电子测量第4章时间与频率测量

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1、简述简述GPS定位原理及其与时间定位原理及其与时间/频率基准的关系。频率基准的关系。分析通用电子计数器各测量功能的实现。分析通用电子计数器各测量功能的实现。分析双游标法减小时间量化误差的原理。分析双游标法减小时间量化误差的原理。简述频率比对的常用方法。简述频率比对的常用方法。简述阿伦方差的物理意义及测量方法。简述阿伦方差的物理意义及测量方法。简述相位噪声的物理意义及测量方法。简述相位噪声的物理意义及测量方法。教材思考与练习题：教材思考与练习题：4-5、4-7、4-8 4.1 4.1 概述概述时间时间:“:“时刻时刻”、“时间间隔时间间隔” 频率频率: :周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（

2、1s1s）内的变化次数（周期数）。如果在一）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔定时间间隔T T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N N次，则次，则 f fN/TN/T（1 1）时间）时间/ /频率的基础性频率的基础性任何物理现象都在一定的时间和空间里呈现任何物理现象都在一定的时间和空间里呈现时间单位是时间单位是7个基本国际单位之一个基本国际单位之一m, kg, s, A, K, mol, cd（2 2）频率基准及频率测量精度极高）频率基准及频率测量精度极高铯原子频率基准准确度达铯原子频率基准准确度达1010-15-15，未来光学频标准确度可望达，未来光学频标准确度可望达1010-

3、18-18很多物理量测量转换为时间很多物理量测量转换为时间/频率测量频率测量长度单位：根据光在真空中一定时间内所经历的路径长度而定义长度单位：根据光在真空中一定时间内所经历的路径长度而定义电压标准：应用约瑟夫森效应将电压转换为频率基准进行测量电压标准：应用约瑟夫森效应将电压转换为频率基准进行测量双斜式双斜式ADC：基于：基于V-T变换变换（3）时频测量技术应用广泛）时频测量技术应用广泛 几乎所有的电子设备都离不开时钟几乎所有的电子设备都离不开时钟 最有代表性的应用领域：导航和通信最有代表性的应用领域：导航和通信 全球卫星定位系统全球卫星定位系统(美美GPS、俄、俄GLONASS、北斗、北斗)

4、GPS:24颗卫星颗卫星, 任何地方任何时候都可以至少看到任何地方任何时候都可以至少看到4-11颗卫星。颗卫星。 GPS定位原理：测距定位原理：测距 如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时刻信息确定，则可以通过在同一时刻号的时刻信息确定，则可以通过在同一时刻tr同时接收同时接收3颗颗GPS星的发播信星的发播信号，求解用户接收机的坐标位置。号，求解用户接收机的坐标位置。 实际上实际上,用户接收机与卫星时钟存在一定的用户接收机与卫星时钟存在一定的时间差时间差,需同时观测需同时观测4颗卫星实颗卫星实现定位现定

5、位.222)()()()(ZZYYXXttcjjjsjrj1.1.天文时标天文时标 世界时（世界时（UT,Universal TimeUT,Universal Time）: :以地球自转为依据。以地球自转为依据。1/(241/(24606060)=1/86400 60)=1/86400 天为天为1 1秒，秒，10107 7量级。量级。平太阳时：平太阳时：自转不均匀性，以假想自转不均匀性，以假想平太阳平太阳作为基本参考点。作为基本参考点。零类世界时零类世界时（UTUT0 0 ）：以平太阳的子夜）：以平太阳的子夜0 0时为参考。时为参考。第一类世界时第一类世界时（UTUT1 1）：修正极移效应（自

6、转轴微小位移）。）：修正极移效应（自转轴微小位移）。第二类世界时第二类世界时（UTUT2 2）：修正季节性变化。准确度）：修正季节性变化。准确度3 310109 9 。 历书时（历书时（ETET）：以地球绕太阳公转为依据。）：以地球绕太阳公转为依据。1/31 556 925.9747 1/31 556 925.9747 年年 为为1 1秒。秒。参考点为参考点为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时（国际天文学会定义），准确度时（国际天文学会定义），准确度1 110109 9 。19601960年第年第1111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒”的标准的标准。（1）原子时标

