时间与频率的测量基本概述课件.pptx
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第四章时间与频率的测量
◆几种不同类型的晶体振荡器指标
晶振类型 普通
温度补偿 单恒温槽 双恒温槽
输出频率(MHz) 1，10
1，5，10 1，2.5，5，10
2.5，5，10
日稳定度 10-5~10-6 10-6~10-7 10-7~10-9 10-9~10-11
准确度
10-5 10-6 10-6~10-8 优于10-8
4.3 时间和频率的测量原理
4.4 电子计数器的组成原理和测量功能
4.4.1 电子计数器的组成
• 组成原理框图
A通道(放 大、整形)
B通道(放 大、整形)
主 门
控制时序电路
功能开关
1
5 4
2
3
5
4
1
1
2 3
4
3
2
时标选择
10ns 0.1us 1us
1ms 0.1ms 10us
数字显示器
寄存器
十进制 计数器
开门 锁存 复位
控制时序电路波形
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。
◆为世界时确定时间观测的参考点，得到
平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想 的平太阳作为基本参考点。
TA
TA
A
B
TB
与
TB
门
C
“与”逻辑门作为闸门，门控信号为‘1’时闸门
开启（允许计数），为‘0’时闸门关闭（停止计数）。
测频时，闸门开启时间即为采样时间。
测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。
晶振类型 普通
温度补偿 单恒温槽 双恒温槽
输出频率(MHz) 1，10
1，5，10 1，2.5，5，10
2.5，5，10
日稳定度 10-5~10-6 10-6~10-7 10-7~10-9 10-9~10-11
准确度
10-5 10-6 10-6~10-8 优于10-8
4.3 时间和频率的测量原理
4.4 电子计数器的组成原理和测量功能
4.4.1 电子计数器的组成
• 组成原理框图
A通道(放 大、整形)
B通道(放 大、整形)
主 门
控制时序电路
功能开关
1
5 4
2
3
5
4
1
1
2 3
4
3
2
时标选择
10ns 0.1us 1us
1ms 0.1ms 10us
数字显示器
寄存器
十进制 计数器
开门 锁存 复位
控制时序电路波形
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。
◆为世界时确定时间观测的参考点，得到
平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想 的平太阳作为基本参考点。
TA
TA
A
B
TB
与
TB
门
C
“与”逻辑门作为闸门，门控信号为‘1’时闸门
开启（允许计数），为‘0’时闸门关闭（停止计数）。
测频时，闸门开启时间即为采样时间。
测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。
《时间频率测量》课件
石英晶体具有高度的稳定性和可靠性，因此被广泛应用于各种电子设备和仪器中。
石英晶体振荡器的频率精度和稳定性对于时间频率测量具有重要意义，能够提供高 精度的时频基准。
原子钟
原子钟是一种基于原子能级跃 迁的计时装置，能够提供极高 的频率稳定度和精确度。
原子钟利用原子能级之间的跃 迁频率作为计时基准，其频率 稳定度和精确度比石英晶体振 荡器更高。
频谱分析法
通过频谱分析仪测量信号 的频谱，可以获得信号子能级跃迁产生的 频率作为时间频率标准， 具有极高的稳定性和精度 ，是国际时间频率标准。
02
时间频率测量技术
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是一种基于石英晶体的电子振荡器，用于产生高精度、高稳定的频 率信号。
在生物学中，时间频率测量可 用于研究生物分子的动态行为 和相互作用，例如蛋白质折叠 和分子动力学模拟。
05
时间频率测量的发展趋势
高精度测量技术的研究
原子钟技术
利用原子能级跃迁频率稳 定的特性，实现超高的时 间频率测量精度。
光频梳技术
利用光频梳的频率稳定性 ，结合光学干涉和光谱分 析技术，实现高精度的时 间频率测量。
导航系统中的时间频率测量主要用于确定位置和时间 信息。
其他导航系统如伽利略、格洛纳斯和北斗等也依赖于 时间频率测量技术来提供准确的定位和导航服务。
电力系统
01
电力系统中的时间频率测量主要用于保障电力系统的稳定运行 。
02
时间频率测量可以帮助监测电网的频率和相位，确保电力系统
的稳定性和可靠性。
在智能电网中，时间频率测量还可以用于优化能源调度和需求
时间频率的表示方法
时间频率可以用波形图或频谱图来表 示，波形图展示时间间隔和周期性变 化，而频谱图则展示不同频率分量的 幅度和相位。
石英晶体振荡器的频率精度和稳定性对于时间频率测量具有重要意义，能够提供高 精度的时频基准。
原子钟
原子钟是一种基于原子能级跃 迁的计时装置，能够提供极高 的频率稳定度和精确度。
原子钟利用原子能级之间的跃 迁频率作为计时基准，其频率 稳定度和精确度比石英晶体振 荡器更高。
频谱分析法
通过频谱分析仪测量信号 的频谱，可以获得信号子能级跃迁产生的 频率作为时间频率标准， 具有极高的稳定性和精度 ，是国际时间频率标准。
02
时间频率测量技术
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是一种基于石英晶体的电子振荡器，用于产生高精度、高稳定的频 率信号。
在生物学中，时间频率测量可 用于研究生物分子的动态行为 和相互作用，例如蛋白质折叠 和分子动力学模拟。
05
时间频率测量的发展趋势
高精度测量技术的研究
原子钟技术
利用原子能级跃迁频率稳 定的特性，实现超高的时 间频率测量精度。
光频梳技术
利用光频梳的频率稳定性 ，结合光学干涉和光谱分 析技术，实现高精度的时 间频率测量。
导航系统中的时间频率测量主要用于确定位置和时间 信息。
其他导航系统如伽利略、格洛纳斯和北斗等也依赖于 时间频率测量技术来提供准确的定位和导航服务。
电力系统
01
电力系统中的时间频率测量主要用于保障电力系统的稳定运行 。
02
时间频率测量可以帮助监测电网的频率和相位，确保电力系统
的稳定性和可靠性。
在智能电网中，时间频率测量还可以用于优化能源调度和需求
时间频率的表示方法
时间频率可以用波形图或频谱图来表 示，波形图展示时间间隔和周期性变 化，而频谱图则展示不同频率分量的 幅度和相位。
《时间与频率测量》课件
03
CATALOGUE
时间测量技术
机械钟表
机械钟表是利用机械原理，如齿 轮、弹簧等，来测量时间的装置
