频率时间测量
频率时间测量
周期T的单位是秒，频率的单位是1／秒，即赫兹(Hz) 频率标准简称频标，有石英钟频标、原子频标和天 文频标，原子频标的准确度可达10-13。
第五章
频率时间测量
3、频率（时间）测量的特点： ① 测量精度高。由于有时频标准源，并可方便采用无 线电波进行远距离迅速传递，频率（时间）测量所能达 到的分辨率和准确度最高。 ② 测量范围广。从百分之一赫兹甚至更低频率，一直 到1012Hz以上宽范围的频率都可做到高精度测量。 ③ 频率信息的传输和加工处理容易。如倍频、分频和 混频等比较容易，并且精确度很高。 通过先进的电子技术和巧妙的数学方法，将其他物 理量的测量转换成为频率（时间）的测量，以提高其测 量精度。是电子测量技术领域中一个重要研究课题。
第五章
频率时间测量
测量频率的最大相对误差
f x
fx
1 fc fT f c x
为提高频率测量的准确度，应采取如下措施：
① 提高晶振频率的准确度和稳定度以减少闸门时间误差。
②扩大闸门时间T或倍频被测信号频率以减少±1误差。
③被测信号频率较低时，采用测周期方法进行测量。
第五章
频率时间测量
二、频率测量方法概述
根据测量方法的原理，对测量频率的方法大体上可分为
对于频率测量来讲，根据不同的测量对象与任务，对 其测量精确度的要求，合适选择频率测量方法。
第五章
频率时间测量
§5.2
电子计数法测量频率
一、电子计数法测频原理
计数式频率计结构：由时间基准T产生电路、计数 脉冲形成电路和计数显示电路三部分组成。
脉冲计数最大绝对误 差即±1误差
脉冲计数最大相对误差为
N
N 1 1 N f xT
频率时间和相位的测量
频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量是现代科技中非常重要的一项技术。
在通信、电力系统、航空航天等领域，准确测量频率、时间和相位可以确保系统的稳定性、可靠性和正常运行。
本文将从频率测量、时间测量和相位测量三个方面进行介绍。
第一部分：频率测量频率是指单位时间内发生的事件的次数。
在通信系统中，频率是指信号波形的周期性重复次数。
频率的测量常用的方法有：阻抗频率测量和计数频率测量。
阻抗频率测量是通过测量电路中的阻抗变化来计算频率。
具体方法是将信号加到一个频率依赖的电路上，测量电路的阻抗变化。
阻抗频率测量的精度高，适用于高精度要求的场合，如科学研究和实验室测量等。
计数频率测量是通过计数单位时间内信号波形的周期数来计算频率。
具体方法是将信号输入到计数器中，计数器会记录信号波形的上升沿或下降沿的个数，然后将个数除以测量时间得到频率。
计数频率测量的精度相对较低，适用于一般工业生产和实际应用中。
第二部分：时间测量时间是指事件的发生顺序和持续时间。
时间的测量常用的方法有：基于机械系统的时间测量和基于电磁波传播的时间测量。
基于机械系统的时间测量是通过机械装置的运动来测量时间。
最早的时间测量仪器是机械钟。
现代的机械钟使用特殊设计的机械组件，如摆轮、游丝等，来实现稳定的精确时间测量。
基于机械系统的时间测量具有较高的稳定性和精度，但受限于机械部件的制造工艺和环境因素，无法实现高精度要求。
基于电磁波传播的时间测量是现代科技中最主要的时间测量方法。
基于电磁波传播的时间测量使用电磁波在空间传播的规律来测量时间。
具体方法是使用特殊的发射器和接收器，通过测量电磁波传播的时间差来确定事件的发生时间。
这种时间测量方法精度高，适用于需要高精度时间的领域，如导航系统和科学研究等。
第三部分：相位测量相位是指两个波形之间的关系。
相位的测量常用的方法有：频率锁相测量和相位差测量。
频率锁相测量是通过比较两个波形的频率差异来测量相位。
具体方法是将两个波形输入到一个锁相环中，通过调整锁相环中的参数，使两个波形的频率一致，从而得到相位差。
时间与频率测量
4.2.1 时间与频率的原始标准
1）天文时标
◆原始标准应具有恒定不变性。 ◆频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。 ◆宏观标准和微观标准 宏观标准：基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。 ◆世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确定的时 间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。
