电子测量技术3.1~3.2

本思维导图分为10章，分别是电子测量的基础知识、测量误差与数据处理、电流电压与功率的测量、常用电子元器件的测量、测量用信号发生器、时间与频率的测量、电子示波器、频域测量技术、数据域测试技术及现代电子测量技术。每章均配有经典例题和习题，此外，每章最后还编写有相应的实验与实训。自己根据课堂内容总结的有关电子测量技术的知识点。喜欢的小伙伴可以点个赞哦！

电子测量技术3.1~3.2

一、测量频率的方法

频率测量方法有很多，大体可以分为模拟法和计数法。模拟法又分为频响法和比较法。 频响法是利用无源网络频率特性测量频率的，包括电桥法和谐振法。比较法是将被测频率信 号和已知频率信号相比较，通过看、听等手段比较结果，从而获得被测信号的频率。包括拍 频法、差频法和示波法。

计数法有电容充放电式，利用电子电路控制电容器充放电的次数或时间常数，再用磁电 式仪表测量充放电电流的大小，来指示出被测信号的频率；还有一种是电子计数式，从频率 的定义出发，用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。

二、标准频率源

1.原子频标的基本原理根据量子理论，原子或分子当由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波的形式辐 射或吸收能量，其频率严格地决定于两能级之间的能量差，这种现象是微观原子或分子所固 有的，非常稳定。若能设法使原子或分子受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率。 1967 年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：秒是 Cs-133 原子基态的两个超精 细能级间跃迁相对应的辐射的 9 192 631 770 个周期的持续时间。 铯原子钟精度达  量级。 2003 年中国计量科学研究院：冷铯原子喷泉钟。

2.氢原子钟：亦称为氢原子激射器，精度  量级。

3.铷原子钟：精度  量级。

4.离子储存频标：亦称为离子阱频标，预计其精度可达  量级。

三、时频基准

1.世界时（UT，Universal Time）

最早的时间（频率）标准是由天文观测得到的，以地球自 转周期为标准而测定的时间称为世界时（UT）。

当地球绕轴自转一周，地球上任何地点的人连续两次看见 太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。

国际天文学会定义了地球绕太阳公转为标准的计时系统， 称为历书时ET。并在1960国际计量大会上正式定义1900年 1月1日0时起的回归年长度的31 556 925.974 7分之一为1s， 这种秒称为历书时秒，同时规定86 400历书时秒为1历书日。

2.原子时（AT，Atomic Time）

根据量子理论，原子或分子当由一个能级向另一个能级 跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其频率 严格地决定于两能级之间的能量差，这种现象是微观原 子或分子所固有的，非常稳定。若能设法使原子或分子 受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率。

1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义： 秒是Cs-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐 射的9 192 631 770个周期的持续时间。

铯原子钟精度达  量级

2003年中国计量科学研究院：冷铯原子喷泉钟。

氢原子钟：亦称为氢原子激射器，精度  量级。

铷原子钟：精度  量级。

离子储存频标：亦称为离子阱频标，预计其精度可达  量级。

3.协调世界时（UTC，Coordinated Universal Time）

世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取代，各有 各的用处。原子时只能提供准确的时间间隔，而世界时考虑了时刻和时 间间隔。

协调世界时秒是原子时和世界时折衷的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。

四、频率与时间测量的特点

（1）动态性

（2）测量精度高

（3）量程范围大

（4）测量速度快

（5）自动化程度高

（6）应用范围广

（7）便捷性

五、频率与时间测量的方法



六、测频原理

1、基本原理

根据频率的定义，若某一信号在 T 秒时间内重复变化了 N 次，则该信号的频率为： 电子计数法测量频率就是从频率的定义出发，利用门电路和计数器来实现。



与门的输入有两个信号，一个是被测信号经过整形 后形成的一系列的窄脉冲，另一个是闸门 T 信号，通 过与门后，只有在闸门 T 时间内的计数脉冲才能送入 电子计数器中，如果时间闸门 T 取 1 秒，则电子计数 器记得的脉冲个数 N 就是被测信号的频率。这就是电子计数法测量频率的原理。

2.结构组成

(1)时基 T(闸门时间 T)产生电路：提供准确的计数时间 T。

(2)计数脉冲形成电路：把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。

(3)计数显示电路：计数被测周期信号重复的次数,并显示被测信号的频率。

(4)控制电路：产生各种控制信号，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。

测频原理的实质：以比较法为基础,把被测信号频率与已知信号的频率相比，将比较的结果以数字的形式显示出来。



七、误差分析

1、误差来源:

(1) 时基 T 是否准确

(2) 计数值 N 是否准确

测频的总误差可以表示为





由误差曲线可以看出：在 fx 一定时，比如为 106 赫兹，闸门时间为 0.1 秒时，测频误差为 10-5，当闸门时间为 10 秒 时，测频误差为 10-7，说明闸门时间越长，测量 准确度就越高。当 T 一定时，fx 越大，±1 误差 越小，逐渐趋近于标准频率误差 5*10-9，而且准 确误差不可能优于 5*10-9。

八、减少测频误差的措施

根据测频误差的表达式，可以得出提高测频误差应采取以下措施：

（1）提高晶振的准确度和稳定度，以减小闸门时间误差

（2）扩大闸门时间或倍频被测信号，以减小±1 误差

（3）当频率较小时，应采用测周法。

九、测频基本原理

根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了N次， 则该信号的频率为：





十、测频结构组成



1.时基T(闸门时间T)产生电路:提供准确的计数时间T



2.计数脉冲形成电路:把被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲





3.计数显示电路:计数被测周期信号重复的次数,并显示被测信号的频率

4.控制电路：产生各种控制信号，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。

测频原理的实质:

以比较法为基础,把被测信号频率 与已知信号的频率相比,将比较的结果以数字的形式显示出来.

十一、测频误差分析

1.误差来源



2.量化误差 -- >±1误差







3.结论:

(1)不论N值为多少,其最大误差总是±1个计数单位,故称“±1误差”

(2)脉冲计数相对误差与被测信号频率成反比,与闸门时间成反比.

4.闸门时间误差(标准时间误差):



结论：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差

5.测频总误差: