时间与频率的测量培训课件1.ppt

1、4.1.2 4.1.2 电子计数器概述电子计数器概述1 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类 2 2）主要技术指标）主要技术指标 3 3）电子计数器的发展）电子计数器的发展 时间有两个含义：时间有两个含义：“时刻时刻”：即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；“时间间隔时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义：频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s）内的变化次数）内的变化次数（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定时间间隔时间间隔T T内周期信号重复变化内周期信号重复变化了了N N次次，则频率可表达为：，则频率可

2、表达为：3）测测量量差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法杂杂程程度度不不同。同。u各各种种测测量量方方法法有有着着不不同同的的测测量量准准确确度度和和适适用用的的频频率率范范围围。u数数字字化化电电子子计计数数器器法法是是时时间、间、频频率率测测量量的的主主要要方方法，法，是是本本章章的的重重点。点。4.1.2 电子计数器概述为为如如下下四四类：类：（1 1）通通用用计计数数器器：可可测测量量频频率、率、频频率率比、比、周周期、期、时时间间间间隔、隔、累累加加计计数数等。等。其其测测量量功功能能可可扩扩展。展。（2 2）

3、频频率率计计数数器器：其其功功能能限限于于测测频频和和计计数。数。但但测测频频范范围围往往往往很很宽。宽。（3 3）时时间间计计数数器器：以以时时间间测测量量为为基基础，础，可可测测量量周周期、期、脉脉冲冲参参数数等，等，其其测测时时分分辨辨力力和和准准确确度度很很高。高。（4 4）特特种种计计数数器器:具具有有特特殊殊功功能能的的计计数数器。器。包包括括可可逆逆计计数数器、器、序序列列计计数数器、器、预预置置计计数数器器等。等。用用于于工工业业测测控。控。1）电电子子计计器。器。u按按测测量量范范围围可可分分为：为：（1 1）低低速速计计数数器器（低低于于1 10 0M MH Hz z）（2

4、 2）中中速速计计数数器器（1 10 0 1 10 00 0M MH Hz z）（3 3）高高速速计计数数器器（高高于于1 10 00 0M MH Hz z）（4 4）微微波波计计数数器器（1 1 8 80 0G GH Hz z）4.2 时时间间1 1）天天文文时时标标2 2）原原子子时时标标4.4.2.2.2 2 石石英英晶晶体体振振荡荡器器1 1）组组成成2 2）指指标标4.4.2.2.2 2 石石英英晶晶体体振振荡荡器器（简简称称“晶晶振振”）为为基基准准信信号号源。源。u基基于于压压电电效效应应产产生生稳稳定定的的频频率率输输出。出。但但是是晶晶振振频频率率易易受受温温度度影影响响（其

5、其频频率率-温温度度特特性性曲曲线线有有拐拐点，点，在在拐拐点点处处最最平平坦）坦），普普通通晶晶体体频频率率准准确确度度为为10-5。u采采用用温温度度补补偿偿或或恒恒温温措措施施（恒恒定定在在拐拐点点处处的的温温度）度）可可得得到到高高稳稳定、定、高高准准确确的的频频率率输输出。出。u下下图图为为恒恒温温晶晶振振的的组组成。成。1）A AG GC C放放大大器器温温度度控控制制隔隔离离放放大大器器加加热热器器传传感感器器输输出出频频率率调调整整晶晶体体电电路路绝绝热热层层f fx xM ML LI IC C012xffL C012xffLCR R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C

6、 C1 1C C2 2f fx x1 2 1 2122xxfRRCCx1x2jjCC143211（R+）R（）R1R312214RRCRCR1x22x110RCRC1212122xxfR R CC12xfRCxsfN f4.4.3.3.2 2 数数4.4.3.3.2 2 数数测测量量方方法法称称为为门门控控计计数数法法。其其原原理理如如下下图图所所示。示。上上图图为为由由“与与”逻逻辑辑门门作作为为闸闸门，门，其其门门控控信信号号为为1时时闸闸门门开开启启（允允许许计计数）数），为为0时时闸闸门门关关闭闭（停停止止计计数）数）。测测频频时，时，闸闸门门开开启启时时间间（称称为为“闸闸门门时时间

7、间”）即即为为采采样样时时间间。测测时时间间（间间隔）隔）时，时，闸闸门门开开启启时时间间即即为为被被测测时时间间。与与门门T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C2 2）通通用用计计数数示：示：2 2）通通用用计计数数4.4.4.4.1 1 电电子子数字显示器寄存器十进制计数器 A通道(放大、整形)B 通 道(放大、整形)主 门功能开关闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时标选择12345332112445时基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us