。
机械钟表有多种类型，如摆钟、 落地钟、挂钟等，其精度和稳定 性受限于机械系统的复杂性和制
造工艺。
机械钟表的历史悠久，是人类最 早的时间测量工具之一，至今仍
被广泛使用。
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是利用石英晶 体的压电效应来产生稳定振荡 的装置，常用于电子设备和仪 器中。
相位比较法
01
相位比较法是一种测量 频率的方法，通过比较 两个信号的相位差来计 算频率值。
02
该方法具有抗干扰能力 强、精度高等优点，适 用于高精度频率测量。
03
相位比较法的主要技术 指标包括相位分辨率、 测量范围、测量精度等 。
04
相位比较法可以应用于 各种领域，如电子设备 、通信系统、雷达、导 航等。
频谱分析仪的种类繁多，按工作原理 可分为超外差式和直接数字式两类。
计数器法
计数器法是一种测量频率的方法，通过计数器对输入信 号的周期进行计数，从而得到频率值。
计数器法的主要技术指标包括计数器位数、测量范围、 测量精度等。
该方法具有精度高、稳定性好等优点，适用于高精度频 率测量。
计数器法可以应用于各种领域，如电子设备、通信系统 、雷达、导航等。
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《时间与频率测 量》ppt课件
目 录
• 引言 • 时间与频率测量的基础知识 • 时间测量技术 • 频率测量技术 • 时间与频率测量的应用 • 时间与频率测量的未来发展
01
CATALOGUE
引言
课程简介
课程名称
《时间与频率测量》
时间与频率的测量基本概述课件(PPT 120页)
日波动:2×10-10
；日老化:1×10-10；秒稳:5×10-12。
输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)。
◆几种不同类型的晶体振荡器指标
晶振类型 输出频率 日稳定 准确度
(MHz)
度
普通
1，10
105~10-6
10-5
温度补偿
1，5，10
106~10-7
10-6
单恒温槽 1，2.5，5， 10-
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2）原子时标
原子钟
• 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和 比对。
铯原子钟
• 准确度：10-13~10-14。
• 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率 工作基准。
铷原子钟
• 准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为 工作基准。
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21
( 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,通常采用如下图所示的文氏
电桥来进行测量。
调节R 、R 使电桥达到平衡，则有 1 2
（R1+j1xC1）R4＝（R12＋1jxC2）R3
C1 R3
R1
fx
R2 R4
C2
fx
x 2 2
1 R1R2C1C2
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2）主要技术指标
（1）测量范围：毫赫~几十GHz。
（2）准确度：可达10-9以上。
（3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基 准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10 倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等， 普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。
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2）主要技术指标
（1）测量范围：毫赫~几十GHz。
（2）准确度：可达10-9以上。
（3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基 准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10 倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等， 普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。
“时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续 了多久。
◆频率的定义：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，则频率可表达为：
f＝N/T
◆时间与频率的关系：可以互相转换。
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3
2) 时频测量的特点
◆最常见和最重要的测量 时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要
（4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可 调）、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50 Ω低阻和 1M Ω//25pF高阻）等。
（5）闸门时间(测频)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s 。
（6）时标(测周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。
（7）显示：包括显示位数及显示方式等。
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6
4.1.2 电子计数器概述
1）电子计数器的分类
◆按功能可以分为如下四类：
（1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、 时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。
（2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测 频范围往往很宽。
