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第五章 时间频率测量及调制域分析讲解

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时频测量原理简述

时频测量原理简述

时频测量原理简述目录1 调制域测量1)什么是调制域测量2)为什么要进行调制域测量2 时频测量原理—如何实现调制域测量1)瞬时频率测量原理2)无间隔计数器的实现3)提高测量速度与分辨力的方法4)调制域分析的应用5)发展动态正文内容1)什么是调制域测量？电信号的完整关系：可采用三个量以及之间的关系来描述。

这三个量就是时间、频率和幅度，其中：幅度-时间关系：示波器；幅度-频率关系：频谱仪频率-时间关系：调制域分析仪下图描述了同一信号在时域(V-T)、频域(V-F)、调制域(F-T)的特性。

调制域分析仪：能够完成时间与频率关系测量的仪器。

调制域即由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域。

调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。

◆时域与频域分析的局限性一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形(幅值)随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时浮现。

◆调制域概念在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，于是，往往需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。

调制域即指由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域。

1 调制域测量2)为什么要进行调制域测量？在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，于是，往往需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。

方便地表达出频域和时域中难以描述的信号参数和信号特性。

为人们对复杂信号的测试和分析提供了方便直观的方法，解决了一些难以用传统方法或者不可能用传统方法解决的难题。

4.9.2 时频测量原理1) 瞬时频率测量原理◆瞬时频率的概念信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间 t 的连续函数，用 f(t)表示。

f(t)也代表了时间t 时的瞬时频 率。

◆平均频率实际上，由于测量上的艰难，瞬时频率只是一种理论上的概念。

第五章频率及时间测量

第五章频率及时间测量

的相对误差。
25
第五章 时间、频率和相位的测量
将式
N 1 1 、 T fc 代入式
N
N
f xT T
fc
f x N T
fx
N
T
得
f x 1 fc
fx
f xT fc
（5.2-11）
若考虑极限情况，测量频率的最大相对误差应写为
f x fx
1 f xT
fc fc
（5.2-12）
由上式可看出：提高频率测量的准确度措施是：
2
第五章 时间、频率和相位的测量
时间的定义： 2)、原子时（AT）： 秒定义为：“秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超
精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周 期所持续的时间。” 误差：10－14 3)、协调世界时 (UTC):
采用原子时的速率（对秒的定义）通过闰秒方法使原 子时和世界时接近的时间尺度。是一种折衷的产物。
28
第五章 时间、频率和相位的测量
本例如选T＝10 s，则仪器显示为0 000．000 0 kHz， 把最高位丢了。造成虚假现象。原因是由于实际的仪 器显示的数字都是有限的，而产生了溢出造成的。
所以，选择闸门时间的原则是： 在不使计数器产生溢出现象的前提下，应取闸门 时间尽量大一些，减少量化误差的影响，使测量的准 确度最高。
T Tx
△t1
△t2
图5.2-2 脉冲计数误差示意图
19
第五章 时间、频率和相位的测量
下图T为计数器的主门开启时间，Tx为被测信号周期， Δt1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设 计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，Δt2为闸门关闭时刻 至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区

第五章-频率和时间的测量技术

第五章-频率和时间的测量技术

的相对误差可降为：
Tx 1 un
T x k 2 um
– （3）在相同条件下，触发器灵敏度高，则引 起的触发误差大。
•
4、总误差：
Tx Tx
( 1 kTx fc
fc fc
k
1 un )
2 um
三、中界频率
1、定义：对某信号使用测频法和测周法测量频率，两者 引起的误差相等，则该信号的频率定义为~。 2、若测频时扩大闸门时间n倍，测周时周期倍乘k倍：
f0
k fc nT
例2、某频率计若可取的最大的T、fc值分别为10s、 100MHZ，并取k=104，n=102，试确定该仪器可选择 的中界频率。
§5.3电子计数法测量时间间隔
• 一、时间间隔测量原理：
• 1、功能： • (1)倍乘(衰减)器: 将被测信号调节到触发电平允许的范围. • (2)触发电路: 将输入信号与触发电平相比较,以产生启动和停止脉冲. • (3)门电路: 选择触发电平的斜率.
• 例3、某频率计最高标准频率为10MHz,若忽略标准频率误 差与触发误差,当被测时间间隔为50μs和5 μs时,其测量误 差多大?
• 若最高标准频率一定,且给定最大相对误差时,则仅考虑量化 误差所决定的最小可测量时间间隔可由下式给出:
T' x m in
1 fc m ax rm ax
• 例4 某频率计fcmax=10MHz, rmax=±1%, 求Txmin’
§5.4用脉冲计数法测脉冲时间及脉冲宽度
• 二、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
– 2、量化误差--±1误差
fx N T fx N T
N 1 1

