值。根據(jù)頻率和周期的測(cè)量原理，和周期的測(cè)量原理，圖圖4.19 4.19 頻率比測(cè)量原理方框圖頻率比測(cè)量原理方框圖B B0 01 12 21 13 3T TB B主門主門計(jì)數(shù)、顯示計(jì)數(shù)、顯示門控雙

23、穩(wěn)門控雙穩(wěn)放大、整形放大、整形放大、整形放大、整形A Af fA AT TB BT TB BT TA ABAABTfNTf10nABfNf3.3.累加計(jì)數(shù)累加計(jì)數(shù)( (計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)A A的測(cè)量的測(cè)量) ) 累加計(jì)數(shù)是在一定的時(shí)間內(nèi)累加計(jì)數(shù)是在一定的時(shí)間內(nèi)( (通常是比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，如自動(dòng)通常是比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，如自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品數(shù)量) )記錄記錄A A信號(hào)（如產(chǎn)品通過時(shí)傳感器信號(hào)（如產(chǎn)品通過時(shí)傳感器產(chǎn)生的光電信號(hào)）經(jīng)整形后的脈沖個(gè)數(shù)。產(chǎn)生的光電信號(hào)）經(jīng)整形后的脈沖個(gè)數(shù)。 圖圖4.20 4.20 累加計(jì)數(shù)原理框圖累加計(jì)數(shù)原理框圖0 01 12 21 13 3起始起始主門主門

24、計(jì)數(shù)、顯示計(jì)數(shù)、顯示門控雙穩(wěn)門控雙穩(wěn)放大、整形放大、整形A A開開門門時(shí)時(shí)間間停停止止停停止止起起始始4.4.3 4.4.3 單片通用計(jì)數(shù)器單片通用計(jì)數(shù)器溢出溢出累累加加計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)5G7226B5G7226B量程輸入量程輸入控制輸入控制輸入功能輸入功能輸入復(fù)位輸入復(fù)位輸入保持輸入保持輸入輸入輸入A A輸入輸入B BD D1 1D D8 8a a g g復(fù)位復(fù)位保持保持頻頻率率頻頻率率比比自自檢檢時(shí)間間隔時(shí)間間隔周期周期100p100p10K10KV V+ +K K2 2K K1 122M22M10M10MV V+ +V V+ +39p39p39p39pV V+ +100K100K10K10K10

25、K10KS S2 2S S1 10.01S0.01S0.1S0.1S1S1S10S10S外外振振蕩蕩允允許許S S3 3選選擇擇S S4 4外外加加小小數(shù)數(shù)點(diǎn)點(diǎn)S S4 4測(cè)測(cè)量量顯顯示示S S7 7消消隱隱顯顯示示S S6 6dpdp7 77 77 77 77 77 77 77 7圖圖4.21 4.21 累加計(jì)數(shù)的原理方框圖累加計(jì)數(shù)的原理方框圖E312AE312A型通用計(jì)數(shù)器的技術(shù)指標(biāo)為：型通用計(jì)數(shù)器的技術(shù)指標(biāo)為： 測(cè)頻范圍：測(cè)頻范圍：1Hz10MHz1Hz10MHz 最小輸入電壓：正弦波時(shí)為最小輸入電壓：正弦波時(shí)為30mV30mV，脈沖波時(shí)為，脈沖波時(shí)為0.1V0.1V（峰（峰- -峰值）

26、峰值） 閘門時(shí)間：閘門時(shí)間：10ms10ms，0.1s0.1s，1s1s，10s10s 周期測(cè)量范圍：周期測(cè)量范圍：10s0.4s10s0.4s，倍乘，倍乘1 1，1010，100100，10103 3 標(biāo)準(zhǔn)頻率：標(biāo)準(zhǔn)頻率：5MHz5MHz晶振，倍頻后晶振，倍頻后10MHz10MHz 準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度：準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度：5 51010-8-8 4.54.5* * 電子計(jì)數(shù)器性能的改進(jìn)電子計(jì)數(shù)器性能的改進(jìn) 電子計(jì)數(shù)器性能改進(jìn)的主要內(nèi)容是如何減小測(cè)量誤差，尤其是電子計(jì)數(shù)器性能改進(jìn)的主要內(nèi)容是如何減小測(cè)量誤差，尤其是量化誤差；如何提高測(cè)時(shí)間的分辨力；如何提高測(cè)頻的頻率范量化誤差；如何提高測(cè)時(shí)間的分辨力；

27、如何提高測(cè)頻的頻率范圍，以至可測(cè)量更高波段的頻率。圍，以至可測(cè)量更高波段的頻率。 4.5.1 4.5.1 多周期同步測(cè)頻（智能計(jì)數(shù)器）多周期同步測(cè)頻（智能計(jì)數(shù)器） N Nx xT Tx x= =N N0 0T T0 0 （4.194.19） 00fNNfxx（4.204.20） 1.1.工作原理工作原理f fx x圖圖4.22 4.22 多周期同步測(cè)頻原理多周期同步測(cè)頻原理(a)(a)N N0 0CPCP 主門主門 N Nx x 主門主門 N N0 0同步閘門同步閘門(D(D觸發(fā)器觸發(fā)器) )預(yù)置閘預(yù)置閘門脈沖門脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 2 2# #單單片片機(jī)機(jī)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 1 1# #晶晶 振振1M

