用時(shí)間戳計數器測量頻率的方法(上)

計頻器曾被視為是電壓計級別的基本測量工具，能夠依靠調制以較高的分辨率測量一個(gè)CW信號，并廣泛用于校準振蕩器。隨著(zhù)計頻器的發(fā)展，測量?jì)x器具有了測量脈沖的能力，并具備了能夠處理調制波形上的測量的更寬的測量帶寬?，F代的計頻器已經(jīng)在性能上達到了新的水平，能夠辨別會(huì )不斷改變頻率的動(dòng)態(tài)信號。

在過(guò)去的十年間，計頻器無(wú)論在設計還是在功能上都有了巨大的改變。當今的計頻器，例如來(lái)自Pendulum Instruments (www.pendulum-instruments.com)的CNT-90，就運用了先進(jìn)的測量原理，達到了很高的采樣速度，分辨率也比以前的測試儀器要高。這個(gè)特別的計頻器帶有一個(gè)圖形顯示器，能夠顯示信號抖動(dòng)和調制，以及其它量信號的重要特征。

從25年前第一個(gè)計頻器的出現到現在，計頻器的改進(jìn)就一直在慢慢穩步進(jìn)行。表中顯示了計頻器的不斷更新?lián)Q代中頻率分辨率的改變。CNT-90是第四代產(chǎn)品，能夠在內置存儲器中存儲250,000從測量，頻率分辨率達到12位。由于它集合了計時(shí)器、計數器和分析器的功能，因此還可以分別以100ps和0.001deg.的分辨率測量時(shí)段(時(shí)間)和信號相位。

當今的計頻器最普遍的一個(gè)測量方法是一種被稱(chēng)為倒數計數的技術(shù)。這個(gè)方法以測量輸入信號中兩個(gè)同樣的觸發(fā)點(diǎn)之間的時(shí)間(時(shí)鐘脈沖)為基礎。在這些開(kāi)始和停止的觸發(fā)事件中，儀器計量信號周期(N)的數量，以及產(chǎn)生于TN時(shí)段的來(lái)自?xún)戎没鶞收袷幤鞯臅r(shí)鐘脈沖。接著(zhù)，內置的微處理器依據N/TN來(lái)計算頻率，或者依據TN/N來(lái)計算時(shí)段；此處的N是來(lái)自?xún)蓚€(gè)觸發(fā)點(diǎn)的測量信號周期的整數次數。

在倒數計數中，計數器測量一個(gè)多重時(shí)段TN(在N個(gè)周期中)，這個(gè)多重時(shí)段會(huì )被微處理器轉化成頻率。當然，這個(gè)頻率是時(shí)段(f=T-1)的倒數值。需要強調的是，N是一個(gè)整數，因為測量(兩個(gè)計數鏈的開(kāi)始/停止)和輸入信號是同步的(而不是和時(shí)鐘脈沖同步)(圖2)。但是測量和時(shí)鐘脈沖卻是完全不同步的。因此，也就有可能出現部分時(shí)鐘脈沖時(shí)段被計量到，而部分則沒(méi)有被計量到的情況。

因此，對于倒數計頻器，時(shí)間測量TN中的分辨率就是一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)段。大多數計頻器都結合了一個(gè)能夠轉換成一個(gè)100ns的時(shí)段的10MHz基準振蕩器。不管輸入信號頻率是多少，這個(gè)基準都能夠使1s(100ns/1s=10-7)的測量時(shí)間內，相對分辨率(相當于被測量時(shí)間劃分開(kāi)來(lái)的絕對分辨率)為7位。

如果這樣的分辨率對于某些應用來(lái)說(shuō)還不夠的話(huà)怎么辦？我們可以有很多種方法來(lái)改進(jìn)標準的倒數計頻器的7位分辨率。其中的一個(gè)方法就是增大基準時(shí)鐘頻率。通過(guò)將時(shí)基振蕩器的時(shí)鐘頻率在10ns的時(shí)間內從10MHz增加到100MHz，也可以改進(jìn)分辨率。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，對于1s的測量時(shí)間，分辨率將為8位(10ns/1s=10-8)。

內插計頻器的測量分辨率則有更進(jìn)一步的改進(jìn)。內插計頻器具有倒數計頻器的基本性能，以及一個(gè)時(shí)間周期的時(shí)間測量不確定度。這是因為時(shí)鐘脈沖周期中測量的開(kāi)始和結束點(diǎn)是未知的。借助一個(gè)特殊的插入電路，可以決定測量開(kāi)始和結束時(shí)的時(shí)鐘脈沖的相位角。此時(shí)總是有兩個(gè)同樣的內插器同時(shí)在運行：一個(gè)用于開(kāi)始觸發(fā)事件，一個(gè)則是用于結束觸發(fā)事件。

這樣的內插器可以以多種方式構造。其中一個(gè)較為普遍的就是模擬內插器，其觸發(fā)事件和時(shí)鐘信號之間的時(shí)間差被轉換成一個(gè)模擬電壓，可以通過(guò)一個(gè)模數轉換器(ADC)來(lái)測量。通過(guò)內插，時(shí)間測量的分辨率就在理論上從“數字時(shí)鐘脈沖計數”方法的100ns改進(jìn)到一個(gè)時(shí)鐘時(shí)段和內插器計數的內插因數之間的比值。

實(shí)際上要達到這樣的準確度是很難的，因為有數個(gè)誤差來(lái)源存在，包括內插線(xiàn)性，這些誤差源必須準確定位和控制。內插因數一般是在100到500之間。時(shí)鐘頻率為10MHz時(shí)，標準的時(shí)間分辨率會(huì )是200ps到1ns(傳統的10-MHz基準時(shí)鐘的分辨率為100ns)，而在1s的測試時(shí)間內分辨率可以達到9到10位。CNT-81計時(shí)器/計數器/分析器將插入法和一個(gè)100MHz的基準時(shí)鐘振蕩器接合起來(lái)，來(lái)實(shí)現50ps的時(shí)間分辨率和1s測量時(shí)間內的11位的頻率分辨率。