《时间频率测量》课件

《时间频率测量》课件
石英晶体具有高度的稳定性和可靠性，因此被广泛应用于各种电子设备和仪器中。
石英晶体振荡器的频率精度和稳定性对于时间频率测量具有重要意义，能够提供高 精度的时频基准。
原子钟
原子钟是一种基于原子能级跃 迁的计时装置，能够提供极高 的频率稳定度和精确度。
原子钟利用原子能级之间的跃 迁频率作为计时基准，其频率 稳定度和精确度比石英晶体振 荡器更高。
频谱分析法
通过频谱分析仪测量信号 的频谱，可以获得信号子能级跃迁产生的 频率作为时间频率标准， 具有极高的稳定性和精度 ，是国际时间频率标准。
02
时间频率测量技术
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是一种基于石英晶体的电子振荡器，用于产生高精度、高稳定的频 率信号。
在生物学中，时间频率测量可 用于研究生物分子的动态行为 和相互作用，例如蛋白质折叠 和分子动力学模拟。
05
时间频率测量的发展趋势
高精度测量技术的研究
原子钟技术
利用原子能级跃迁频率稳 定的特性，实现超高的时 间频率测量精度。
光频梳技术
利用光频梳的频率稳定性 ，结合光学干涉和光谱分 析技术，实现高精度的时 间频率测量。
导航系统中的时间频率测量主要用于确定位置和时间 信息。
其他导航系统如伽利略、格洛纳斯和北斗等也依赖于 时间频率测量技术来提供准确的定位和导航服务。
电力系统
01
电力系统中的时间频率测量主要用于保障电力系统的稳定运行 。
02
时间频率测量可以帮助监测电网的频率和相位，确保电力系统
的稳定性和可靠性。
在智能电网中，时间频率测量还可以用于优化能源调度和需求
时间频率的表示方法
时间频率可以用波形图或频谱图来表 示，波形图展示时间间隔和周期性变 化，而频谱图则展示不同频率分量的 幅度和相位。

信号与系统chapter 5 离散时间信号与系统的频域分析

信号与系统chapter 5 离散时间信号与系统的频域分析

P(e j
)
2π N
∞
k ∞
(
ks )
将
s
2π
代入上面两式可得：
N
离散时间信号抽样频谱
在离散时间抽样序列信号xp (n) 的频谱没有混叠失真的情况 下，用一个理想低通滤波器就可恢复出原信号x(n) ，如下图所示。
其中理想低通滤波器的频率特性为：
H
(e
j
)
N
0
≤ s 2
s
对应的冲激响应为：
arg
X
(e
j
)
arctg
1
asin a cos
其对应的幅度谱和相位谱如下图所示。
例5.2中傅里叶变换的幅度谱和相位谱
离散时间傅里叶变换的性质
1．线性特性
设 X1(ej ) DTFT[x1(n)], X2 (ej ) DTFT[x2 (n)]
则 DTFT[ax1(n) bx2 (n)] aX1(ej ) bX2 (ej )
例如有两个序列，从波形上看，一个变化快，另一个变化 慢，但都混有噪声，希望分别用滤波器滤除噪声，又不能损伤 信号。为了设计合适的滤波器，需要分析信号的频谱结构。
因此，有必要将时域信号转换到频率域，分析它的频域特 性，然后进行处理。
5.2 信号的抽样
信号的抽样包括时域抽样和频域抽样，本节仅讨 论信号的时域抽样。
将 p(t) 展开成傅里叶级数，得：p(t)
∞
(t nT )
∞
Cr e jrst
n∞
r ∞
在理想抽样中，为了使平移后的频谱不产生“混叠”失真，应
要频求率抽fs 样应频 等率于足或够大高于。信在号信最号高频xa率(t)
的频带受限的情况下，抽样