f x Nf s
◆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。
◆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（椭圆或圆）； 测周期法：直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周 期，进而得到频率。
◆测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度（可达1014），校准（比对）方便，因而数字化时频测 量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的 测量都转换为时频测量。 ◆自动化程度高 ◆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：导间与频率的原始标准 1）天文时标 2）原子时标
3）测量方法概述
频率的测量方法可以分为：
直读法 模拟法 电桥法 谐振法 拍频法 比较法 频率测量方法 示波法 电容充放电法 数字法 电子计数器法 测周期法 差频法 李沙育图形法
3. 时间和频率的测量原理
3.1 模拟测量原理 1）直接法 2）比较法
3.2 数字测量原理 1）门控计数法测量原理 2）通用计数器的基本组成
fx 1 2 RC
时间与频率的测量基本概述
时间与频率的测量基本概述时间与频率的测量是物理学中重要的实验技术之一，涉及到物体的周期性运动、波的传播等多个领域。
本文将对时间与频率的测量进行基本概述。
时间的测量是指对物体运动过程中所经历的时间进行测量，其基本单位为秒。
时间的测量可以通过不同的实验手段和设备实现，其中最为常见的方式是使用钟表，根据物体的运动速度将一段时间分成若干等份，从而确定特定时间间隔的长度。
随着科技的发展，人们发明了各种高精度的钟表，例如基于原子振荡频率的原子钟，能够测量到非常小的时间单位，如纳秒乃至飞秒级别。
频率的测量是指对波动或周期性运动的次数进行测量，其基本单位为赫兹。
频率的测量可以通过两种方式进行，一种是计数法，即将一定时间内波动或周期性运动的次数加总；另一种是相位比法，即通过对象的相位差来确定波动或周期性运动的频率。
根据不同的应用领域和精度要求，频率的测量可以使用不同的设备，例如频率计、示波器、频谱仪等。
在实际应用中，时间与频率的测量技术常常需要考虑到一定的误差和精度要求。
误差可以来自于多个因素，例如仪器本身的不确定度、外界干扰、环境条件等等。
为了提高测量的精度，科学家们研发了各种校正和校准方法，例如使用标准频率源进行校准，以及使用稳定的参考信号进行时间同步等等。
时间与频率的测量技术在现代科学研究、工程技术和日常生活中都有广泛的应用。
在科学研究中，时间与频率的测量可以用于测定天体运动、检测物质结构、研究量子行为等等。
在工程技术中，时间与频率的测量可以用于电信系统中的信号处理、雷达测距与测速、医学成像等领域。
在日常生活中，时间与频率的测量可以用于计时器、手表、闹钟等等。
总之，时间与频率的测量是物理学中重要的实验技术之一，涉及到物体的周期性运动、波的传播等多个领域。
时间与频率的测量可以通过不同的实验手段和设备实现，其中最为常见的方式是使用钟表和频率计。
时间与频率的测量技术需要考虑到一定的误差和精度要求，并可以利用校正和校准方法提高测量的精度。
准确测量实验中时间与频率的技巧与方法
准确测量实验中时间与频率的技巧与方法在科学研究和实验中，准确测量时间和频率是非常重要的。
时间和频率的测量不仅涉及到物理学、化学等自然科学领域，也与工程技术、生物医学等实践应用息息相关。
本文将探讨一些准确测量实验中时间和频率的技巧与方法。
一、时间测量的技巧与方法时间是物理量中最基本的一个，准确测量时间对于实验结果的可靠性至关重要。
以下是一些时间测量的技巧与方法：1.使用精确的时间设备：现代科学实验中，常用的时间设备有原子钟、计时器、秒表等。
原子钟是目前最精确的时间设备，可以提供非常准确的时间参考。
计时器和秒表则是常见的实验室工具，使用时需要注意其精度和误差。