28、Hz1MHzD D82538253(b)(b)1S1ST Tx xT TN Nx xT Tx xN No oT To oT T0 0DDf fx x(CP)(CP)T Tf f0 0N N0 0N Nx xN Nx xf f0 0無無1 1誤差誤差有有1 1誤差誤差T T2.2.誤差分析誤差分析由以上工作過程和波形圖可以看出，由以上工作過程和波形圖可以看出，N Nx x對(duì)被測(cè)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)T Tx x的計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)是與閘門是同步的，故不存在量化（是與閘門是同步的，故不存在量化（1 1）誤差。這樣，用）誤差。這樣，用該計(jì)數(shù)器測(cè)頻，不管頻率高低其精度是相同的。這時(shí)誤差僅該計(jì)數(shù)器測(cè)頻，不管頻率高低其精

29、度是相同的。這時(shí)誤差僅發(fā)生在計(jì)數(shù)器發(fā)生在計(jì)數(shù)器2 2對(duì)對(duì)f f0 0的計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)N N0 0上，因?yàn)橹鏖T上，因?yàn)橹鏖T2 2與與f f0 0之間并無同之間并無同步關(guān)系，故仍存在量化誤差，不過通常步關(guān)系，故仍存在量化誤差，不過通常f f0 0f fx x，故，故1 1誤差相誤差相對(duì)小得多。對(duì)小得多。 例例4.14.1 分別用通用計(jì)數(shù)器和多周期同步計(jì)數(shù)器對(duì)分別用通用計(jì)數(shù)器和多周期同步計(jì)數(shù)器對(duì)50Hz50Hz正弦信正弦信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算其號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算其1 1誤差。設(shè)閘門時(shí)間為誤差。設(shè)閘門時(shí)間為1s1s，晶振標(biāo)，晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率為準(zhǔn)頻率為1MHz1MHz。 解：通用計(jì)數(shù)器測(cè)頻解：通用計(jì)數(shù)器測(cè)頻1

30、 1誤差誤差2102102. 01ssNNN 多周期同步計(jì)數(shù)器測(cè)頻多周期同步計(jì)數(shù)器測(cè)頻1 1誤差誤差 6610111011ssNNN也稱多周期同步計(jì)數(shù)器為也稱多周期同步計(jì)數(shù)器為等精度等精度計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器, ,也稱為也稱為“智能智能”計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器。4.5.2 4.5.2 提高時(shí)間分辨力的辦法提高時(shí)間分辨力的辦法在直接計(jì)數(shù)器中，為了提高測(cè)時(shí)分辨力和精度，就必須提高基在直接計(jì)數(shù)器中，為了提高測(cè)時(shí)分辨力和精度，就必須提高基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，但是，鐘頻的提高意味著計(jì)數(shù)速度的提高，即使準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，但是，鐘頻的提高意味著計(jì)數(shù)速度的提高，即使采用采用1GHz1GHz鐘頻，測(cè)時(shí)分辨力也只能達(dá)到鐘頻，測(cè)時(shí)分辨力也只能達(dá)

31、到1ns1ns。因此，必須用。因此，必須用其它方法來提高測(cè)時(shí)分辨力。其它方法來提高測(cè)時(shí)分辨力。 1.1.內(nèi)插法計(jì)數(shù)器內(nèi)插法計(jì)數(shù)器用內(nèi)插法測(cè)時(shí)間的原理，如圖用內(nèi)插法測(cè)時(shí)間的原理，如圖4.234.23所示。為了測(cè)量時(shí)間間隔所示。為了測(cè)量時(shí)間間隔 x計(jì)數(shù)器實(shí)際測(cè)量的是計(jì)數(shù)器實(shí)際測(cè)量的是 0,1和和 2等三個(gè)參數(shù)，其中等三個(gè)參數(shù)，其中 0起始脈沖后的第一個(gè)鐘脈沖與終止脈沖后的第一個(gè)起始脈沖后的第一個(gè)鐘脈沖與終止脈沖后的第一個(gè)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔；鐘脈沖之間的時(shí)間間隔； 1起始脈沖與第一個(gè)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔；起始脈沖與第一個(gè)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔； 2一終止脈沖與緊接著到來的鐘脈沖之間的時(shí)間間隔。一終止

