标签: 高精度频率测量

当我们在利用频率计数器测量频率或周期的时候，很多时候会看到测量的读数会剧烈跳动。如果是12位数字显示，跳动的数字可能是后3-4位，甚至更多。这时候，我们就可能不知所措，不知如何读数，也不知是信号的问题还是计数器本身的问题   事实上，计数器本事是一种宽带的仪器，对于输入信号的相应非常灵敏。但这有时也会造成一些麻烦，特别是当输入的信号上伴有噪声的时候。对计数器来说，所有信号看来都基本相同。正弦波、方波、谐波和噪声。 计数器关心的只是信号一连串的过零，计数器认为过零触发的信号频率就是要测量的频率， 至于信号形状如何，它根本不关心。如果是纯净信号，这一过程就不存在问题。但带有噪声或毛刺的信号会“欺骗”计数器在信号“假”的过零点上触发。此时计数器就不能得到实际的计数。幸而高质量的计数器都提供解决这一问题的方法。它们首先要求在记录过零前，信号需先通过两个低和高的滞后阈值。这两个电平间的间隔称为触发灵敏度，滞后带，触发带，或其它一些类似术语。   其次是高质量的计数器还能让您调节这一带的宽度，以把不需要的触发减到最少。如下图所示，输入的信号带有一个会造成计数器出现“错误”触发的毛刺成分。由于触发带很窄，计数器在毛刺信号的点1 和点3上被触发，但又同时，在实际被测信号的点2和点4)也被触发。这时如果看读数，就会变得乱七八糟。   通过调节触发带使计数器变得不太灵敏，但您就能避免这些寄生触发。在下图中，触发带有足够的宽度（也就是灵敏度足够低），使过零的寄生不会引起计数。计数器记录2次有效过零，并按此计算相应的频率。 当然，这种方法也并不适用于所有种类的噪声信号。如下图的信号。这时一个正弦信号上带有噪声， 对这样的信号，调整触发灵敏度就未必是一个好的办法。 我们就需要考虑其他的方法。 其中一个办法就是 通过调整触发电平，使其“避开”最容易产生噪声的地方。例如在这个信号中，信号有“干净”的地方和“噪声”的地方。如果我们将触发电平放置在“干净”的地方，在信号的这个位置相对比较稳定，其抖动可能最小。 还有就是将触发电平放置在信号上升或下降沿最陡的地方，这时触发就会相对稳定。读数也会相对稳定。实现起来非常简单，就是在调整触发电平的时候，观察显示的变化。当显示最为稳定的时候，就说明触发电平的位置是最好的。   当然，还有一个大家都常用的方法，即使用信号平均。在测试数据显出现跳动是，启用计数器的平均模式。 平均模式能实际改进您的测量质量。通过减小信号中随机变量的影响，平均减少了显示的变化数字。   总之，如果显示数据在不停的跳动，表明信号中可能存在噪声。您可以根据噪声的特点和测试要求，通过把计数器转为低灵敏度模式、改变触发电平或启用平均模式， 将测试数据显示稳定下来。   安捷伦公司有一系列的计数器应用提示的视频材料，已经配上了中文字幕，上传到了优酷网上。您可以登录 http://u.youku.com/user_show/uid_Agilentchina 随时观看     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

让我们来看看以下这个显示。这是利用安捷伦的53230A高性能频率计数器测量一个10MHz晶振的显示结果。从这个显示结果上，我们可以看到11位数字显示， 分辨率高达1mHz！这还不是 53230A的全部能力。如果设定12位数字显示，其分辨率更可达到微赫兹级！！ 测量一个10MHz的信号，分辨率达到微赫兹级，这的确让人惊叹。但千万不要认为，这是的测量误差也能达到同样的量级。  把分辨率等同于精度是常见的错误。两者之间有联系，但却是完全不同的概念。 分辨率定义为计数器区别相近频率的能力， 如下图。这与显示位数和输入信号的频率有关。显示位数是越多越好。 但显示位数必须得到精度的支持。如果有其它误差使计数器的测量结果偏离真实频率时，其高位数并无实际意义。也就是说计数器提供的可能是对不正确频率的非常精细的读数。 真实测量精度是随机误差和系统误差的函数。随机误差是分辨率不确定度的来源，它包括量化误差（在闸门时间窗内围绕最终计数的不确定度），触发误差（如在噪声尖峰上触发）和时基的短期不稳定度。系统误差是测量系统内的偏移，它使读数偏离信号的真实频率。这里包括时基晶体的影响，如老化，以及温度和电网电压变化等等。 下图中比较了两台计数器。计数器A 有好的分辨率和很大的偏移误差，计数器B 分辨率差，但系统偏移误差较小，结果是在大多数情况下，计数器A 显示结果的精度要比计数器B 低。 数学家John Tukey 对此解释为对正确问题的近似答案远优于对错误问题的精确答案。确保频率和时间参数测量的高精度， 需要从仪器的校准、时基的选择、降低触发误差等多多方面考虑。 因此，我们将在下几篇博文中谈这些问题。      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