8、10ns控制时序电路开门锁存复位控制时序电路波形1 1）A A、B B（包包括括出出发发电电平平调调节）节）等等单单元元电电路路构构成。成。其其作作用用是是对对输输入入信信号号处处理理以以产产生生符符合合计计数数要要求求（波波形、形、幅幅度）度）的的脉脉冲冲信信号号。通通过过预预定定标标器器（外外插插件）件）还还可可扩扩展展频频率率测测量量范范围围。斯斯密密特特触触发发电电路：路：利利用用斯斯密密特特触触发发器器的的回回差差特特性性，对对输输入入信信号号具具有有较较好好的的抗抗干干扰扰作作用。用。序号计数端信号控制端信号测试功能计数结果1内时钟（T0）内时钟（T）自检N=T/T02被测信号（f

9、x）内时钟（T）测量频率（A）fxN/T3内时钟（T0）被测周期（Tx）测量周期（B）TxNT04被测信号（fA）被测信号（fB）测量频率比（A/B）fA/fB=N5内时钟（T0）被测信号相应间隔tB-C测量时间间隔（A-B）tB-C=NT06外输入（TA）被测信号相应间隔tB-C测量外控时间间隔B-CtB-C=NTA7外待测信号（Nx）手控或遥控累加计数（A）NxN8内时钟（秒信号）手控或遥控计时 N（秒）与与门门T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C3 3）计计数数与与（计计数数值值代代表表了了被被测测频频率率或或时时间）间），并并通通过过数数码码显显示示器器将

10、将测测量量结结果果直直观观地地显显示示出出来。来。为为了了便便于于观观察察和和读读数，数，通通常常使使用用十十进进制制计计数数电电路路。计计数数电电路路的的重重要要指指标：标：最最高高计计数数频频率率。计计数数电电路路一一般般由由多多级级双双稳稳态态电电路路构构成，成，受受内内部部状状态态翻翻转转的的时时间间限限制，制，使使计计数数电电路路存存在在最最高高计计数数频频率率的的限限制制。而而且且对对多多位位计计数数器，器，最最高高计计数数频频率率主主要要由由个个位位计计数数器器决决定。定。不不同同电电路路具具有有不不同同的的工工作作速速度：度：如如7 74 4L LS S（7 74 4H HC

11、C）系系列列为为3 30 0 4 40 0M MH Hz z；7 74 4S S系系列列为为1 10 00 0M MH Hz z；C CM MO OS S电电路路约约5 5M MH Hz z；E EC CL L电电路路可可达达6 60 00 0M MH Hz z。3 3）计计数数与与的的中中小小规规模模IC如：如：74LS90（MC11C90）十十进进制制计计数数器；器；74LS390、CD4018(MC14018)为为双双十十进进制制计计数数器。器。可可编编程程计计数数器器IC如：如：Intel8253/8254等。等。u显显示示器器LED、LCD、荧荧光光（VFD）等。等。u显显示示电电路

12、：路：包包括括锁锁存、存、译译码、码、驱驱动动电电路。路。如如74LS47、CD4511等。等。u专专用用计计数数与与显显示示单单元元电电路：路：如如ICM7216D。4 4）时时基基数数器器频频率率和和时时间间测测量量的的本本地地工工作作基基准，准，应应当当具具有有高高稳稳定定度度和和高高准准确确度。度。多多值值性性：为为了了适适应应计计数数器器较较宽宽的的测测量量范范围，围，要要求求“闸闸门门时时间间”和和“时时标标”可可多多档档选选择。择。常常用用“闸闸门门时时间间”有：有：1ms、10ms、100ms、1s、10s。常常用用的的“时时标标”有：有：10ns、100ns、1us、10us

13、、100us、1ms。5 5）控控元元的的工工作，作，使使整整机机按按“复复零零测测量量显显示示”的的工工作作程程序序完完成成自自动动测测量量的的任任务。务。如如下下图图所所示：示：准备期准备期（复零，等待）复零，等待）测量期测量期 （开门，计数）（开门，计数）显示期显示期（关门，停止计数）（关门，停止计数）4.4.4.4.2 2 电电子子计计现现频频率率测测量。量。根根据据上上式式的的频频率率定定义，义，T为为采采样样时时间，间，N为为T内内的的周周期期数。数。采采样样时时间间T预预先先由由闸闸门门时时间间Ts确确定定（时时基基频频率率为为fs）。则则或或该该式式表表明，明，在在数数字字化化

