标签: 频率测量

某工控设备开发厂商的设备中采用单片机控制电路，单片机使用外接的两脚晶体振荡器产生11.0592MHz的工作时钟，用户希望能够精确测量工作时钟的频率。 但用示波器测量频率一方面测不准，另一方面测量时还会出现晶体停振的情况，对于这种晶体的频率测量有没有好的办法呢？ 问题分析：在分析晶体停振原因前，先要了解不同振荡器的区别。 一般来说，晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。通常对外界条件比较敏感的都是无源晶振。 无源晶振一般称为crystal（晶体），如下图所示，是由石英晶体按照特定角度和尺寸切割而成，其本身相当于一个高Q值得选频电路，需要借助外部谐振和反相器提供能量才能起振。 而有源晶振则叫做oscillator（振荡器），其内部除了晶体以外，还包含了起振和驱动电路。 下图是有源晶振的结构原理，可见其内部包含了谐振和输出端（Fout）的驱动电路。 有源晶振由于驱动能力强，通常不会在测量中造成停振，会造成停振的通常都是晶体。 出于成本的考虑，很多单片机采用类似下图的晶体谐振电路，通过晶体和并联的起振电容振荡出需要的工作频率。一般示波器标配的无源探头的寄生电容会在10～15pf左右，这样在测量时探头的电容并在谐振回路上会改变原振荡电路的电容值从而造成晶体停振。 一般无源探头的寄生电容都比较大，为了减小寄生电容，可以使用有源探头，有源探头的寄生电容通常在2pf以下，对于被测电路的影响比较小。 另外，一般示波器都是基于周期测量结果反算频率，测量误差比较大，频率计测量频率是最精确的，但是又没有办法直接连接示波器的有源探头，所以最好使用内置频率计功能的示波器。 测试步骤： 1、 选择寄生电容较小的有源探头。由于用户要测试的信号频率不高，选择1GHz左右带宽的有源探头就足够用了，很多1GHz有源探头的寄生电容在1pf左右，不会对晶体的谐振电路产生大的影响。 2、 选择有内置频率计功能的示波器。一般示波器做频率测量时基于周期测量的，不太准确，而一些带内置频率计的示波器其频率测量分辨率可以达到5位，连接外部10MHz的参考时分辨率可以达到7位。为了提高测量精度，可以从其它比较精准的信号发生器、铷钟或者频率计上引一个10MHz的参考信号送到示波器的外参考时钟输入端，并设置示波器使用外部参考时钟。 3、 通过示波器探头连接被测信号，并在示波器上开启频率计数的测量功能。下图是用一款带内置频率计的示波器对晶体振荡器频率的测量结果，可以看到，这种方法可以提供到ppm级别的测量分辨率（具体精度取决于外参考时钟的频率精度），并且避免了由于探头寄生电容对于被测电路的影响。 问题总结：这里主要是尽量选用容性小的有源探头，以减小探头电容对无源晶振的影响，同时通过内置频率计的示波器实现精确的频率测量。

上篇文章谈到了频率和时间测量的分辨率和精度。相信很多工程师会感兴趣测量一个结果后，其误差或不确定度到底是多少。测量的不确定度是由3个因素构成的，即 基本不确定度 = k* (随机不确定度 ± 系统不确定度 ± 时基不确定度) 事实上，要获得准确的随机不确定度和系统不确定度是一件非常恐怖的事情。它是与众多参数相关的非常复杂的函数。如果诸位有兴趣了解这个，可以到网上查阅安捷伦53200 系列频率计数器的详细资料，出版号是  5990-6283CHCN。 好在安捷伦的工程师将这个复杂的运算公式做成了一个简单的表格。您只需输入测量的相关设置和结果，这个表格可以自动帮助你得出不确定度。如果有兴趣，可以与安捷伦的电话服务中心联系 400-810-0189   关于随机不确定度和系统不确定度，这与闸门时间和测量次数密切相关。