2.消除反应时间：在实验中，往往需要测量某个事件的持续时间。
为了准确测量，需要消除仪器和人员的反应时间。
可以通过提前预设实验条件、使用自动化设备等方式来减少反应时间的影响。
3.多次测量取平均值：为了提高时间测量的准确性，可以进行多次测量并取平均值。
多次测量可以减小个别误差的影响，提高整体的测量精度。
4.注意环境因素：在时间测量过程中，环境因素如温度、湿度等可能对测量结果产生影响。
因此，在进行时间测量时，需要注意环境因素的控制和记录，以减小其对实验结果的干扰。
二、频率测量的技巧与方法频率是指单位时间内发生的事件次数，是描述周期性现象的重要参数。
以下是一些频率测量的技巧与方法：1.使用频率计：频率计是一种专门测量频率的仪器，可以提供较高的测量精度。
在实验中，可以选择适合的频率计进行测量。
同时，需要注意频率计的测量范围和精度，以确保测量结果的准确性。
2.利用示波器：示波器是一种能够显示周期性信号波形的仪器。
通过观察示波器上的波形，可以计算出信号的周期和频率。
示波器的使用需要一定的技巧，包括调节垂直和水平灵敏度、选择适当的触发方式等。
3.使用计数器：计数器是一种能够对脉冲信号进行计数的仪器，可以用于测量频率。
通过计数器的测量结果，可以得到频率的近似值。
电子测量技术频率(时间)与相位测量
电子测量原理
转变为自然基准。
需要指出的是，在电子仪器中常采用石英频率标准。
其原因在于：其一，石英晶体的机械稳定性和热稳定性很 高，它的振荡频率受外界因数的影响较小，因而比较稳定 ；其二，石英频率标准发展快，六十年来将准确度和稳定 度提高了4个数量级；其三，石英晶体振荡器结构简单， 制造、维护、使用均方便，而且准确度能满足大多数测量 的需要。因此，石英频率作为一种次级标准，已成为最常 用的频率标准。 最后还要指出，时间标准就是频率标准，这是因为频 率与时间互为倒数。
第3页
电子测量原理
6.1.2 频率或时间标准
人们早期根据在地球上看到太阳的“运动”较为均匀 这
一现象建立了计时标准，把太阳出现于天顶的平均周期（
即平均太阳日）的86400分之一定为一秒，称零类世界时
（记作UTo），其准确度在10-6量级。考虑到地球受极运 动（即极移引起的经度变化）的影响，可加以修正，修正 后称为第一世界时（记作UT1）。此外，地球的自转不稳 定，进行季节性、年度性变化校正，引出第二世界时（记 作UT2），其稳定度在3×10-8。而公转周期却相当稳定， 于是人们以1900回归年的31556925.9747分之一作为历书时 的秒（记作ET），其标准度可达±1×10-9。
第1页
电子测量原理
所以，频率、时间、相位三个量可归结为一个量的 测量问题。在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一 ，它指单位时间内周期变化或振荡的次数，许多电参数的 测量方案及结果都与之密切相关。因此，频率的测量是十 分重要的，而且到目前为止频率的测量在电测量中精确度 是最高的。
第2页
电子测量原理
第11页
电子测量原理
输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可距离，
第4章 时间与频率的测量
4.4 通用计数器 4.4.1 通用电子计数器的基本组成 4.4.2 电子计数器的使用 4.4.3 通用电子计数器的测量功能 4.5 其他测量频率的方法 4.5.1 电桥法测频 4.5.2 谐振法测频 4.5.3 频率-电压转换法测量频率 4.5.4 拍频法测频 4.5.5 差频法测频 4.5.6 用示波器测量频率
=
±⎜⎜⎝⎛
1 10n Tx
fc
+
1
2 ×10n π
× Vn Vm
+
Δf c fc
⎟⎟⎠⎞
（4-16）
（2）采用多周期测量可提高测量准确度；
（3）提高标准频率，可以提高测周分辨力；
（4）触发转换误差与被测信号的信噪比有关，信噪比越 高，触发转换误差越小。测量过程中尽可能提高信噪 比 Vm /Vn 。
整形
送主门的一
0
t
个输入端。
微分
0
t
图4-6 输入电路工作波形图
3)计数显示电路
这部分电路的作用，简单地说，就是 计数被测周期信号重复的次数，显示 被测信号的频率。它一般由计数电路、 逻辑控制电路、译码器和显示器组成。
4)控制电路