（3）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周 期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。
第四章 时间与频率的测量
4.1 概述 4.2 时间与频率的原始基准 4.3 频率和时间的测量原理 4.4 电子计数器的组成原理和测量功能 4.5 电子计数器的测量误差 4.6 高分辨时间和频率测量技术 4.7 微波频率测量技术 4.8 频率稳定度测量和频率比对 4.9 时频测量技术
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1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达
1×10－9 。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒
”的标准。
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2）原子时标
◆ 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足 • 设备庞大、操作麻烦； • 观测时间长； • 准确度有限。
◆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 式中，h=6.6252×10-27为普朗克常数，En、Em为受激态 的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。
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。
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1）天文时标
◆为世界时确定时间观测的参考点，得到
• 平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的 平太阳作为基本参考点。
1
4.1 概述
4.1.1 时间、频率的基本概念
1）时间和频率的定义
2）时频测量的特点
3）测量方法概述
4.1.2 电子计数器概述
1）电子计数器的分类
2）主要技术指标
3）电子计数器的发展
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2
4.1.1 时间、频率的基本概念
1）时间和频率的定义 ◆时间有两个含义：
“时刻”：即某个事件何时发生；
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4.2 时间与频率标准
4.2.1 时间与频率的原始标准
1）天文时标 2）原子时标
4.2.2 石英晶体振荡器
1）组成 2）指标
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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
• 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）：对地球自转的极移效应（自转
轴微小位移）作修正得到。
• 第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影 响自转速率）作修正得到。准确度为3×10－8 。
• 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期
（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为
（4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可
逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工
业测控。
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1）电子计数器的分类
按用途可分为：
测量用计数器和控制用计数器。
按测量范围可分为：
（1）低速计数器（低于10MHz） （2）中速计数器（10~100MHz） （3）高速计数器（高于100MHz） （4）微波计数器（1~80GHz）
4
3）测量方法概述
◆频率的测量方法可以分为：
直读法
电桥法
模拟法
谐振法 拍频法
频率测量方法
数字法
比较法
差频法
示波法 电容充放电法
李沙育图形法 测周期法
电子计数器法
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各种测量方法有着不同的实现原理，其复 杂程度不同。
各种测量方法有着不同的测量准确度和适 用的频率范围。
数字化电子计数器法是时间、频率测量的 主要方法，是本章的重点。
的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医 疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。 ◆测量准确度高
时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），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 ◆测量速度快
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2020/11/5
9
3）电子计数器的发展
◆测量方法的不断发展：模拟数字技术智能化。
◆测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指标，电 子计数器的发展体现了这两个指标的不断提高及功能的扩 展和完善。
◆ 例子： ●通道：两个225MHz通道，也可 选择第三个12.4GHz通道。 ●每秒12位的频率分辨率、150ps的时间间隔分辨率。 ●测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、 下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总 和、峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。 ●处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。