简单地讲，延长闸门时间和增加测量次数，都可以降低者两个不确定度。但时基的不确定度是由计数器本身的老化和工作环境，以及其本身的相位噪声等参数决定的。频率计数器的测量精度始于时基，因为它建立了测量输入信号的参考。更好的时基有可能得到更好的测量。例如，如果时基的月老化率是0.1ppm，仪器在校准后一个月内使用，它对10MHz 信号测量带来的不确定度则是 1Hz。 但如果老化率是0.01ppm, 其带来的不确定度只有0.1Hz.   环境温度对石英晶体的振动频率有很大影响，可根据热行为把时基技术分为三类: 1. 标准时基。标准或“室温”时基，不使用任何类型的温度补偿或控制。其最大优点是便宜，但它也有最大的频率误差。下图中的曲线示出典型晶体的热行为。随着环境温度的改变，频率输出能变化5ppm或更高。对于1MHz信号为±5Hz，因此是测量中必须考虑的重要因素。在通用侧测试仪器，如示波器、函数信号发生器、频谱仪中，采用的是这种时基。在过去低端的频率计数器，其标准配置的时基也这这种得标准时基 2. 温度补偿时基。有时，我们也称之为高稳时基。一种解决晶体热变化的方法是让振荡器电路中的其它电子元件补偿其热响应。这种方法可稳定其热行为，把时基误差降低到约0.1ppm（对1MHz信号为±10.1Hz）典型的事安捷伦53200A系列频率计数器标准配置的时基就是这种，其老化率可达到0.1ppm。 有时，这种时基也被用于输出频率精度更高的信号源，如安捷伦的33520A系列函数和任意波性发生器，这种时基就是一个选件 3. 恒温槽控制。稳定振荡器输出的最有效方法是让晶体免受温度变化。计数器设计师把晶体放入恒温槽，保持其温度在热响应曲线的特定点。从而能得到好得多的时基稳定度，典型误差只有0.0025ppm（对于1MHz 信号为±0.0025Hz）。   所得到的好处还不仅仅是与温度相关的精度。恒温槽控制时基还能降低晶体老化效应，从而不需要频繁地送校计数器。例如标准Agilent 53220A RF计数器的月老化率 0.2ppm ( 对于1MHz 信号为± 0 . 2Hz)。而可选高稳定度恒温槽则降到每月 0.01ppm（对于1MHz 信号为±0.01Hz）。即标准时基的老化要比高稳定型高出20 倍.    4. 外部时基。 当用频率计数器测量一些高精度和高稳定性晶振的时候，如有些无线基站的时基要求0.1ppm - 0,01ppm 的稳定性，几经与频率计数器可选择的恒温槽时基相当，这是，我就需要选择更高稳定性的外部时基。最通常用的是铷钟。在安捷伦的频率计数器中，都有一个外时钟输入接口，可以输入外部的铷钟信号，替代其内部的时基   有一点需要注意的是，无论温补时基还是恒温槽时基，如果希望达到其指标，需要仪器有一个预热的时间，通常是30分钟。因此，在使用频率计数器的时候，应尽量避免关机。但这会给外场测试带来很多麻烦。要在天寒地冻的环境下等待仪器30分钟的预热，会让人疯掉的。一个好的选择是给频率计数器加一个电池选件。这个电池选择不仅能省去了介入220V 交流电的麻烦，更重要的是能让恒温槽时基经常性的保证需要的温度， 让使用者无需等待30分钟余热。   即使时基非常稳定，但经过一段时间同样会出现老化，会偏离设定的值，会提高测试的不确定性。这就需要对时基进行校准。关于时基校准的话题，我们下次再讲。     该系列文章列表： 精确的频率和时间测量 - 分辨率和精度 精确的频率和时间测量 - 时基的选择 精确的频率和时间测量 - 降低噪声的影响 精确的时间和频率测量- 频率计数器的校准 精确的时间和频率的测量 - 时间间隔的精确测量方法