控制电路的作用是产生各种控制信号， 去控制各电路单元的工作，使整机按 一定的工作程序完成自动测量的任务。 在控制电路的统一指挥下，电子计数 器的工作按照“复零一测量—显示”的 程序自动地进行，其工作流程如图4.6 所示。
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机的。这样，既 便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。 可能多1个或少1个的±1误差，这是频率量化时带来的误差故 称量化误差，又称脉冲计数误差或±1误差。
频率时间间隔测量原理
频率时间间隔测量原理
频率时间间隔测量原理是通过测量事件发生的时间间隔来计算出事件的频率。
该原理适用于各种领域，如物理学、电子学、计算机科学等。
在物理学中，频率是指单位时间内事件发生的次数。
通过测量事件的时间间隔，我们可以计算出事件的频率。
例如，假设我们想测量一个摆动钟的频率，我们可以开始计时，然后记录摆钟完成一次摆动所经过的时间。
通过将这个时间除以一秒，我们就可以得到摆钟的频率。
在电子学中，频率是指电信号的周期性变化。
通过测量电信号的时间间隔，我们可以计算出电信号的频率。
例如，在无线电中，我们可以通过测量电磁波的周期性变化来计算出无线电波的频率。
在计算机科学中，频率是指计算机处理指令的速度。
通过测量计算机执行指令的时间间隔，我们可以计算出计算机的时钟频率。
例如，我们可以通过测量计算机执行一条指令所需的时间来计算出计算机的时钟频率。
频率时间间隔测量原理是基于时间的。
通过测量一系列事件的时间间隔，我们可以计算出事件的频率。
这个原理在许多领域都有广泛的应用，可以帮助我们了解事物的运动规律、电信号的变化规律以及计算机的性能等。
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晶晶振振
外外标标
时基标 发产生器
测测频频
BB输输入入
《电子测量技术》
放大整形形 测周
门门控控双双稳稳 触触发发器器
复发零生脉控器冲制逻辑电记记路忆忆控控制制
时标信号
T
分周频期 器 倍乘器
闸闸门门输输出出
5 时间和频率的测量
5.1.1 电子计数器的测频原理
fx
N T
N KTc
fx
计数脉冲
（信号产生）
测周 测周
晶晶振振
放大整形形 计数脉冲 主主门门
十计进数制 器计数显示 显示器
时标 产生器
TB 门控信号
门门控控双双稳稳 触触发发器器
复发零生脉控器冲制逻辑电记记路忆忆控控制制
外外标标
fB
BB输输入入
测测频频
放大整形 放大整形形
测测周周
时基信号
分周频期 器 倍乘器
闸闸门门输本输出节出结束
《电子测量技术》
闸门时间
晶振周期 分频器输出
（晶振 fc分频）
T
分频系数
门控信号
T
N
闸门时间应合理选择。
主门输出
《电子测量技术》
小数点的定位
• 闸门时间 T=1s， 计数 N=100000； 则 fx 100 .000 KHz
• 闸门时间 T=0.1s，计数 N=10000； 则 fx 100 .00 KHz
5 时间和频率的测量
5.3 电子计数器
电子计数器的发展概述 电子计数器的分类 电子计数器的主要技术性能指标 电子计数器的组成
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
5.3.1 电子计数器的发展概述
三阶段：
外差式和谐振式阶段
（20世纪40年代）
数字式阶段
Δfc
ΔT Δfc
T
fc
时基误差在数值上等于晶振 输出标准频率的相对误差，只是符号相反。
5 时间和频率的测量
3. 测频最大允许误差
Δfx ( ΔN ΔT ) ( 1 Δfc )
fx
NT
T fx
fc
Δfx ( 1 Δfc )
fx
T fx fc
减小最大允许误差的方法：
Tx
N
Ts
Tx
ΔN KTc
N
Tx
《电子测量技术》
时标信号相对误差
ΔTs ΔTc Δfc
ΔTN Tx
1
10n
• Vn Vm
Ts
Tc
fc
5 时间和频率的测量
测周的最大允许误差
ΔTx Tx
( KTc Tx
Δfc fc
1 10n
Vn ) Vm
周期较大的信号，应采用测周法测量。 周期较小的信号，应采用测频法测量。
ΔN 1