7、（）原子时标（AT）的量子电子学基础）的量子电子学基础 原子原子( (分子分子) )在能级跃迁中将吸收在能级跃迁中将吸收( (低能级到高能级低能级到高能级) )或辐射（高能级到低或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。能级）电磁波，其频率是恒定的。hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em m （h=6.6252h=6.62521010-27-27普朗克常数）普朗克常数）常用于原子频标的原子：铯、铷、氢常用于原子频标的原子：铯、铷、氢只有一个价电子，电子和原子核的自旋要么平行要么反平行只有一个价电子，电子和原子核的自旋要么平行要么反平行原子对应的能量只有两种，构成超精细结构能级原子对

8、应的能量只有两种，构成超精细结构能级铯、铷、氢在两个能级之间迁跃将吸收或释放能量，对应的迁跃频率分铯、铷、氢在两个能级之间迁跃将吸收或释放能量，对应的迁跃频率分别为别为9.192GHz、6.834GHz、1.420GHz，都在微波段，应用方便。，都在微波段，应用方便。（2）原子时标的定义）原子时标的定义 19671967年年1010月，第月，第1313届国际计量大会。届国际计量大会。“秒是秒是CsCs133133原子基态的两个超精细原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的

9、时间” 19721972年起实行。天文实物标准年起实行。天文实物标准原子自然标准，准确度提高原子自然标准，准确度提高4-54-5个量级，个量级，达达1010-15-15( (相当于数百万年相当于数百万年1 1秒秒) ) 。（3）原子频率标准（原子钟）原子频率标准（原子钟） 原子时标的实物仪器，用于时间、频率标准的发布和比对。原子时标的实物仪器，用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟铯原子钟:10-1410-15被动型被动型铯束管铯束管大铯钟大铯钟,专用高稳基准；小铯钟专用高稳基准；小铯钟,工作基准工作基准 铷原子钟铷原子钟:10-11，短稳，短稳10-12 被动型被动型铷气泡铷气泡、主动型

10、、主动型铷激射器铷激射器体积小、重量轻，工作基准体积小、重量轻，工作基准 氢原子钟氢原子钟: 10-12，短稳，短稳10-1410-15主动型主动型氢激射器氢激射器、被动型氢激射器、被动型氢激射器笨重昂贵，一级标准笨重昂贵，一级标准？ 北斗原子钟北斗原子钟最常用的工作基准最常用的工作基准晶振晶振压电效应压电效应电场电场- -压力（形变）压力（形变）主要影响因素主要影响因素温度：温度：频率频率- -温度特性曲线温度特性曲线【拐点温度拐点温度】零频率温度系数点温度，在此温度附近温度系数最零频率温度系数点温度，在此温度附近温度系数最小。晶体零温度系数点大多在室温附近。小。晶体零温度系数点大多在室温附

11、近。老化：老化：长期稳定度。前期老化、后期老化。长期稳定度。前期老化、后期老化。激励电平：激励电平：频率相对变化与激励电流的平方成正比频率相对变化与激励电流的平方成正比由于噪声电平限制，激励电平也不能过小由于噪声电平限制，激励电平也不能过小高精密晶振激励电流一般小于高精密晶振激励电流一般小于70uA70uA核辐射及加速度影响：核辐射及加速度影响：军事应用军事应用A AG GC C放放大大器器温温度度控控制制隔隔离离放放大大器器加加热热器器传传感感器器输输出出频频率率调调整整晶晶体体电电路路绝绝热热层层温补晶振（温补晶振（TCXO）：）：1010-6-6- 10- 10-7-7恒温晶振（恒温晶振