在产品研发和设计验证的过程中，很多的应用需要精确的时间间隔测量， 例如雷达信号入射波和反射波的时间间隔、信号通过传输线的延迟，两信号之间的延迟等等。 在精确测量时间间隔后，可以将其与频率进行换算，可以获得信号之间的相位差等参数。还有信号的占空比等   示波器往往是最多用于这种测量的工具。但除去个别价格吓人的示波器外，通用示波器都很难精确测量。 例如，目前市面上典型的通用示波器的采样率为1-10GSa/s, 可以提供的单次测量时间分辨率充其量也就是100ps.   如果你需要时间间隔测量的分辨率达到100ps 之内，手头又没有超过30万的银子，你可以考虑使用先进的频率计数器来完成这项工作。例如Agilent 53230A 来讲，可以提供20ps的单次时间测量分辨率，相当于50G采样率的示波器。而价格只有3万人民币左右。   我将对 53230A 的 20 ps 单次测量时间分辨率（SSR）技术指标进行深入的说明。SSR 是指当事件达到信号边沿的阈值时，计数器在时间上对事件的分辨能力。20 ps SSR 计时技术指标属于业界领先的水平。如果我们需要测量两个事件之间的时间间隔，例如两个信号上升沿的延迟，我们可以使用平方根值来计算出频率计数器测量这两个事件时间间隔时的分辨率，因此对于 53230A，单次测量两个信号上升沿的分辨率（SSR） 等于：     这是单次测量两个事件时的分辨率，我们可以通过对多次测量的结果求平均值来消除随机误差，从而实现更高的时间间隔测量分辨率。当然，这样做的代价就是降低了测量速度。现在 SSR 分辨率往往与时间间隔测量有关，但是每次计数器测量归根到底基本上都是计时测量，因此计数器的 SSR 越好，频率测量的分辨率越高。    我们来看这样一个测试实例： 在工作台上利用 53230A 测量函数发生器输出信号的时间间隔。演示所使用的示波包括 53230A 通用计数器和33522A 函数发生器， 以及二条 BNC 电缆和一个 BNC T 型头组成。如图所示，首先给计数器的通道 1 馈送连续方波，随后通过另一条 BNC 电缆将波形传输到通道 2     由于计数器将在两个通道上测量函数发生器输出的同一方波的上升沿，我们可以忽略函数发生器输出的信号的抖动。通道 1 和 2 之间的 BNC 电缆的长度不同，我们可以看到下图的测试结果。在测量了119，401次后，两路之间的信号平均价时间差是1.484ns, 相当于两根BNC线又约0.45米的长度差距。 因此，单从显示看，时间的分辨率已经达到了非常高的程度。     我们可以使用计数器的统计功能获得的时间间隔测量的标准偏差， 如以上屏幕所示，我们得到的标准偏差为 15 ps（用红圈表示）。如果假设所有的时间间隔测量结果都在 3 个标准偏差之内，那么我们在这个这个时间间隔测量中看到的最大分辨率大约为 22.5 ps， 也就是说，测量两个信号之间的时间间隔时，分辨率是22.5ps. 我们可以用这个数据，用以上的公式推算出 53230A 的单次测量分辨率（SSR），结果约等于 16 ps。这意味着工作台上的 53230A 达到并超过了 20 ps 的业界领先 SSR 技术指标。   因此，利用频率计数器能精确测量频率、周期、时间间隔、占空比等于时间相关的参数。其精度和分辨率都要高于示波器数十倍至千万倍。您可以访问安捷伦在优酷网上的视频中心，观看更多关于频率计数器应用的视频。 http://u.youku.com/user_show/uid_Agilentchina     该系列文章列表： 精确的频率和时间测量 - 分辨率和精度 精确的频率和时间测量 - 时基的选择 精确的频率和时间测量 - 降低噪声的影响 精确的时间和频率测量- 频率计数器的校准 精确的时间和频率的测量 - 时间间隔的精确测量方法