14、频频率率测测量量中，中，可可用用计计数数值值N表表示示fx。它它体体现现了了数数字字化化频频率率测测量量的的比比较较法法测测量量原原理理。例例如：如：闸闸门门时时间间Ts=1s，若若计计数数值值N=10000，则则显显示示的的fx为为“10000”Hz，或或“10.000”kHz。如如闸闸门门时时间间Ts=0.1s，则则计计数数值值N=1000，则则显显示示的的fx为为“10.00”kHz。请请注注意：意：显显示示结结果果的的有有效效数数字字末末位位的的意意义，义，它它表表示示了了频频率率测测量量的的分分辨辨力力（应应等等于于时时基基频频率率fs）。TNfxssNfNfTxsxsf.TTTN1

15、）频频内内部部时时基）基）u为为便便于于测测量量和和显显示，示，计计数数器器通通常常为为十十进进制制计计数数器器，多多档档闸闸门门时时间间设设定定为为10的的幂幂次次方方，这这样样可可直直接接显显示示计计数数结结果，果，并并通通过过移移动动小小数数点点和和单单位位的的配配合，合，就就可可得得到到被被测测频频率。率。u测测量量速速度度与与分分辨辨力力：闸闸门门时时间间Ts为为频频率率测测量量的的采采样样时时间，间，Ts愈愈大，大，则则测测量量时时间间愈愈长，长，但但计计数数值值N愈愈大，大，分分辨辨力力愈愈高。高。TB放大、整形放大、整形闸闸门门门控电路门控电路计数计数显示显示Afx分频电路分频

16、电路时基时基Ts4.4.4.4.2 2 电电子子计计BAABTfNTf由由B通通道道输输入。入。提提高高频频率率比比的的测测量量精精度：度：扩扩展展B通通道道信信号号的的周周期期个个数数。例例如：如：以以B通通道道信信号号的的10个个周周期期作作为为闸闸门门信信号，号，则则计计数数值值为：为：,即即计计数数值值扩扩大大了了10倍，倍，相相应应的的测测量量精精度度也也就就提提高高了了10倍。倍。为为得得到到真真实实结结果，果，需需将将计计数数值值N缩缩小小10倍倍（小小数数点点左左移移1位）位），即即应应用：用：可可方方便便地地测测得得电电路路的的分分频频或或倍倍频频系系数。数。1 0ABfNf

17、2）频频率率1010BAABTfNTf期期测测量。量。对对被被测测周周期期Tx，用用已已知知的的较较小小单单位位时时间间刻刻度度T0（“时时标标”）去去量量化，化，由由Tx所所包包含含的的“时时标标”数数N即即可可得得到到Tx。即即该该式式表表明，明，“时时标标”的的计计数数值值N可可表表示示周周期期Tx。也也体体现现了了时时间间间间隔隔（周周期）期）的的比比较较测测量量原原理理。实实现：现：由由Tx得得到到闸闸门门；在在Tx内内计计数数器器对对时时标标计计数。数。Tx由由B通通道道输输入，入，内内部部时时标标信信号号由由A通通道道输输入入（A通通道道外外部部输输入入断断开）开）。4.4.4.

18、4.2 2 电电子子计计0 xTNT3）周周期期VBVc起始起始停止停止开门时间开门时间C(50%)B(50%)起始起始停止停止开门时间开门时间VBVcB(50%)C-(50%)(50%)B B+(50%)C +(50%)(50%)C(90%)闸门信号闸门信号关门信号关门信号开门信号开门信号B(10%)4）时时间间间间量量两两个个同同频频率率的的信信号号之之间间的的相相位位差。差。两两个个信信号号分分别别由由B、C通通道道输输入，入，并并选选择择相相同同的的触触发发极极性性和和触触发发电电平。平。测测量量原原理理如如下下图：图：为为减减小小测测量量误误差，差，分分别别取取+、-触触发发极极性性

19、作作两两次次测测量，量，得得到到t1、t2再再取取平平均，均，则则221tt 4.4.4.4.2 2 电电子子计计放 大、放 大、整形整形晶振晶振放 大、放 大、整形整形闸闸门门计数器计数器显示显示门控电路门控电路分频电路分频电路T0Tx0sTNT4.5 电电子子计计数数4.4.5.5.1 1 测测量量1 1）量量12xsNfTtt 12,sxxxTNTTttT 12(1)(1)xsxNTTttNT 1211sxTttNNT 12tt、12tt 4.4.5.5.1 1 测测量量经经过过通通道道电电路路放放大、大、整整形形等，等，得得到到脉脉冲冲信信号，号，即即输输入入信信号号(转转换换为为)脉

