第4章_时间频率测量.ppt

第四章 频率与时间的测量 4.1 时间与频率的原始基准 4.2 电子计数器的测频方法 4.3 电子计数器的测周方法 4.4 时间间隔的测量 4.5 不同测量模式的测量误差 4.6 标准频率源的测量 4.1 频率或时间的原始基准 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 时间与频率的原始基准 1）天文时标 2）原子时标 4.1.3 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标 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； “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 （4-1） ◆时间与频率的关系：可以互相转换。 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:时频测量极易实现数字化 ◆测量速度快 3）测量方法概述 ◆频率的测量方法可以分为： 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。 4. 1. 2 时间与频率的原始基准 ◆原始基准应具有恒定不变性。 ◆频率和时间互为倒数，其基准具有一致性。 要计量时间需要有固定不变的时间单位，用秒作为时间的基本单位。有两种方法： ◆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。 1）天文时标 ◆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 10－6量级。 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。 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。 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。 2）原子时标 原子时标的定义 1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁所对应的9,192,631,770个周期的持续时间”。 1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4~5个量级，达5×10-14，并仍在提高。 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。 氢原子钟 短期稳定度高：10-14~10-15，但准确度较低（10-12）。 4.1.3 石英晶体振荡器 电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。 基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。 采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。 ◆晶体振荡器的主要指标有: 输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、1