第5章时域测量PPT课件

第5章时域测量PPT课件
输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器等。
基本组成框图如下：
Y
uy 输入电路 前置放大
延迟线
后置放大
偏 转
板
X
触发放大
通
道
第24页/共44页
三、通用示波器的水平通 （一道）作用：产生随时间线形变化的扫描电压，再放大到足够的
幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到
满偏转。 （二）构成：触发电路、扫描电路和水平放大器等。
电子的位移与所加电压的大小成正比。
S
电子e
A2
Vy
vo
Va
偏转板 b
l
y
荧 光 屏
第8页/共44页
电子将以vo为初速度进入偏转板，电子经过偏转板后偏转距离y如下式
lS y 2bVa Vy
式中，l为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板
间距；Va为阳极A2上的电压。
对于设计定型后的示波器偏转系统，l、S、b、Va可视为常数，设
水平 放大器
Uy
0 t
0
Ux
t
第18页/共44页
1-2)设Y偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsinωt，X偏转板加锯齿波电压 Ux=kt，且有Tx=2Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。
Uy
0 t
0
Ux
t
第19页/共44页
2)设Y偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsinωt，X偏转板加锯齿波电压Ux=kt， 且有Tx=3/2 Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的不稳定波形。
Uy Uy
1
0
24t3-Uy Nhomakorabea1 2 04
3
Ux Ux

电子测量与仪器教学课件第5章 频率时间测量与仪器

电子测量与仪器教学课件第5章 频率时间测量与仪器
长期以来，人们把地球自转当作符合上述要求的频率源，把由地球自转确 定的时间计量系统称为世界时，它满足了当时人们的需要。随后，人们又 制定了根据太阳来计量时间的计时系统，称为平太阳时系统，这种计时系 统的精度比世界时有了大幅度的提高。
各地通过天文观测直接测定的世界时称为地方时，记做UT0。在UT0的基础 上修正了地球极移的影响，产生了UT1；在UT1的基础上修正了季节性变化 的影响，产生了UT2。它的稳定度比世界时提高了两个数量级，达到了 ±1×10-9量级。
石英晶体有很高的机械稳定性和热稳定性。压电效应使得石英晶体高度稳定的机械振 动可以直接控制电振荡，使电振荡频率也保持得非常稳定。图5.1-2所示为高稳定度 石英晶体振荡器的结构图。
绝热层
温度控制
加热器
传感器
晶体电路 频率调整
AGC放大器
隔离放大器
输
出
4.标准时频的传递
在当代实际生活、工作和科学研究中，人们越来越感觉到有统一的时间频率标准的重要性。 一个群体或一个系统的各部件的同步运作或确定运作的先后次序都迫切需要一个统一的时 频标准。通常时频标准采用下述两类方法提供给用户使用：本地比较法和发送-接收标准 电磁波法。这里所说的标准电磁波是指其时间频率受标准源控制的电磁波，或含有标准时 频信息的电磁波。
(1)谐振法。被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行松耦合，改变 可变电容 C，使回路发生串联谐振。谐振时回路电流I达到最大。
(2)电桥法。电桥法测频是利用电桥的平衡条件和被测信号频率有 关这一特性来测频的。交流电桥能够达到平衡，电桥的四个臂中 至少有两个电抗元件，其具体的线路有多种形式，这里以常见的 文氏电桥为例，介绍电桥法测频的原理，如图5.1-4所示。
5.1.5 频率和时间的测量原理

第五章频域分析法—频率法

第五章频域分析法—频率法

L( ) 20lg M ( )
对数相频曲线的纵坐标表示相频特性的函数值， 线性均匀分度，单位是度或弧度。
lg
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0.301 0.477 0.602 0.699 0.778 0.845 0.903 0.954 1
采用对数坐标图的优点是：
(1) 可以将幅值的乘除转化为加减。 (2) 可以采用简便方法绘制近似的对数 幅频曲线。 (3) 扩大了研究问题的视野。在一张图 上，既画出频率特性的中、高频段特性， 又能画出其低频特性，而低频特性对分 析、设计控制系统来说是极其重要的。
惯性环节的幅相特性曲线 j

M()
()
0 1 0




1
0 -90
O
3.对数坐标图—伯德图(H.W.Bode)
对数频率特性曲线又称伯德图，包括对数幅频 和对数相频两条曲线。 对数频率特性曲线的横坐标表示频率 ，并按 对数分度，单位是1/s。 对数幅频曲线的纵坐标表示对数幅频特性的函 数值，线性均匀分度，单位是分贝，记作dB。 对数幅频特性定义为
幅相曲线
1
对数幅频特性：
L( ) 20 lg G (j ) 20 lg 20 lg1 20 lg
T 22源自1 T 1 20 lg
T
2
1
对数相频特性： G(j ) arctanT
近似对数幅频特性： 当
1 T
时，T
-26.6 -45 -63.5 -71.5 -76
-78.7 -90
幅频和相频特性曲线
1 1 2T 2 1

第5章时间、频率测量及调制域分析.