20、脉冲冲信信号号。这这种种转转换换要要求求只只对对信信号号幅幅值值和和波波形形变变换，换，不不能能改改变变其其频频率率。但但是，是，若若输输入入被被测测信信号号叠叠加加有有干干扰扰信信号号，则则信信号号的的频频率率（周周期）期）及及相相对对闸闸门门信信号号的的触触发发点点就就可可能能变变化。化。由由此此产产生生的的测测量量误误差差称称为为“触触发发误误差差”，也也称称为为“转转换换误误差差”。如如图。图。周周期期为为T Tx x的的输输入入信信号，号，触触发发电电平平在在A A1 1点，点，但但在在A A1 1点点上上有有干干扰扰信信号号(幅幅度度V Vn n)。提提前前触触发发,周周期期T T

21、x xT Tx x。4.4.5.5.1 1 测测量量标标是是频频率率和和时时间间间间隔隔测测量量的的参参考考基基准，准，它它们们由由内内部部晶晶体体振振荡荡器器（标标准准频频率率源）源）分分频频或或倍倍频频后后产产生。生。因因此，此，其其准准确确度度和和测测量量时时间间之之内内的的短短期期稳稳定定度度将将直直接接影影响响测测量量结结果。果。通通常，常，要要求求标标准准频频率率误误差差小小于于测测量量误误差差的的一一个个数数量量级级。因因此，此，内内部部晶晶振振要要求求较较高高稳稳定定性。性。若若不不能能满满足足测测量量要要求，求，还还可可外外接接更更高高准准确确度度的的外外部部基基准准源源。4

22、.4.5.5.2 2 频频率率测测=N N/T Ts s=N Nf fs s，计计数数器器直直接接测测频频的的误误差差主主要要由由两两项项组组成：成：即即量量化化误误差差（1 1误误差）差）和和标标准准频频率率误误差。差。总总误误差差采采用用分分项项误误差差绝绝对对值值合合成，成，即即:式式中，中，即即为为1 1误误差，差，其其最最大大值值为为,而而由由于于f fs s由由晶晶振振(f fc)c)分分频频得得到，到，设设f fs s=f fc c/k k，则则于于是，是，频频率率测测量量的的误误差差表表达达式式可可写写成：成：xsxsffNfNfN1N scscffffssxxTNT fT1x

23、cxsxcfffT ff 1 1）误误差差4.4.5.5.2 2 频频率率测测可可知，知，量量化化误误差差为为它它是是频频率率测测量量的的主主要要误误差差（标标准准频频率率误误差差一一般般可可忽忽略）略）。为为减减小小量量化化误误差，差，需需增增大大计计数数值值N：增增大大闸闸门门时时间间Ts或或在在相相同同的的闸闸门门时时间间内内测测量量较较高高的的频频率率可可得得到到较较大大的的N。但但需需注注意：意：增增大大闸闸门门时时间间将将降降低低测测量量速速度度，并并且且计计数数值值的的增增加加不不应应超超过过计计数数器器的的计计数数容容量量，否否则则将将产产生生溢溢出出（高高位位无无法法显显示）

24、示）。例例如：如：一一个个6位位的的计计数数器，器，最最大大显显示示为为999999，当当用用Ts=10s的的闸闸门门测测量量fx=1MHz时时,应应显显示示“1000000.0”Hz或或1.0000000”MHz,显显然然溢溢出出。1xcxsxcfffT ff xsfTNNN114.4.5.5.2 2 频频率率测测选选择择闸闸门门时时间间T Ts s1 1s s，则则由由1 1误误差差产产生生的的测测频频误误差差(不不考考虑虑标标准准频频率率误误差差)为：为：若若T Ts s增增加加为为1 10 0s s，则则计计数数值值增增加加1 10 0倍，倍，相相应应的的测测频频误误差差也也降降低低1

25、 10 0倍，倍，为为1 11 10 07 7，但但测测量量时时间间将将延延长长1 10 0倍。倍。注注意：意：该该例例中，中，当当选选择择闸闸门门时时间间T Ts s1 1s s时，时，要要求求标标准准频频率率误误差差优优于于1 11 10 07 7（即即比比量量化化误误差差高高一一个个数数量量级）级），否否则，则，标标准准频频率率误误差差在在总总测测量量误误差差中中不不能能忽忽略。略。6610110111xxff4.4.5.5.3 3 周周期期测测由测周的基本表达式：由测周的基本表达式：根据误差合成公式，可得：根据误差合成公式，可得：式中，式中，和和 分别为量化误差和时标周期误差。分别为量

