精確的頻率測(cè)量和時(shí)間測(cè)量

　　從用戶角度來(lái)看，重要的是要知道晶體振蕩器會(huì)隨著時(shí)間而產(chǎn)生老化，而且老化是能容易地預(yù)測(cè)，可以通過(guò)校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于不同的晶體振蕩器，老化率是一個(gè)已知的常數(shù)，這樣我們就能通過(guò)查看計(jì)數(shù)器的老化率指標(biāo)確定何時(shí)需要校準(zhǔn)。假定老化率為4x10-8/天。在校準(zhǔn)后的第300天，老化將在總精度計(jì)算中增加1.2x10-5的時(shí)基誤差。如果測(cè)量的信號(hào)是1MHz,其不確定度為±12Hz。如果您認(rèn)為這個(gè)不確定度再加上計(jì)數(shù)器測(cè)量中的其它固有不確定度(如+/1誤差)是可接受的，您就不需要校準(zhǔn)。否則就需要校準(zhǔn)。

　　如果采用更為穩(wěn)定的時(shí)基，在精度要求不變的情況下，可以延長(zhǎng)校準(zhǔn)周期。例如，如果老化率是4x10-9/天(高穩(wěn)時(shí)基的指標(biāo))，即使在校準(zhǔn)后的第十年，老化將在總精度計(jì)算中也只增加1.5x10-5的時(shí)基誤差。如果測(cè)量的信號(hào)是1MHz，其不確定度為±15Hz，與普通實(shí)際300天一校準(zhǔn)可達(dá)到的精度指標(biāo)相當(dāng)。

　　時(shí)間間隔的精確測(cè)量方法

　　在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證的過(guò)程中，很多的應(yīng)用需要精確的時(shí)間間隔測(cè)量，例如雷達(dá)信號(hào)入射波和反射波的時(shí)間間隔、信號(hào)通過(guò)傳輸線的延遲，兩信號(hào)之間的延遲等等。在精確測(cè)量時(shí)間間隔后，可以將其與頻率進(jìn)行換算，可以獲得信號(hào)之間的相位差等參數(shù)。還有信號(hào)的占空比等。

　　示波器往往是最多用于這種測(cè)量的工具。但除去個(gè)別價(jià)格嚇人的示波器外，通用示波器都很難精確測(cè)量。例如，目前市面上典型的通用示波器的采樣率為1-10GSa/s，可以提供的單次測(cè)量時(shí)間分辨率充其量也就是100ps。

　　如果你需要時(shí)間間隔測(cè)量的分辨率達(dá)到100ps之內(nèi)，手頭又沒(méi)有超過(guò)30萬(wàn)的銀子，你可以考慮使用先進(jìn)的頻率計(jì)數(shù)器來(lái)完成這項(xiàng)工作。例如Agilent 53230A來(lái)講，可以提供20ps的單次時(shí)間測(cè)量分辨率，相當(dāng)于50G采樣率的示波器。而價(jià)格只有3萬(wàn)人民幣左右。

　　我將對(duì)53230A的20ps單次測(cè)量時(shí)間分辨率(SSR)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入的說(shuō)明。SSR是指當(dāng)事件達(dá)到信號(hào)邊沿的閾值時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)間上對(duì)事件的分辨能力。20ps SSR計(jì)時(shí)技術(shù)指標(biāo)屬于業(yè)界領(lǐng)先的水平。如果我們需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔，例如兩個(gè)信號(hào)上升沿的延遲，我們可以使用平方根值來(lái)計(jì)算出頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量這兩個(gè)事件時(shí)間間隔時(shí)的分辨率，因此對(duì)于53230A，單次測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)上升沿的分辨率(SSR)等于：

　　這是單次測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件時(shí)的分辨率，我們可以通過(guò)對(duì)多次測(cè)量的結(jié)果求平均值來(lái)消除隨機(jī)誤差，從而實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間間隔測(cè)量分辨率。當(dāng)然，這樣做的代價(jià)就是降低了測(cè)量速度?，F(xiàn)在SSR分辨率往往與時(shí)間間隔測(cè)量有關(guān)，但是每次計(jì)數(shù)器測(cè)量歸根到底基本上都是計(jì)時(shí)測(cè)量，因此計(jì)數(shù)器的SSR越好，頻率測(cè)量的分辨率越高。

　　由于計(jì)數(shù)器將在兩個(gè)通道上測(cè)量函數(shù)發(fā)生器輸出的同一方波的上升沿，我們可以忽略函數(shù)發(fā)生器輸出的信號(hào)的抖動(dòng)。

　　利用頻率計(jì)數(shù)器能精確測(cè)量頻率、周期、時(shí)間間隔、占空比等于時(shí)間相關(guān)的參數(shù)。其精度和分辨率都要高于示波器數(shù)十倍至千萬(wàn)倍。