第5章时间、频率测量及调制域分析.
To
vx=Vmsinωxt
触发误差 示意图
2、触发误差
vx=Vmsinωxt
✓ 若粗略分析，设正弦波正常触发点的斜率为 tg,
✓ 角因如为图一中 般虚 门线 电所 路标 采，用则过得零：触V发VTnn11，即ttggxdtddvdtvx，tx0因x此VxVm：mcocsosxt xt
T1
T2
Vn
To
1、计数器自检（自校）：在时基单元提供的闸门时
间内，对频率较高的标准频率进行计数，以检验
计数器的整机逻辑功能是否正常。
N
T Tc
f cT
2、用计数器测两路信号间时间及相位差 基于测 周电路， 改变门 控信号 的形成 过程。
Tx 2
T
3、用计数器对脉冲宽度、占空比测量：基于测周 电路，改变门控信号的形成过程。
fc (周期为Tc )的标准信号：加于主门输入 端，在闸门时间Tx内，标准频率脉冲信号 通过闸门形成计数脉冲，由计数值 N 计算
求得Tx。
Tx
NsTNkc hh
TNk
hcf
(5-2)
To
图5-3 电子计数器测量周期原理框图
图5-3计 数器测周 框图中各 点波形
三、电子计数器测量频率和周期的误差分析 1、电子计数器测频的测量误差
图5-2 电子计数器测频图5-2测频电路中
晶振标准频率信号和输入被测信号的 位置对调而构成的。当输入信号为正 弦波时，图中各点波形如图所示。
To
（二）电子计数器测周期/时间的原理：
① 控制闸门脉冲信号：由被测信号经放大整
形后形成，其宽度为被测信号的周期Tx。 ② 晶体振荡器的输出或经倍频后得到频率为
相对误差为：
fx