26、化误差和时标周期误差。由由 (Tc为晶振周期，为晶振周期，k为倍频或分频比为倍频或分频比)，有：有：而计数值而计数值N为：为：所以，所以，00TTNNTTxxxcNkNT f0 xTN TccxxccxccTfTkkTT fTT ff 1NNN00TT0cTkT00ccccTTfTTf 0 xxxccTTT fNTkTk4.4.5.5.3 3 周周期期测测中，中，第第一一项项即即为为量量化化误误差差。它它表表示示Tx愈愈大大（被被测测信信号号的的频频率率愈愈低）低），则则量量化化误误差差愈愈小，小，其其意意义义为为Tx愈愈大大则则计计入入的的时时标标周周期期数数N愈愈大。大。另另外，外，晶晶振

27、振的的分分频频系系数数k愈愈小，小，则则时时标标周周期期愈愈小，小，在在相相同同的的Tx内内计计数数值值愈愈大。大。此此外，外，第第二二项项为为标标准准频频率率误误差差，通通常常也也要要求求小小于于测测量量误误差差的的一一个个数数量量级，级，这这时时就就可可作作为为微微小小误误差差不不予予考考虑。虑。为为减减小小量量化化误误差，差，应应增增加加计计数数值值N，但但也也需需注注意意不不可可使使其其溢溢出出。例例如：如：一一个个6位位的的计计数数器，器，最最大大显显示示为为999999,当当用用T0=1us的的时时标标测测量量Tx=10s(fx=0.1Hz)时时,应应显显示示“10000000”u

28、s或或“10.000000”s,显显然然溢溢出出。ccxxccxccTfTkkTT fTT ff 4.4.5.5.3 3 周周期期测测sxTNT0 xTNT0smmTTTT0msTTT01msfTT4.4.5.5.3 3 周周期期测测1T4 4）触触xxTTTsinxmxvVttanxBxvVdvdttannVTtan22)(12sin12cosmBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBxtan2nxnmVTVTV4 4）触触对对正正弦弦输输入入信信号，号，常常选选择择过过零零点点为为触触发发点点（具具有有最最陡陡峭峭的的斜斜率）率），则则触触发发点点电电压压VB满满足：足

29、：于于是，是，有：有：若若考考虑虑在在一一个个周周期期开开始始和和结结束束时时可可能能都都存存在在触触发发误误差，差，分分别别用用表表示，示，并并按按随随机机误误差差的的均均方方根根合合成，成，得得到：到：结结论：论：测测周周时时为为减减小小触触发发误误差，差，应应提提高高信信噪噪比比。BmVV12TT、22122xnnmTVTTTV4.4.6 6 高高分分辨辨时时间间4.4.6.6.1 1 多多周周期期10110nnscfxcTTNTNTNNTxTs=10nTcTcNffxfc/Nfc1 1）倒倒数数10110nnscfxcTTNTNTN1fNN1ccfNTN触触发发器器主主门门I I时时钟

30、钟f fc c计计数数器器I I定定标标器器计计数数器器I II I主主门门I II I门门I II II I时时基基分分频频器器CTxTxcTNT预预置置到到1 10 05 5N NcfN10ncT 4.4.6.6.1 1 多多周周期期量量化化误误差差是是由由于于闸闸门门与与被被测测信信号号的的非非同同步步引引起起的。的。为为减减小小量量化化误误差，差，必必须须使使闸闸门门时时间间等等于于被被测测信信号号整整周周期期数数。设设计计原原理理采采用用预预置置闸闸门门，用用fx对对预预置置闸闸门门同同步，步，在在实实际际的的同同步步闸闸门门时时间间内内同同时时对对fx计计数数得得被被测测信信号号整

31、整周周期期计计数数得得Nx。为为确确定定同同步步闸闸门门时时间，间，用用另另一一计计数数器器对对标标准准频频率率f0计计数数得得N0。2 2）多多周周0确确定，定，则：则：误误差：差：Nx无无1误误差差，N0存存在在1误误差，差，但但一一般般N0较较大，大，1/N0较较小。小。实实现：现：基基于于微微处处理理器器，控控制制预预置置闸闸门门（软软件件发发出）出），计计算算频频率率结结果。果。可可实实现现不不同同闸闸门门时时间间内内的的等等精精度度测测量量。0000 xxxxsNNNffTN TN2 2）多多周周单单个个周周期期确确定。定。在在干干扰扰信信号号下，下，被被测测信信号号周周期期的的触