32、脈沖與緊接著到來的鐘脈沖之間的時(shí)間間隔。 由圖由圖4.234.23可知，被測(cè)時(shí)間間隔可知，被測(cè)時(shí)間間隔 x為為 210 x時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)輸入信號(hào)起始起始終止終止 x x 0 0 1 1 2 2圖圖4.23 4.23 內(nèi)插法原理內(nèi)插法原理012 的測(cè)量與普通計(jì)數(shù)器相同，即累計(jì)該時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的測(cè)量與普通計(jì)數(shù)器相同，即累計(jì)該時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的鐘脈沖數(shù)。兩個(gè)的鐘脈沖數(shù)。兩個(gè)“零頭零頭”時(shí)間時(shí)間 和和 采用內(nèi)插法來測(cè)量，采用內(nèi)插法來測(cè)量，即先用兩個(gè)內(nèi)插器將即先用兩個(gè)內(nèi)插器將 1和和 2分別擴(kuò)展分別擴(kuò)展10001000倍，然后再在倍，然后再在擴(kuò)展后的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)同一鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，故被測(cè)時(shí)間擴(kuò)

33、展后的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)同一鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，故被測(cè)時(shí)間間隔間隔 x為為 （按權(quán)相加）（按權(quán)相加） 021010001000TNNNx（4.224.22） 模擬內(nèi)插模擬內(nèi)插內(nèi)插方法內(nèi)插方法T-TT-T：時(shí)間放大器：時(shí)間放大器T-VT-V：時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換器：時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換器數(shù)字內(nèi)插：游標(biāo)法數(shù)字內(nèi)插：游標(biāo)法2.2.游標(biāo)法計(jì)數(shù)器游標(biāo)法計(jì)數(shù)器數(shù)字內(nèi)插技術(shù)數(shù)字內(nèi)插技術(shù)物理思想：機(jī)械游標(biāo)卡尺數(shù)顯游標(biāo)卡尺10mm10mm0 05mm5mm符合點(diǎn)符合點(diǎn)定尺定尺動(dòng)尺動(dòng)尺1 12 23 34 45 50 01 12 23 34 45 59mm9mm在在5cm5cm處讀處讀5mm5mm相當(dāng)刻度放大相當(dāng)刻度放大1010倍倍0

34、0-0-0差差5mm5mm1 1-1-1差差4mm4mm2 2-2-2差差3mm3mm3 3-3-3差差2mm2mm4 4-4-4差差1mm1mm5 5-5-5差差0mm0mm 定尺對(duì)前沿，動(dòng)尺對(duì)后沿，再找符合點(diǎn)5ns5ns定定尺尺動(dòng)動(dòng)尺尺0 0游標(biāo)法測(cè)時(shí)原理圖游標(biāo)法測(cè)時(shí)原理圖主時(shí)主時(shí)鐘鐘f f1 1游 標(biāo) 時(shí)游 標(biāo) 時(shí)鐘鐘f f2 2 x x起振起振0 0游游 標(biāo)標(biāo)振 蕩振 蕩器器游游 標(biāo)標(biāo)計(jì) 數(shù)計(jì) 數(shù)器器符符 合合電電 路路基基 準(zhǔn)準(zhǔn)振 蕩振 蕩器器當(dāng)當(dāng)5 5與與5 5對(duì)齊，輸對(duì)齊，輸出出符合脈沖符合脈沖，令，令游標(biāo)振蕩器停振，游標(biāo)振蕩器停振，讀游標(biāo)計(jì)數(shù)器得讀游標(biāo)計(jì)數(shù)器得 x x符合點(diǎn)符合

35、點(diǎn)起振起振在符合點(diǎn)在符合點(diǎn)( (即游標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)剛好趕上主時(shí)鐘信號(hào)的那一瞬間即游標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)剛好趕上主時(shí)鐘信號(hào)的那一瞬間) )以前，以前，兩個(gè)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的脈沖數(shù)相等，即兩個(gè)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的脈沖數(shù)相等，即 N N1 1N N2 2N N，則，則xxKNTNT21 (4.25)(4.25)門控沖擊振蕩器門控沖擊振蕩器T T2 2=1/f=1/f2 2圖圖4.26 4.26 游標(biāo)法測(cè)時(shí)方框圖游標(biāo)法測(cè)時(shí)方框圖門控沖擊振蕩器門控沖擊振蕩器T T1 1=1/f=1/f1 1起起始始輸輸入入輸輸入入停停止止輸輸入入控控制制電電路路起起始始停停止止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器N N1 1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器N N2 2符合電路符合電

36、路或或 TNTTNx21上式表明，被測(cè)時(shí)間上式表明，被測(cè)時(shí)間 x被時(shí)間差被時(shí)間差 T所量化，當(dāng)兩個(gè)時(shí)鐘頻率足夠地接近時(shí)，量化的分辨力是所量化，當(dāng)兩個(gè)時(shí)鐘頻率足夠地接近時(shí)，量化的分辨力是可以做得很高的可以做得很高的 由式由式(4.25)(4.25)可知，游標(biāo)法事實(shí)上是用數(shù)字量化的辦法把被測(cè)時(shí)可知，游標(biāo)法事實(shí)上是用數(shù)字量化的辦法把被測(cè)時(shí)間間隔間間隔 x擴(kuò)展了擴(kuò)展了K K倍，倍，K K稱為擴(kuò)展倍率或內(nèi)插系數(shù)，其值為稱為擴(kuò)展倍率或內(nèi)插系數(shù)，其值為ffTTNTKx211（4.274.27） 游標(biāo)法的原理簡(jiǎn)單，但用這種方法來實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)，游標(biāo)法的原理簡(jiǎn)單，但用這種方法來實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)，在

