电子测量技术频率时间与相位测量

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1、第6章频率（时间）与相位测量6.1时频标准及测量方法6.2电子计数器测频率6.3电子计数器测时间6.4电子计数器测量相位在自然界中，周期现象是极为普遍的，在电信号内（特别是电子技术中）也是常见的。而频率和周期是从不同的两个侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系。周期实质上是时间（即时间间隔），而时间是国际单位制中七个基本物理量之一，单位为秒，用s表示。相位与时间也是密切相关的，其关系表述为：（6-1）式中的φ表示相位，f和T分别是频率和周期。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，

2、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。6.1时频标准及测量方法6.1.1频段的划分频段的划分，方法很多。国际上规定30KHz以下为甚低频、超低频，30KHz以上每10倍依次划分为低、中、高、甚高、特高、超高等频段(微波技术按波长划分)。在一般电子技术中，20Hz～20KHz内称音频，20Hz～10MHz内称视频，而30KHz～几十GHz内称射频。当然，电子测量技术也有按30KHz（或100KHz）为界来划分，30KHz以下为低频，30KHz以上为高频。6.1.2频率或时间标准人们早期根据在

3、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。上述为宏观记时标准，需要精密的天文观测，手续烦杂，准确度有限

4、，不便于作为测量过程的参照标准。而近几十年来引进了微观计时标准，即原子钟，它以原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率作为基准来计量时间。铯-133（Cs133）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，以此定出的时间标准称为原子时（记作AT），其准确度可达10-13量级。原子时比天文时和石英标准都稳定，这是由原子本身结构及其运动的永恒性决定的。自1972年1月1日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒，使时间标准由实物基准转变为自然基准。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

5、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。6.1.3频率（时间）测量方法1.直读法在工程中，工频信号的频率常用电动系频率表进行测量，并用电动系相位表测量相位，因为这种指针式电工仪表的操作简便、成本低，在工程测量中能满足其测量准确度。这种电动系频率表和相位表，可见本书第二章。2.电路

6、参数测量法通过测量电路参数达到测量频率目的的方法有两种。首先是电桥法，把被测信号作为交流电桥的电源，调节桥臂参数使电桥平衡，由平衡条件可得出被测频率的结果。这种方法误差较大，目前已很少用。（参见本书第二章）其次是谐振法，将被测信号作用为谐振电路的电源，通过改变电路参数使电路谐振，然后由电路参数可得被测频率。这两种方法都可在所调节的电路参数上直接按频率刻度，测量时可直接读出结果。3.示波器法用示波器来进行测量是非常直观的，下面介绍几种常用方法。(1)直接测量法测频率用示波器直接测量频率已在第三章中讨论过，这里再简要介绍一下。扫描微调应置“校正”位，调节“时基开关”（即扫描速

7、度），使选择的扫描恰当，屏上显示适中稳定的波形，则由屏上读得的一个周期的距离（单位cm）和时基开关档位（单位s/cm）可得：（6-2）式中：T为被测周期（单位s），S为扫描速度（单位s/cm）。若使用了“X扩展”，则应除以扩展系数。被测信号频率为：（6-3）(2)时标法测频率直接测量法中，除需对扫描速度校准外，其准确度还与示波器分辨率和扫描线性及放大器增益稳定性有关。然而，时标法可克服扫描非线性所引起的误差。时标法的原理是：在扫描发生器控制下，扫描正程期间时标发生器工作，产生方波（或正弦波）时标信号，此信号加在示波管的控制栅极