在以往的很长一段时间里，我听到很多工程师抱怨利用示波器测量频率、周期或相位差的准确性。事实上，示波器是一个通用性很强的工具。但正是由于通用性太强了，他针对每一参数测量的分辨率和精度往往会打折扣。比如说，示波器可以测量DC 或ACVrms, 但要精确测量，还是需要更精确的5位半或6位半的数字万用表。同样，如果希望更为精确测量与时间相关的参数，如周期、频率、相位差、时间间隔等，则更多使用的是频率计数器 频率计数器有两种频率测量的方式，即直接频率测量法和周期测量法 我们先来看看直接频率测量法。如下图所示，这是频率计的工作框图       在直接测量频率的时候，频率计的信号调理将输入的每个周期调理成一个个脉冲。频率计本身的时基则控制着时间闸门的开启和关闭。闸门开启的时间是可以设定的，直接计数器简单记录规定闸门时间内输入信号过零的脉冲次数。所得到的计数直接送至计数器的读出显示。这种方法既简单又便宜，但也意味着直接计数器的分辨率固定为Hz。例如，对于1s 的闸门时间，计数器能检测到的最低频率为1Hz（根据定义，1s 内过零一次为1Hz）。因此如果您正在测量10Hz信号，对1s 闸门时间的预期最好分辨率为1Hz，或2 位显示。对于1kHz 信号和1s 闸门，您能得到4 位。100kHz信号为6位，依此类推。下图表明了这一关系。   有趣的是直接计数器的闸门时间只能选为1s的十倍数或十分数，这也限制了您的测量灵活性。 例如输入的信号是100Hz， 如果我们设定片选门开启的时间是1s, 这是出来的读数可能是100， 但也可能是99或101 （频率计数器的+/-1Hz 效应）。如果我们输入的信号是99.999HZ， 就很难精确测量， 因为我们不可能把片选门的时间设得很长。 因此，这种测量方法，我们获得的读数分辨率实际上和输入信号的频率有关。     与之相反，周期测量则是利用的倒数计数器测量， 然后再换算成频率。在这种测量方式下，时间闸门是由输入信号控制的，即当信号开始的时候，闸门打开，结束时则闸门关闭（如下图）。计数器数的脉冲数是频率计数器本身时基或其倍频的脉冲，有很高的频率和极高的稳定性。 鉴于其测量体系结构，对于给定的闸门时间，所得到的分辨率为显示位数（非Hz）。也就是说倒数计数器永远显示同样的分辨率位数，而与输入频率无关。 对于特定的闸门时间，您将看到按位数规定的倒数计数器分辨率，如“每秒12位”。如果你的输入信号是10MHz， 频率计能显示出来的分辨率可达到uHz极。这种分辨率是通用示波器的1千万倍以上！！     从以上简单的描述我们可以看出，频率计数器的测量频率完全利用其硬件的功能完成的，这与示波器或其他数字化仪相比，无论是测试分辨率、精度还是测试速度，都有很大的优势。 决定测量精度的一个重要的因素是仪器本事的时基老化率。 这个指标通常是用月老化率或年老化率。当然， 这个指标最高的当然是铯钟，这是国际通行的时间标准， 其年老化率通常在10负15次方以上。其次比较多用的是铷钟， 大概在10负12次方。频率计数器的时基范围在10负7次方到负10次方。而通用示波器则是10的负5次方左右， 比频率计数器差了2个数量级以上。即使是通用频谱仪， 也要低于频率计数器1个数量级以上。因此，在实验室中，频率计数器通常用于校准其他仪器的时基。在自动测试系统中，如果系统需要一个较高稳定度的时基，这个责任也通常会由频率计数器来承担   频率计数器除测量频率和周期外，还可以测量占空比、相位差、时间间隔等众多和时间相关侧参数。有关这部分的内容，且听下回分解     下接： 高精度测量基础 - 频率计数器(二）