37、在技術(shù)上需要解決以下幾個(gè)問題技術(shù)上需要解決以下幾個(gè)問題： 1)1)時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率 1f和和 2f的穩(wěn)定度要求極高的穩(wěn)定度要求極高2)2)當(dāng)分辨力很高時(shí)，當(dāng)分辨力很高時(shí)， f應(yīng)當(dāng)很小，因此兩個(gè)時(shí)鐘電路必須進(jìn)應(yīng)當(dāng)很小，因此兩個(gè)時(shí)鐘電路必須進(jìn)行嚴(yán)格屏蔽，否則可能因頻率牽引而不能正常工作。行嚴(yán)格屏蔽，否則可能因頻率牽引而不能正常工作。3)3)要實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨力，符合電路的工作速度也應(yīng)該是很要實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨力，符合電路的工作速度也應(yīng)該是很高的。由于存在上述一些技術(shù)上的困難，因此游標(biāo)法長(zhǎng)期未得高的。由于存在上述一些技術(shù)上的困難，因此游標(biāo)法長(zhǎng)期未得到實(shí)際應(yīng)用。近年來提出的到實(shí)際應(yīng)用。近年來提出的相

38、位鎖定型同步觸發(fā)振蕩器相位鎖定型同步觸發(fā)振蕩器，解決，解決了上述的一些困難，它巧妙地把觸發(fā)振蕩器與鎖相環(huán)結(jié)合起來，了上述的一些困難，它巧妙地把觸發(fā)振蕩器與鎖相環(huán)結(jié)合起來，使沖擊振蕩器的信號(hào)既能與外觸發(fā)信號(hào)同步，又有很高的頻率使沖擊振蕩器的信號(hào)既能與外觸發(fā)信號(hào)同步，又有很高的頻率穩(wěn)定度。穩(wěn)定度。xx用游標(biāo)法測(cè)量圖4.51中的值，設(shè)f1=5MHz，f2=5.01MHz，求之值。 4.5.3 4.5.3 微波計(jì)數(shù)器微波計(jì)數(shù)器最高計(jì)數(shù)頻率，取決計(jì)數(shù)器器件，最高計(jì)數(shù)頻率，取決計(jì)數(shù)器器件，CMOSTTLECLCMOSTTLECL隧道二極管觸發(fā)器隧道二極管觸發(fā)器。 當(dāng)今，通用計(jì)數(shù)器能直接計(jì)數(shù)的頻率在當(dāng)今，通

39、用計(jì)數(shù)器能直接計(jì)數(shù)的頻率在f fx1.5GHzx1.5GHz以下。以下。 要對(duì)微波波段的信號(hào)頻率進(jìn)行數(shù)字測(cè)量，必須采用頻率變換技要對(duì)微波波段的信號(hào)頻率進(jìn)行數(shù)字測(cè)量，必須采用頻率變換技術(shù)，將微波頻率變換成術(shù)，將微波頻率變換成1GHz1GHz以下的頻率，以便直接計(jì)數(shù)。以下的頻率，以便直接計(jì)數(shù)。 1.1.變頻法變頻法圖圖4.27 4.27 變頻法方框圖變頻法方框圖電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器輸入輸入混頻器混頻器放大器放大器差頻差頻濾波器濾波器諧波諧波發(fā)生器發(fā)生器諧波諧波 f fx x6980.03475MHz6980.03475MHzN Nf fs s6969100MHz100MHzf fs s晶振倍頻晶振

40、倍頻100MHz100MHznfnfs sf fI I80.03475MHz80.03475MHzxSIffNf自動(dòng)變頻式微波計(jì)數(shù)器方框圖自動(dòng)變頻式微波計(jì)數(shù)器方框圖電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器輸入輸入混頻器混頻器放大器放大器差頻差頻6969N Nf fs sf fI If fs s（階躍恢復(fù)（階躍恢復(fù) 二極管）二極管）諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器（YIGYIG電調(diào)電調(diào) 濾波器）濾波器）諧波濾波器諧波濾波器掃描捕獲掃描捕獲電路電路檢波器檢波器f fs s=100MHz=100MHzN Nf fs s顯示的預(yù)置顯示的預(yù)置69006900MHzMHzf fI I停停止止n nf fs s6900+6900+80.0

41、347580.03475MHzMHzf fI I80.0347580.03475MHzMHzf fx x6980.034756980.03475MHzMHz步進(jìn)步進(jìn)(=(=f fx x- -NfNfs s) )釔鐵石榴石，單晶鐵氧體2.2.置換法置換法 置換法的原理，是利用一個(gè)頻率較低的壓控振蕩器的置換法的原理，是利用一個(gè)頻率較低的壓控振蕩器的N N次次諧波，與被測(cè)微波頻率諧波，與被測(cè)微波頻率 xf進(jìn)行分頻式鎖相，從而把進(jìn)行分頻式鎖相，從而把 xf轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換到較低的頻率較低的頻率Lf（通常為（通常為100MHz100MHz以下）。置換法的簡(jiǎn)化方框圖，以下）。置換法的簡(jiǎn)化方框圖，如圖如圖4.29

