时间间隔测量

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1．直接计数法

基本原理如图8．6－2所示

图8．6－2 时间间隔测量的直接计数法

测量原理与直接计数法测量频率基本相同，区别在于测量时间间隔时，控制电子门的闸门时间等于所测的时间间隔。内部晶振振通过倍频或分频产生时基。在电子门打开期间，时基脉冲进入计数条进行计数。设所计的数值为N，所选的时基为τ₀，则所测时间间隔为

τ=Nτ₀ (8．6－2)

时间间隔测量的不确定度通常用绝对误差表示。对上式进行微分得

dτ=Ndτ₀+τ₀dN

第一项是晶振频率不准造成的，第二项与测频时一样，仍然是dN=±1。第一项如用频率准确度表示，则有

其中：τ－所测时间间隔

－晶振周期或晶振频率准确度

由±1计数引入的测量不确定度称为测量分辨率。它等于测量仪所能选用的最小时基τ₀。

2．游标法

利用长度测量中游标卡尺的原理。

在图8．6－2中，Δτ₁和Δτ₂均小于时基τ₀，故测不出，此时Δτ₁和Δτ₂可用游标法测量。现以Δτ₁的测量为例，如图8．6－3所示。

图8．6－3 游标法(1)

原来的时基τ₀称为主时基，需要产生一个副时基τ₁，且τ₁＞τ₀，但两者之差很小，即τ₁－τ₀《τ₀

当时间间隔起始脉冲A到达时，触发副时基发生器，副时基信号与信号A同步，副时基起始脉冲与随后到来的主时基脉冲间隔即为Δτ₁。随后两个时基同时运行，由τ₁＞τ₀，相当于副时基追赶主时基，每追过一个脉冲，两者的间隔就缩短τ₁－τ₀，当两者间隔为零时，一共追过了N个脉冲，则Δτ₁=N₁(τ₁－τ₀)。此式可从图8．6－3中准确得出。由图中可得

N₁τ₀+Δτ₁=N₁τ₁

Δτ₁=N₁(τ₁－τ₀) (8．6－4)

Δτ₂的测量略有些差异，如图8．6－4所示

图8．6－4 游标法(2)

按Δτ₁的测量原理，此时测得值为Δτ，

即 Δτ=N₂(τ₁－τ₀)

但 Δτ₂=τ₀－Δτ

故 Δτ₂=τ₀－N₂(τ₁－τ₀) (8．6－5)

目前使用较普遍的美国HP5370时间间隔计数器用的就是游标法。基本原理如图8．6－5所示

图8．6－5 游标法测时计数器

启动信号A通过控制器1同时触发副时基1发生器和打开副门1，计数器1开始对时基τ₁脉冲进行计数。副时基信号与主时基信号加到符合器1上，当两者符合时，使副门1关闭，计数器1计的数为N₁。

同理，停止信与B通过控制器2触发副时基2和打开副门2，最后计数器2计的数为N₂。

主计数门由两个符合器的输出控制，第一符合器打开主门，第二符合器关闭主门。主计数器计的数为N₀

设τ为欲测的时间间隔，则从图中所示关系可得：

τ=T₁+T₀－T₂

=N₁τ₁+N₀τ₀－N₂τ₂

一般取τ₁=τ₂，故

τ=N₀τ₀+(N₁－N₂)τ₁ (8．6－6)

此结果由运算器给出

在HP5370中，τ₀=5ns，由内部晶振频率10MHz倍频到200MHz后得到。

τ₁由200MHz信号通过综合得到，其关系为，由此得τ₁≈5．0195ns。

由于三个计数器的闸门信号与各自输入的时基信号都是同步的，故三个计数都没有±1计数误差，误差的来源是在符合电路上，两路信号可能提前一次符合，也可能落后一次，则引入的误差为τ₁－τ₀=5．0195ns－5ns≈20ps。这就是HP5370计数器给出的测量时间间隔的分辨率。

【参考文献】：

［1］王义遒等，量子频标原理，科学出版社，1986。

［2］吴守贤等，时间与频率，科学出版社，1983。

［3］黄秉英等，时间频率的精确测量，计量出版社，1986。

［4］王江现代测量技术，计量出版社，1987。

［5］P. Kartaschoff ,Frequency and Time,Academic Press ,1978.

［6］J. A. Barnes et al. ,Characterization of frequency stability, IEEE Trans Instrum Meas. IM —20,p.105—120,1971.

［7］Time and frequency:Theory and Fundamentals,NBS Manograph 140,1974.

［8］D. W. Allan ,The measurement of fruquency and frequency stability of precision oscillator,Proc.6th Ann PTTI Planning Meeting.

［9］Annual Report of the BIPM Time Sectina,1974.