原创 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