42、4.29所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)：所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)： xLSfNffxLSfNff （4.314.31） 式中式中 Lf壓控振蕩器（也稱置換振蕩器）的頻率；壓控振蕩器（也稱置換振蕩器）的頻率；Sf計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)頻率。計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)頻率。 VCOVCO電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器鑒相器鑒相器混頻器混頻器f fx xNfNfL Lf fL L100MHz100MHzf fx x -Nf-NfL Lf fL Lf fs s（晶振）（晶振）圖圖4.29 4.29 置換法框圖置換法框圖N N次諧波次諧波 4.6 標(biāo)準(zhǔn)頻率源的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)頻率源的測(cè)量 屬于屬于“計(jì)量計(jì)量”內(nèi)容內(nèi)容對(duì)象對(duì)象-小晶振（通用計(jì)數(shù)器、合成信號(hào)源中

43、的晶振）小晶振（通用計(jì)數(shù)器、合成信號(hào)源中的晶振） 要求要求-“-“穩(wěn)穩(wěn)”、“準(zhǔn)準(zhǔn)” 一個(gè)一個(gè)頻率頻率源的源的準(zhǔn)確度是由它的頻率穩(wěn)定度來保證的準(zhǔn)確度是由它的頻率穩(wěn)定度來保證的，因此檢定，因此檢定一個(gè)頻率源的主要內(nèi)容是測(cè)量它的頻率穩(wěn)定度。一個(gè)頻率源的主要內(nèi)容是測(cè)量它的頻率穩(wěn)定度。 4.6.1 4.6.1 頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率源的頻率準(zhǔn)確度的頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率源的頻率準(zhǔn)確度的變化，所以實(shí)際上是頻率不穩(wěn)定度，它表征頻率源持續(xù)工作變化，所以實(shí)際上是頻率不穩(wěn)定度，它表征頻率源持續(xù)工作于恒定頻率上的能力。于恒定頻率上的能力。 1.1.系統(tǒng)性或

44、確定性的變化，比如老化或系統(tǒng)性漂移；環(huán)境溫度、系統(tǒng)性或確定性的變化，比如老化或系統(tǒng)性漂移；環(huán)境溫度、供電電壓等。供電電壓等。 2.2.非確定性的或隨機(jī)性的變化，其主要原因是各種噪聲對(duì)信非確定性的或隨機(jī)性的變化，其主要原因是各種噪聲對(duì)信號(hào)寄生調(diào)頻和調(diào)相，從而產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏。號(hào)寄生調(diào)頻和調(diào)相，從而產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏。對(duì)穩(wěn)定度的定義應(yīng)該引入時(shí)間概念，因此有長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度之分。對(duì)穩(wěn)定度的定義應(yīng)該引入時(shí)間概念，因此有長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度之分。 f f（天、月、年）（天、月、年）圖圖4.31 4.31 石英振蕩器的頻率老化漂移石英振蕩器的頻率老化漂移t t4.6.2 4.6.2 長(zhǎng)期穩(wěn)定度的表征長(zhǎng)期穩(wěn)定

45、度的表征 長(zhǎng)期穩(wěn)定度指長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)期穩(wěn)定度指長(zhǎng)時(shí)間( (年或月范圍內(nèi)年或月范圍內(nèi)) )的頻率變化，的頻率變化， 石英諧振器石英諧振器老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。多數(shù)高穩(wěn)老化漂移。多數(shù)高穩(wěn) 定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時(shí)間的預(yù)熱后，定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時(shí)間的預(yù)熱后，其頻率的老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性其頻率的老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性( (增加或減小增加或減小) )，如圖，如圖4.314.31所示。所示。 對(duì)石英振蕩器來說通常用：對(duì)石英振蕩器來說通常用：一天內(nèi)一天內(nèi)的頻率平均漂移作為長(zhǎng)期穩(wěn)定度的的頻率平均漂移作為長(zhǎng)期

46、穩(wěn)定度的表征，叫做表征，叫做“日老化率日老化率”。 f ft t1 1天天f f1 1f f2 2日老化率日老化率012fffK（4.324.32） 式中式中 f f2 2和和f fl l老化曲線上相隔一天老化曲線上相隔一天(24(24小時(shí)小時(shí)) )的兩個(gè)頻率值的兩個(gè)頻率值 f f0 0標(biāo)稱頻率標(biāo)稱頻率 當(dāng)外界條件當(dāng)外界條件( (溫度、供電電壓等溫度、供電電壓等) )恒定時(shí)，一天內(nèi)的振蕩頻率，恒定時(shí)，一天內(nèi)的振蕩頻率，除老化漂移外，還將產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏，如圖除老化漂移外，還將產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏，如圖4.32(b)4.32(b)。可。可用日波動(dòng)來綜合表征老化漂移和隨機(jī)起伏這兩種頻率變化，用日波