第五章 频率量、时间和相位差的测

第五章 频率量、时间和相位差的测

Un T1 tg
Un T2 tg
dux tg |ux u p t t p dt
2f xU m cos x t p
2 2 U m 1 sin x t p Tx
2 Um Tx
T1 T2
1(
U nTx
Up Um
Up Um )2
返 回 上 页
下 页
2)广播发射机的频率测量，其精确度应达到±1×105Hz。
3) 单 边 带 通 信 机 的 频 率 测 量 ， 其 精 确 度 应 达 到 ±1×10-7Hz。 4) 对 于 各 种 等 级 的 频 率 标 准 ， 则 应 在 ± 1 × 1 0 8~±1×10-13Hz。 2．频率测量方法分类 1) 比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较， 通过比较结果，获得被测信号的频率。 2)电容充放电式是利用电子电路控制电容充放电的次 数或时间常数，再用磁电式仪表测量充放电电流的 大小，从而指示出被测信号的频率值。
5.1.4
电子计数器的分类
1．按照测频量段不同分类
返 回
上 页
下 页
①低速型计数器：最高计数频率不大于10MHz；
②中速型计数器：计数频率为10~100MHz；
③高速型计数器：最高计数频率大于100MHz；
④微波计数器：测频范围为1~80GHz或更高。
2．按照计数器的功能分类
①通用计数器：是指具有测量频率和时间两种以上功 能的计数器，一般应有下列几种功能：测频、测时、 测周期、测频率比和累加计数功能。智能计数器、 计算计数器是通用计数器派生出来的，是带有微处 理器的通用计数器；
电子计数法测周原理
被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其 宽度等于KfTx。晶体振荡器的输出或经倍频后得到频 率为mfs的标准信号，其周期为Ts/m ，加于主门输入 端，在闸门时间Tx内，标准频率脉冲信号通过闸门形 成计数脉冲，送至计数器计数，经译码显示计数值N。
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（二）电子计数器的测周误差
Tx NTs
计数值N及标准信号周期Ts的误差会造成Tx的误差，这是 测周的基本误差。此外，测周是用被测信号开启闸门，被测信 号上的干扰可能会对开启闸门的时间造成误差，这称为触发误 差。 1基本误差
Ts f c Tx N Ts T Tx N Ts f c x
第五章 时间、频率测量及 调制域分析
第一节 时间的原始基准和标准
略
第二节 通用电子计数器
一、概述 电子计数器：采用电子学方法测出在一定时间内脉 冲数目，并显示测量结果的仪器。 通用计数器：集测量频率、周期、时间间隔、频率 比和计数等功能于一体。
二、电子计数器测量频率和周期的基本原理
两种工作模式：⑴在某确定的时间内计算被测信号 出现的个数；⑵在某未知时间内对已知周期的信号计数， 进而确定该未知的时间。
四、通用计数器的其他功能
（一）脉冲宽度的测量
（二）测两路信号间时间及相位差
Tx 2 T
（三）测量频率比
f1 N n f 2 10
f1——被测信号中较高频率 f2——被测信号中较低频率
N——计数值
10n——对频率较低信号的周期倍乘率 （四）累加计数
五、通用计数器的主要技术指标和使用注意事项
闸门时间为被 测周期Tx放大 h倍，时标信号 为石英振荡周 期Tc变换得到 的Ts
NTs NkT c Tx h h
三、电子计数器测频和测周的误差分析
（一）电子计数器的测频误差 fx＝N/T，fx的误差是N的误差与T的误差的合成。
fx
N T N T N T
1计数误差（±1误差）
调制域分析中，自变量是时间，因变量是信号的频率。
二、调制域分析仪的组成和工作原理
▼调制域分析仪要求显示在连续时间轴上频率的变化。 ▼把时间连续地分为足够细的小段，求出各小段的平均频率，并
给各小段加上时间标签。
三、调制域分析仪的应用
调制域分析仪可以观察信号频率随时间变化的情况、相位随时间变 化的情况等，即用来分析信号的动态特性。 （1）分析调频信号
（一）电子计数器测频基本原理 频率：周期信号每秒钟出现的次数。 测频：对确定时间T内信号出现的次数N进行计数， 则被测信号频率
N fx T
N fx T
T－计数时间（闸门时间）；通常取1ms，10ms，0.1s，1s，10s等
（二）电子计数器测周基本原理
测时间：在被测时段Tx内使计数器闸门开启，在这段时间内 对已知周期为Ts的时标信号计数，若计数值为N，则被测时间段 为NTs。 测周期：
Ts
Ts hTx
时标误差
触发误差
1 Vn h Vm
三部分合成总误差： T Ts f c 1 Vn x Tx fc h Vm hTx
Ts Tx f c 1 Vn n n Tx fc 10 Vm 10 Tx
（3）动态过程分析
（4）用统计直方图分析大量事件
N 1 1 N N Tf x
2时基误差
时基信号一般由石英振荡器产生，其误差的绝对值比计数误 差小一个数量级左右。 时基误差常用
T fc T fc
表示，fc为石英振荡器振荡频率。
3测频的总相对误差
fx N T N T fx N T
1 fc 1 fc fx fx N f c Tf x f c
（一）主要技术指标
1频率或时间测量范围
2灵敏度 3分辨力
4动态范围
5测量误差
（二）使用注意事项 1避免计数和显示值出错
2使用前要预热
3测试前进行仪器的自检 4选择合适的闸门、时标和周期倍乘 5减少信号中的干扰、毛刺和不稳定因素
第三节 计数器的改进和工作频率的扩展
第四节 调制域分析
一、调制域的基本概念
2触发误差 干扰信号叠加在被测信号上，引起触发误差。
T 1 Vn T Tx Vn T 2 Vm
△T1与△T2几何合成
3采用周期倍乘后的测周总误差
三部分：计数误差
N 1 N hTx N
Ts f c Ts fc
对调频信号分析：确定载波频率、调制信号波形、调制速率、调制 后信号的频率变化范围等等。
中心频率（载频） 155.52MHz 频率变化范围165KHz 调频速率（调制信号频率） 3kHz
（2）信号抖动及其原因分析
课本上实例为分析某时钟信号的抖动。
Yd (dBsec) 20lg Y (sec)
Yc 2 2 10( 173.90 20 ) 5.7 109 s 5.7ns Yd 2 2 10( 215.60 20 ) 46.9 1012 s 46.9 ps