原创 用时间戳计数器测量频率的方法(下)

在倒数计频器中，不管有没有采用内插法，频率测量都有一个规定的开始点(开始触发事件)和结束点(结束触发事件)。在每个测量的开始点和结束点之间都必定有一段死时间，用来将结果传输到输出接口上，并将计度器归零以及为下一次测量准备仪器的电子线路。但是连续时间戳计度器却不会有这种情况(如图3)。

连续时间戳计度器连续不断地记录输入信号触发事件和时间。在原理上，计数会不定地从一个开始点开始一直持续到计数链饱满并重新从零开始。有了规则的时间间隔(步调间隔)，就可以从各个计度器中读取瞬间的内容，以及计时内插值，而不需要中断计数器的运行。数值(触发事件或者“时间”和时间或者“时间戳”)被储存在高速存储器中。

读取和输入触发往往是同步的，也就是说，计算的输入周期的数值往往是一个精确值。正如在倒数计数器中的那样，任何不确定度都来自监控时间的不准确性。

在一定次数的事件被存储，或者过了一段时间之后，数据将会被分析、后处理，并显示给操作员。一个普通的倒数计数器只是在某一个时间段，例如1s内进行了频率测量之后，将最终数据传输出来，而一个连续时间戳计数器则能够保存并提供在同样的时间段内数百甚至数千个有时间戳的事件的信息。

一个传统的倒数计数器在以一个0.0的初始值开始测量之后，在测量结束时只显示一个数值。而一个连续时间戳计数器则能够提供双轴信息：在横轴上显示输入周期(事件)，纵轴显示时间(时间戳)。测量的开始和结束点之间的图线的弯曲则为平均时段(被输入周期数划分的总时间)。测量的分辨率，例如线条弯曲的不确定度，取决于测量中所采用的开始和结束点的不确定度。在时间戳计数器中，大量事件的信息被以图中的直线显示，每个都有一个特定的分辨率。

通过采用一个著名的统计学方法―线性回归―可以以一个(N)^0.5/2.4的因数来改进直线弯曲(测量时段的时间长度)的分辨率，此处的N是一个给定的测量时间内测量点的数值。例如，如果是1000个点，那么分辨率就通过一个参数(1000)^0.5/2.4=31.622/2.4=13.176来改进。图5和图6显示了相比于开始－结束的测量方法，如何通过应用线性回归来改进分辨率(或者说是直线弯曲的不确定度)。

借助线性回归，连续时间戳频率计数器可以通过利用测量的开始和结束点之间的大量“中介”数值来改进频率分辨率。此种测量方法还有其它好处，因为它本质是两维的，并能够提供一个真实时间标度，用来作为时间上彼此相关的单独的触发事件的参考(标准的倒数计数器只能提供单个数值，而不能显示时间上的相互关系)。相比于以单维形式测量的传统计数器，以一个真实时间标度来进行测量的连续时间戳频率计数器可以显示整个过程中频率的改变。这就像电压计的测量结果和显示时变电压的示波镜的测量结果之间的比较一样。真实时间标度也让连续时间戳计数器可以改进对测量数据例如一个快速傅立叶转换的后处理分析。

CNT-90(如图7)这样的连续时间戳计数器允许进行单个时间段的“背对背”测量，在测量之间没有死时间。在尝试检测“遗漏时段”以及要在一个序列中跟踪所有周期时，这一性能是相当重要的。对这一性能的应用是多种多样的，从串行数据通信系统和组件的评估，到机械旋转感应器的测试。传统的倒数计数器最多也就只能每隔一个时段进行测量，并还会导致所有测量中有50％的测量具有不确定性。而消除了倒数计数器中的死时间的连续时间戳计数器，则可以计算高频震荡器的阿伦方差，而这是测量相位噪音和频率稳定性中所必须的。

作者：Staffan Johansson