47、動(dòng)來綜合表征老化漂移和隨機(jī)起伏這兩種頻率變化，日波動(dòng)是指頻率源經(jīng)規(guī)定時(shí)間的預(yù)熱以后在日波動(dòng)是指頻率源經(jīng)規(guī)定時(shí)間的預(yù)熱以后在2424小時(shí)內(nèi)頻率的小時(shí)內(nèi)頻率的最大變化，從圖最大變化，從圖4.32(b)4.32(b)可得日波動(dòng)。可得日波動(dòng)。 0minmaxfffS（4.364.36） f ft t1 1天天f fminminf fmaxmax日波動(dòng)日波動(dòng)按按JJG1802002JJG1802002檢定規(guī)程檢定規(guī)程，測(cè)量日波動(dòng)時(shí)可每隔，測(cè)量日波動(dòng)時(shí)可每隔1 1小時(shí)測(cè)量小時(shí)測(cè)量3 3個(gè)數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值作為一次測(cè)量結(jié)果，每次測(cè)量的取樣個(gè)數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值作為一次測(cè)量結(jié)果，每次測(cè)量的取樣時(shí)間時(shí)間T T10

48、s10s，連續(xù)測(cè)，連續(xù)測(cè)2424小時(shí)，共得小時(shí)，共得2525個(gè)數(shù)據(jù)，取出個(gè)數(shù)據(jù)，取出 maxf和和 minf，用式，用式(4.36)(4.36)計(jì)算。計(jì)算。 JJG180-2002JJG180-2002檢定規(guī)程對(duì)電子測(cè)量?jī)x器內(nèi)石英振蕩器計(jì)量性檢定規(guī)程對(duì)電子測(cè)量?jī)x器內(nèi)石英振蕩器計(jì)量性能要求是：能要求是： 開機(jī)特性開機(jī)特性 1010-6-61010-11-11，日頻率波動(dòng)日頻率波動(dòng) 1010-6-61010-11-11， 日老化率日老化率 1010-6-61010-11-11，1 1秒頻率穩(wěn)定度秒頻率穩(wěn)定度 1010-8-81010-12-12，頻率復(fù)現(xiàn)性頻率復(fù)現(xiàn)性 1010-6-61010-11

49、-11，頻率準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度 1010-5-51010-10-10。 4.6.3 4.6.3 短期頻率穩(wěn)定度的表征短期頻率穩(wěn)定度的表征 短期穩(wěn)定度是秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率變化短期穩(wěn)定度是秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率變化，這種無規(guī)則的隨機(jī)，這種無規(guī)則的隨機(jī)變化與長(zhǎng)期的頻率漂移無關(guān)。比如，用于計(jì)數(shù)器的石英振蕩器，變化與長(zhǎng)期的頻率漂移無關(guān)。比如，用于計(jì)數(shù)器的石英振蕩器，其輸出頻率在一秒內(nèi)穩(wěn)不穩(wěn)具有重要意義，故常用其輸出頻率在一秒內(nèi)穩(wěn)不穩(wěn)具有重要意義，故常用“1 1秒頻率秒頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度”來表征。來表征。 一個(gè)頻率源的輸出信號(hào)可用下列數(shù)學(xué)模型近似描述一個(gè)頻率源的輸出信號(hào)可用下列數(shù)學(xué)模型近似描述 )(2sin)

50、(00ttfAt（t t）瞬時(shí)相位）瞬時(shí)相位目前，對(duì)短期頻率穩(wěn)定度的表征提出了兩種基本定義，即目前，對(duì)短期頻率穩(wěn)定度的表征提出了兩種基本定義，即 短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度 時(shí)域定義時(shí)域定義-用相對(duì)頻率起伏來表征用相對(duì)頻率起伏來表征 頻域定義頻域定義-用相位噪聲來表征用相位噪聲來表征 （4-37）1.1.短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度時(shí)域定義時(shí)域定義 t tf ff f0 0 用高檔頻率計(jì)測(cè)量頻率用高檔頻率計(jì)測(cè)量頻率：若頻率很穩(wěn)定，隨時(shí)間若頻率很穩(wěn)定，隨時(shí)間不變，如不變，如紅線紅線所示所示f ft tf f0 0( )2t 時(shí)間時(shí)間 （秒）（秒）t ti i0 0 t t1 1t t2 2t

51、ti it tn nt ti i+ + f f1 1f f2 2f fi if fn nt tt t1 1t t2 2t t3 3t ti it ti+1i+1f f1 1f f1 1f f2 2f f2 2f fi if fi if fmmf fmm1 1組組2 2組組i i 組組mm組組(a) (a) 標(biāo)準(zhǔn)方差標(biāo)準(zhǔn)方差(b) (b) 阿侖方差阿侖方差實(shí)際頻率隨時(shí)間起伏變實(shí)際頻率隨時(shí)間起伏變化，如化，如紅線紅線所示所示有兩種測(cè)量方法有兩種測(cè)量方法：因因f f（t t）起伏屬隨機(jī)變量起伏屬隨機(jī)變量，要進(jìn)行多次測(cè)量，要進(jìn)行多次測(cè)量用統(tǒng)計(jì)的方法用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行進(jìn)行處理，可用：處理，可用： 1 1

