电子测量技术频率(时间)与相位测量.ppt

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，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，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
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