32、触发发前前后后存存在在的的触触发发误误差差（转转换换误误差）差）。原原理：理：为为降降低低对对单单个个周周期期测测量量的的影影响，响，利利用用的的随随机机性，性，可可由由多多个个周周期期构构成成闸闸门门时时间，间，使使相相邻邻周周期期的的相相互互抵抵消。消。如如下下图。图。例例如：如：由由10个个周周期期构构成成闸闸门门时时间间测测量，量，触触发发误误差差降降为为1/10。同同时，时，由由于于计计数数值值也也增增大大了了10倍，倍，则则1误误差差也也减减小小为为1/10。电电子子计计数数器器面面板板上上的的“周周期期倍倍乘乘”可可选选择择周周期期数，数，通通常常有：有：1、10、100、100

33、0等等多多档档选选择。择。12TT、12TT、12TT、12TT、10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A102 2）多多周周12xncxxcmcTVfkTmT fVfm 4.4.6.6.2 2 模模误误差，差，需需减减小小时时标标以以增增大大计计数数值，值，但但时时标标的的减减小小受受时时基基电电路路和和计计数数器器最最高高工工作作频频率率限限制，制，而而计计数数器器也也有有最最大大计计数数容容量量的的限限制制（最最大大计计数数值值）。内内插插法法对对已已存存在在的的量量化化误误差，差，测测量量出出量量化化单单位位以以下下的的尾尾数数(零零头头时时间

34、间)。如如下下图图所所示，示，则则准准确确的的T Tx x为：为：T Tx x=T T0 0+T T1 1-T T2 2为为实实现现T T1 1-T T2 2的的测测量，量，有有模模拟拟和和数数字字两两种种方方法法。输输入入信信号号起起始始终终止止时时钟钟脉脉冲冲xT1T0T2T4.4.6.6.2 2 模模于于时时标）标），采采用用普普通通的的“时时标标计计数数法法”难难以以实实现现（需需要要非非常常小小的的时时标）标）。其其实实现现的的基基本本思思路路是：是：对对T T1 1和和T T2 2作作时时间间扩扩展展（放放大）大）后后测测量量。u三三次次测测量量若若T1、T2均均扩扩展展k倍，倍，

35、采采用用同同一一个个时时标标（设设为为）分分别别测测量量T0、kT1、kT2，设设计计数数值值分分别别为：为：N0、N1、N2，则：则：u意意义：义：上上式式由由于于不不存存在在量量化化误误差，差，总总量量化化误误差差由由(N1-N2)引引起，起，降降低低了了k倍。倍。相相当当于于用用时时标标的的普普通通时时间间测测量。量。01201200 xNNTTTTNk000TN0/k4.4.6.6.2 2 模模所所示：示：工工作作原原理理以以恒恒流流源源对对电电容容器器C充充电，电，设设充充电电时时间间为为T1，而而以以(k-1)T1（可可近近似似为为kT1）时时间间缓缓慢慢放放电，电，当当放放电电到

36、到原原电电平平时，时，所所经经历历的的时时间间为：为：T1=T1+(k-1)T1=kT1，即即得得到到T1的的k倍倍时时间间扩扩展。展。在在kT1时时间间内内对对时时标标计计数。数。整整形形、门门控控C C恒恒流流源源1kT1T起起始始控控制制信信号号(k k取取9 99 99)9)，即：即：T T1 1T T1 19 99 99 9T T1 11 10 00 00 0T T1 1在在T T1 1时时间间内内对对时时标标计计数数得得N N1 1，则则类类似似地：地：T T2 2T T2 29 99 99 9T T2 21 10 00 00 0T T2 2在在T T2 2时时间间内内对对时时标标

37、计计数数得得N N2 2，则则于于是：是：内内插插后后测测量量分分辨辨力力提提高高了了1 10 00 00 0倍。倍。校校准准技技术术内内插插扩扩展展技技术术可可大大大大提提高高测测时时分分辨辨力力,但但测测量量前前需需进进行行校校准。准。1011 0 0 0NT2021000N TT 2021 0 0 0NT12x00)1000NNTN（4.4.6.6.2 2 模模004.4.6.6.3 3 理理和和游游标标卡卡尺尺的的原原理理相相似，似，是是利利用用相相差差很很微微小小的的两两个个量，量，对对其其量量化化单单位位以以下下的的差差值值进进行行多多次次的的叠叠加，加，直直到到叠叠加加的的值值达

38、达到到一一个个量量化化单单位位为为止，止，通通过过相相关关的的计计算算便便可可以以获获得得较较精精确确的的差差值。值。设设主主时时钟钟频频率率F F0 01 11 1/T T0 01 1和和游游标标时时钟钟F F0 02 21 1/T T0 02 2。F F0 01 1 F F0 02 2(T T0 01 1 T T0 02 2)且且F F0 01 1和和F F0 02 2非非常常接接近。近。即即差差值值T T0 0=T T0 02 2T T0 01 1很很小。小。如如T01=10ns，T02=11ns，则则T T0 0=T T0 02 2T T0 01 1=1ns。双双游游标标法法的的工工作