52、標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差-貝塞爾公式貝塞爾公式 111220nfnffSnii 2 2 阿侖（阿侖（AllanAllan）方差）方差mfffmiiia2)(1120（4.434.43） 式中式中 mm取樣組數(shù)，相鄰二次為一組取樣組數(shù)，相鄰二次為一組f fi i 和和f fi i 兩次相鄰兩次相鄰測(cè)量在取樣時(shí)間測(cè)量在取樣時(shí)間 內(nèi)的平均值內(nèi)的平均值 見式見式(4.41)(4.41)按按JJ01802002JJ01802002檢定規(guī)程，在測(cè)秒級(jí)穩(wěn)定度時(shí)，取樣時(shí)間檢定規(guī)程，在測(cè)秒級(jí)穩(wěn)定度時(shí)，取樣時(shí)間 1s1s，取樣組數(shù)，取樣組數(shù)mm=100=100，若無條件實(shí)現(xiàn)無間隙測(cè)量，則間，若無條件實(shí)現(xiàn)無間隙測(cè)量，則間隙

53、時(shí)間應(yīng)小于隙時(shí)間應(yīng)小于5 5秒。秒。國(guó)家規(guī)程用阿倉(cāng)方差法，國(guó)家規(guī)程用阿倉(cāng)方差法，但要用有此功能的頻率計(jì)但要用有此功能的頻率計(jì)圖4.39 相位噪聲概念的說明t（b）相位噪聲影響下的時(shí)域波形tu（a）理想單頻正弦波信號(hào)時(shí)域波形u（c）理想單頻正弦波信號(hào)頻譜ffoP（d）相位噪聲影響下的頻譜ffoP相位噪聲相位噪聲概念 0 0 很穩(wěn)定時(shí)波很穩(wěn)定時(shí)波形相位過零點(diǎn)穩(wěn)形相位過零點(diǎn)穩(wěn)定不變定不變對(duì)應(yīng)的在頻域中對(duì)應(yīng)的在頻域中的頻譜應(yīng)是一條的頻譜應(yīng)是一條譜線譜線 0 0當(dāng)有噪聲等隨機(jī)當(dāng)有噪聲等隨機(jī)因素引起頻率不因素引起頻率不穩(wěn)定時(shí)，時(shí)域中穩(wěn)定時(shí)，時(shí)域中相位過零點(diǎn)位置相位過零點(diǎn)位置會(huì)抖動(dòng)，稱為噪會(huì)抖動(dòng)，稱為噪聲對(duì)

54、相位的寄生聲對(duì)相位的寄生調(diào)制調(diào)制相位變化則頻率相位變化則頻率也會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)發(fā)生變化，在頻域中對(duì)應(yīng)的在頻域中對(duì)應(yīng)的頻譜不是頻譜不是 0 0一條一條譜線了，而是擴(kuò)譜線了，而是擴(kuò)散為一個(gè)連續(xù)頻散為一個(gè)連續(xù)頻譜。譜。譜線從譜線從 0 0向兩邊擴(kuò)展向兩邊擴(kuò)展范圍的寬窄與頻率穩(wěn)范圍的寬窄與頻率穩(wěn)定度相關(guān)。頻率穩(wěn)定定度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度越好，則擴(kuò)展越窄，度越好，則擴(kuò)展越窄，譜值變化越陡。因此譜值變化越陡。因此在頻域可用相位噪聲在頻域可用相位噪聲大小來表征短期頻率大小來表征短期頻率穩(wěn)定度。穩(wěn)定度。2.2.短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度頻域定義頻域定義用相位噪聲來表征用相位噪聲來表征相位噪聲的測(cè)量方法。相位噪聲

55、的測(cè)量方法。 SSB SSB (Single Side Band) (Single Side Band)相位噪聲相位噪聲L L ( (f f ) )定義為：偏離載頻定義為：偏離載頻f fo o為為f f 處，在每赫茲帶寬處，在每赫茲帶寬的單邊帶功率的單邊帶功率P PSSBSSB與載波功率與載波功率P P0 0之比，通常用之比，通常用dBdB表示，圖表示，圖4.404.40為其示意圖。為其示意圖。 （4.464.46） 圖圖4.40 SSB4.40 SSB相位噪聲示意圖相位噪聲示意圖()LffSSBSPP0fofff1H z0( )10lgSSBPL fP具體測(cè)量方法常用頻譜儀（第8章講述）見教

56、材4.74.7 調(diào)制域測(cè)量調(diào)制域測(cè)量 4.7.14.7.1調(diào)制域分析概述調(diào)制域分析概述“調(diào)制域調(diào)制域”是八十年代末提出的新概念。是八十年代末提出的新概念。 調(diào)制域?yàn)槿藗冇^測(cè)信號(hào)提供了一個(gè)新的窗口調(diào)制域?yàn)槿藗冇^測(cè)信號(hào)提供了一個(gè)新的窗口, ,一些在時(shí)域和頻一些在時(shí)域和頻域無法觀察到的現(xiàn)象域無法觀察到的現(xiàn)象, ,例如例如, ,圖圖4.444.44所示的鎖相環(huán)路中壓控振所示的鎖相環(huán)路中壓控振蕩器中蕩器中(VCO)(VCO)的頻率階躍響應(yīng)。的頻率階躍響應(yīng)。 圖圖4.43 4.43 一個(gè)頻率跳變信號(hào)的三維波形一個(gè)頻率跳變信號(hào)的三維波形F FV VT T調(diào)制域調(diào)制域頻域頻域時(shí)域時(shí)域圖圖4.44 4.44 鎖

57、相環(huán)中的頻率階躍響應(yīng)鎖相環(huán)中的頻率階躍響應(yīng)t tf f0 0f f2 2f f1 14.7.2 4.7.2 調(diào)制域分析的關(guān)鍵技術(shù)調(diào)制域分析的關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制域分析主要是研究頻率隨時(shí)間變化情況調(diào)制域分析主要是研究頻率隨時(shí)間變化情況, ,因此其關(guān)鍵的技因此其關(guān)鍵的技術(shù)是要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)地測(cè)量頻率。而通用電子計(jì)數(shù)器：術(shù)是要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)地測(cè)量頻率。而通用電子計(jì)數(shù)器： 準(zhǔn)備準(zhǔn)備期期（復(fù)零，等待）（復(fù)零，等待）顯示顯示期期（關(guān)門，（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）停止計(jì)數(shù)）測(cè)量測(cè)量期期（開門，計(jì)數(shù)）（開門，計(jì)數(shù)）圖圖4.6 4.6 電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖“死區(qū)死區(qū)”時(shí)間時(shí)間, ,不能連續(xù)不不能連續(xù)不斷地

58、進(jìn)行測(cè)頻斷地進(jìn)行測(cè)頻“Zero Dead Time Counter”(“Zero Dead Time Counter”(無死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器無死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器, ,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱ZDTZDT計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器) ) 圖圖4.45 ZDT4.45 ZDT計(jì)數(shù)原理框圖計(jì)數(shù)原理框圖過零點(diǎn)過零點(diǎn)處處 理理時(shí)時(shí) 基基發(fā)生器發(fā)生器事事 件件計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器時(shí)時(shí) 間間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 和和預(yù)處理預(yù)處理被測(cè)被測(cè)信號(hào)信號(hào)( e( e ) ) ( a ) ( a ) ( b( b ) ) ( c ) ( c ) 圖圖4.46 ZDT4.46 ZDT計(jì)數(shù)器工作原理波形圖計(jì)數(shù)器工作原理波形圖( d ( d ) ) t tt tt t

59、t tt tu u e e T T 0 0 T T 2 2 T T 1 1 u u d d u u d d u u b b u u a a f f 1 1 f f 2 2 無死區(qū)計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)可以有多種方案，如雙路計(jì)數(shù)法、周期無死區(qū)計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)可以有多種方案，如雙路計(jì)數(shù)法、周期記時(shí)法、移位存儲(chǔ)法和雙路計(jì)數(shù)器加內(nèi)插補(bǔ)償法等。美國(guó)原記時(shí)法、移位存儲(chǔ)法和雙路計(jì)數(shù)器加內(nèi)插補(bǔ)償法等。美國(guó)原HPHP公司根據(jù)圖公司根據(jù)圖4.454.45的原理做成了專用集成電路，并先后推的原理做成了專用集成電路，并先后推出了幾種型號(hào)（如出了幾種型號(hào)（如HP5372AHP5372A）的調(diào)制域分析儀。）的調(diào)制域分析儀。4.7.3

60、4.7.3 調(diào)制域分析的應(yīng)用調(diào)制域分析的應(yīng)用 調(diào)制域分析儀的主要測(cè)量對(duì)象為：頻率；周期；時(shí)間間隔（調(diào)制域分析儀的主要測(cè)量對(duì)象為：頻率；周期；時(shí)間間隔（正負(fù)時(shí)間間隔、連續(xù)時(shí)間間隔）；實(shí)時(shí)運(yùn)算的時(shí)間間隔直方正負(fù)時(shí)間間隔、連續(xù)時(shí)間間隔）；實(shí)時(shí)運(yùn)算的時(shí)間間隔直方圖；相位偏移（單通道）和圖；相位偏移（單通道）和A A相對(duì)相對(duì)B B的相位；時(shí)間偏差（抖動(dòng)）的相位；時(shí)間偏差（抖動(dòng)）；專門測(cè)量（包括脈沖寬度、占空比和上升下降時(shí)間等）等；專門測(cè)量（包括脈沖寬度、占空比和上升下降時(shí)間等）等，可直接通過各種不同的測(cè)量獲取結(jié)果。，可直接通過各種不同的測(cè)量獲取結(jié)果。 調(diào)制域分析儀的主要分析功能有：頻率、相位、時(shí)間間隔相