标签: 周期测量

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）