测量时间和频率的原理—时间频率|苏州校准检测_计量仪器校正--校准首选CNAS机构--苏州计量校准网--苏州计量所--昆山仪表量具效验

大家都知道，长度、质量、时间是三大基本物理量，时间计量对生活、生产、科学研究等人类一切活动都具有最基本的意义。时间计量包含既有差别又有联系的两个内容：时间间隔和时刻的测定。时间间隔是指客观物质运动的两个不同状态之间所经历的时间历程；时刻是指客观物质在某一种运动状态的瞬间与时间坐标轴原点之间的时间间隔。一般通过某种选定的物质运动过程作参考，把其它物质的运动过程与这个参考过程进行比较，判别和排列事件发生的先后顺序并据此导出事件发生的时刻和运动过程所经历的时间间隔。
客观世界的物质运动千差万别，不可能选取一种物质运动过程作为计量时间的标准，如天体的年龄可达100多亿年，而某些基本粒子的寿命却只有10-24 秒。不同的时间计量方法分属不同的学科分支或不同的技术门类。测量天体的年龄使用天体物理的方法；日、月、年、世纪的协调和研究属于天文学中的历法范畴；秒以下时间的测定、保持、传递则是授时机构的任务。
几种时间计量系统所达到的精度

时间计量系统	时间测量误差（秒/天）	频率准确度
世界时(UT)	10-3	10-8
历书时(ET)	10-4	10-9
原子时(TA)	10-14	10-16

1 模拟测量原理
1）直接法
2）比较法
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

 1）直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细分为谐振法和电桥法两种。（1）谐振法：调节可变电容器C使回路发生谐振，此时回路电流达到最大(高频电压表指示)，则可测量1500MHz以下的频率，准确度±(0.25～1)%。
 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。 u 调节R1、R2使电桥达到平衡

测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为±(0.5～1)%。

2）比较法
◆基本原理 利用标准频率fs和被测量频率fx进行比较来测量频率。有拍频法、外差法、示波法以及计数法等。 数学模型为： fx=Nfs
◆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（很少用）。
◆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（椭圆或园）；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。 
 数字测量原理 1）门控计数法测量原理
◆时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为 N)，根据fx=N/T得到频率值。 为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。
◆测量原理 将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。

 数字测量原理闸门可由一个与（或“或”）逻辑门电路实现。这种测量方法称为门控计数法。其原理如下图所示。
 上图为由“与”逻辑门作为闸门，其门控信号为‘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（称为“闸门时间”）即为采样时间。 测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。

通用计数器的基本组成  通用计数器包括如下几个部分
输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。 通过预定标器还可扩展频率测量范围。

主门电路：完成计数的闸门控制作用。  计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。

时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。
控制电路：控制协调整机工作，即准备à测量à显示。

电子计数器的组成原理和测量功能
1 电子计数器的组成
1）A、B输入通道
2）主门电路
3）计数与显示电路
4）时基产生电路
5）控制电路

2 电子计数器的测量功能
1）频率测量
2）频率比测量
3）周期测量
4）时间间隔测量
5）自检

计数与显示电路
◆功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。 为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路。
◆计数电路的重要指标：最高计数频率。计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的时间限制，使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器，最高计数频率主要由个位计数器决定。
◆不同电路具有不同的工作速度：如74LS（74HC）系列为30~40MHz；74S系列为100MHz；CMOS电路约5MHz；ECL电路可达600MHz。