39、作原原理理如如下下图。图。起起始始脉脉冲冲停停止止脉脉冲冲输输入入信信号号开开门门脉脉冲冲（Q Q1 1）(R R-S S触触发发器器)开开门门脉脉冲冲（Q Q2 2）(D D触触发发器器)主主时时钟钟（F F0 01 1）游游标标脉脉冲冲1 1（F F0 02 2）游游标标脉脉冲冲2 2（F F0 02 2）x01 12 23 34 45 56 67 78 89 96 6N N2 2=6 6N N0 0=8 8N N1 1=4 4T T0 01 1T T0 02 2T T0 02 2符符合合点点2 2符符合合点点1 11 12 23 34 45 51 12 23 34 45 512游标法示意

40、图4.4.6.6.3 3 12、11 011 02N TN T11020110()N TTNT4.4.6.6.3 3 22020120()N TTNT012001120()xN TNNT010100201TTKTTT020111TTK00201011TTTTK011200112001()()xTNNN TNNNTKK01012()TN KNNK4.4.6.6.4 4 121111.nNNNN121111.nNNNN11xxxxTfTfNn 4.4.6.6.4 4 11niiNNn1/n4.4.6.6.4 4 法法依依赖赖于于各各单单次次测测量量的的量量化化误误差差的的随随机机性性，即即要要求求

41、闸闸门门开开启启/关关闭闭时时刻刻和和被被测测信信号号脉脉冲冲之之间间具具有有真真正正的的随随机机性。性。否否则，则，各各单单次次测测量量的的量量化化误误差差就就不不具具有有随随机机误误差差的的抵抵偿偿性。性。实实现现原原理理采采用用齐齐纳纳二二极极管管产产生生的的噪噪声声对对时时基基脉脉冲冲进进行行随随机机相相位位调调制，制，使使时时基基脉脉冲冲具具有有随随机机的的相相位位抖抖动。动。原原理理图图下下图图是是一一个个实实用用的的测测量量方方案。案。基基准准振振荡荡器器倍倍频频器器1 10 0M MH Hz z具具有有变变容容调调相相器器的的1 10 0M MH Hz z回回路路K KA AG

42、 GC C放放大大器器E E齐齐纳纳噪噪声声源源5 50 00 0M MH Hz z已已调调制制时时基基脉脉冲冲5 50 04.4.6.6.4 4 xsIfN ff混频器混频器差频放大器差频放大器电子计数器电子计数器谐波滤波器谐波滤波器谐波发生器谐波发生器输入输入f fx xf fI If fs s4.4.7.7.1 1 方方框框图图如如下下图图所所示。示。混频器差频放大器电子计数器谐波滤波器（YIG电调滤波器）谐波发生器（阶跃恢复二极管）输入fxfI 输入fs 输出Nfs扫描捕获电路检波器fI（fx-Nfs）4.4.7.7.1 1 号号fs。采采用用阶阶跃跃恢恢复复二二极极管，管，以以产产生

43、生丰丰富富的的谐谐波波Nfs。谐谐波波滤滤波波器器：采采用用Y YI IG G（单单晶晶铁铁氧氧体体材材料）料）电电调调谐谐滤滤波波器，器，其其谐谐振振频频率率可可在在很很宽宽范范围围实实现现电电调。调。扫扫描描捕捕获获电电路路：产产生生阶阶梯梯波波电电流，流，控控制制Y YI IG G的的外外加加磁磁场，场，使使Y YI IG G的的谐谐振振频频率率从从低低到到高高步步进进式式地地改改变变，从从而而可可逐逐次次选选出出不不同同的的各各次次谐谐波。波。差差频频放放大大器、器、检检波波器器：当当谐谐波波滤滤波波器器输输出出的的某某次次谐谐波波N Nf fs s与与待待测测频频率率f fx x的的

44、差差频频f fI I（f fx xN Nf fs s）落落在在差差频频放放大大器器的的带带宽宽（1 11 10 01 1M MH Hz z）范范围围内内时，时，f fI I经经放放大、大、检检波波后后输输出出一一直直流流电电压，压，使使扫扫描描捕捕获获电电路路停停止止扫扫描，描，因因而而Y YI IG G固固定定地地调调谐谐在在N N次次谐谐波波上上。4.4.7.7.1 1 4.4.7.7.2 2 混频器压控振荡器电 子 计 数器鉴相器fx-NfLfsfLNfLxLsfNff4.4.7.7.2 2 4.4.7.7.2 2 4.8 频频率率稳稳定定度度稳稳定定度度2 2）长长期期频频率率稳稳定定

45、度度的的表表征征3 3）短短期期频频率率稳稳定定度度的的表表征征4.4.8.8.2 2 阿阿仑仑方方差差的的测测量量4.4.8.8.1 1 频频率率的的参参考考标标准准为为内内部部晶晶体体振振荡荡器。器。晶晶体体振振荡荡器器存存在在老老化化与与漂漂移移，因因此，此，需需要要进进行行定定期期校校准准（微微调）调）。校校准准方方法法为为将将晶晶体体振振荡荡器器输输出出作作为为被被测测信信号，号，用用上上一一级级更更准准确确的的频频率率标标准准为为参参考，考，进进行行测测量量称称为为“频频率率计计量量”。测测量量的的主主要要内内容容为为“频频率率稳稳定定度度”。1 1）频频率率稳稳定定度度频频率率准

46、准确确度度频频率率源源输输出出的的实实际际频频率率值值f fx x对对其其标标称称值值f f0 0的的相相对对频频率率偏偏差。差。即：即：00,xfffff 1 1）频频率率外外因因素素的的影影响，响，总总是是在在不不断断地地变变化化着，着，大大体体上上可可分分为：为：(1)1)系系统统性性的的或或确确定定性性的的变变化化（如如老老化）化）；(2)2)非非确确定定性性的的或或随随机机性性的的变变化化（频频率率随随机机起起伏）伏）。因因此，此，频频率率准准确确度度只只能能表表示示当当前前测测量量（取取样样时时间）间）的的准准确确度，度，它它是是时时间间t t的的函函数。数。频频率率准准确确度度随

47、随时时间间的的变变化化即即为为频频率率稳稳定定度度。它它表表征征频频率率源源维维持持其其工工作作于于恒恒定定频频率率上上的的能能力。力。长长期、期、短短期期稳稳定定度度对对频频率率稳稳定定度度的的描描述述引引入入时时间间概概念，念，即即在在一一定定时时间间间间隔隔内内的的频频率率稳稳定定度，度，则则有有长长期期稳稳定定度度与与短短期期稳稳定定度度。长长期期年、年、月、月、日；日；短短期期秒秒级。级。2010210000021ffffffffKfffff4.4.8.8.1 1 频频率率频频率率平平均均漂漂移移作作为为长长期期稳稳定定度度的的表表征征，叫叫做做“日日老老化化率率”。（上上图图中中的

48、的时时间间取取为为一一天）天）日日老老化化率率的的测测量量显显然，然，每每天天的的“日日老老化化率率”会会有有所所变变化化，实实际际中中连连续续测测一一周周或或一一个个月。月。设设每每天天测测一一个个数数据，据，共共测测n n天，天，得得f f1 1,f f2 2,f fi i,f fn n,利利用用最最小小二二乘乘法法拟拟合合得得到到老老化化曲曲线线:则则其其斜斜率率(估估计计值值)相相对对f f0 0比比值值即即为为日日老老化化率率（下下图图a a）。ft0Kf4.4.8.8.1 1 频频率率体体振振荡荡器器除除老老化化漂漂移移外，外，一一天天内内还还将将产产生生频频率率的的随随机机起起伏

49、伏，如如图图（b b）所所示。示。日日波波动动综综合合表表征征了了老老化化漂漂移移和和随随机机起起伏伏。121()()()niiiniifftttt11111,1 2.nniiiiffttnnnnf f1 1f f2 21 1天天tf210ffKff fm mi in nf fm ma ax x1 1天天tfmaxmin0ffSfa图b图m a xm in0ffSf4.4.8.8.1 1 频频率率00,xfffff 00()sin2()v tAf tt()t0()()(),()2tdtf tffftdt 00()/2ftff4.4.8.8.1 1 频频率率起起伏伏为为随随机机变变量，量，因因此

50、此可可用用其其取取样样方方差差来来表表示。示。标标准准偏偏差：差：由由于于即，即，相相对对频频率率起起伏伏的的标标准准偏偏差差等等于于f(t)的的标标准准偏偏差差。对对f(t)作作有有限限次次（n次）次）测测量，量，得得到到f1、f2、fn，用用贝贝塞塞尔尔公公式式计计算算其其估估计计值。值。平平均均值值为：为：注注意意：各各次次测测量量值值f1、f2、fn为为取取样样时时间间（闸闸门门时时间）间）内内的的平平均。均。的的意意义义：f1、f2、fn围围绕绕的的起起伏伏变变化。化。00()/2ftff000()()f tfff tff2210011niifn ffffn11niiffnf4.4.