原因： 量化误差的产生是不可避免的，是由于 主门的开启时间与被测计数脉冲之间的时间 关系不相关引起的。
《电子测量技术》
的测量
计数误差
ΔN 1
1
N
N T fx
计数值N越大时，量化相对误差就越小。
当fx一定时，增大主门时间T，可以减小量 化相对误差。
主门时间一定，被测信号的频率愈高，量 化相对误差就越小。
Tx
hTx fc h Vm
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
5.2.3 时间间隔、相位差的测量
A输入
B输入 C输入
时标选择
晶振
倍频器 分频器
放大 整形
主门
T
触发沿选择
+
触发器
S
+
触发器
-
起始 t1 触发器
终止 触发器
门控 双稳
t2
N
计数 显示
控制 逻辑电路
《电子测量技术》
T NTs
5 时间和频率的测量
(1)
t
(2)
A输入
tr
时标选择
晶振
倍频器 分频器
放大 整形
tw
N
主门
计数 显示
TI
B输入 C输入
触发沿选择
+
触发器
S
+
触发器
-
起始 t1 触发器
终止 触发器
门控 双稳
t2
《电子测量技术》
控制 逻辑电路
本节结束
5 时间和频率的测量
5.2.4 频率比的测量
N TB fA
NLeabharlann TA fBA 输入 fA
5 时间和频率的测量
5.1 电子计数器测量频率
电子计数器的测频原理 电子计数器测频的最大 允许误差分析 频率比的测量
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
5.1.1 电子计数器的测频原理
f N T N
Tx
Tx 测频
A 输fx入
测周 测周
放大整形形 计数脉冲
T
主主门门
门控信号
十进制计数显示 显示器 计数器
5.2.1
电子计数器的测周原理
时标信号的周期
Tx NTs
Ts
N
Ts
Tx NTs
NKTc
A 输入
测周 测周
A输入 Tc
晶晶振
外外T标标x
放放大大整整形形 计数脉冲 主主门门
十计十进 数进制 器制器计数显示 显示器
时标选择
倍时频标 器 分产生 频器
Tx
门控信号
门门控控双双稳稳 触触发发器器
复复发 发零零生生脉脉控器器冲冲制逻辑电记记路忆忆控控制制
5 时间和频率的测量
5.1.2 电子计数器测频的最大 允许误差分析
测频的最大允许误差
量化相对误差
Δf x fx
( ΔN N
ΔT T
)
主门时间 相对误差
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
1. 计数误差
计数误差（±1误差、量化误差）
测量频率时，在相同的主门时间内， 计数器计数值不一定相同，这样产生的 误差称为量化误差。
测频
BB输输入入 fx
放放大大整整形形
Tx
周期
测测周周
倍乘器
《电子测量技术》
闸闸门门输输出出
5 时间和频率的测量
5.2.2 电子计数器测周的最大 允许误差分析
测周的最大允许误差
ΔN 1 NN
量化误差
触发误差
N Tx Tx Ts KTc
ΔTx ( ΔN ΔTs ΔTN )
被测信号频率 低时，不宜采用测频 法直接测量频率，而 应采用测周期的方法 间接测量频率。
提高晶振频率的准确度和稳定性，增大闸 门时间。
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
5.2 电子计数器测量时间
电子计数器的测周原理 电子计数器测周的最大 允许误差分析 时间间隔的测量
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
5 时间和频率的测量
2. 时基误差（标准频率误差）
时基误差是指由于主门时间不准造成 主门的启、闭时间或长或短，从而引起 的测频误差。
时基误差大小主要由石英晶体 振荡器输出频率的准确度决定。
《电子测量技术》
的测量
设晶振频率为fc，分频系数为K，则主门时间为：
K T KTc fc
ΔT
K fc2
《电子测量技术》
5 时间和频率的测量
ΔTx Tx
( KTc Tx
Δfc fc
1
10n
Vn ) Vm
减小测周最大允许误差的方法：
减小时标信号的周期Ts，即减小K值。
提高晶振频率的准确度和稳定度。
利用周期倍乘法（将主门时间由Tx扩大为hTx ）。
ΔTx ( KTc Δfc 1 Vn )