用時(shí)間戳計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的方法

計(jì)頻器曾被視為是電壓計(jì)級(jí)別的基本測(cè)量工具，能夠依靠調(diào)制以較高的分辨率測(cè)量一個(gè)CW信號(hào)，并廣泛用于校準(zhǔn)振蕩器。隨著計(jì)頻器的發(fā)展，測(cè)量?jī)x器具有了測(cè)量脈沖的能力，并具備了能夠處理調(diào)制波形上的測(cè)量的更寬的測(cè)量帶寬?，F(xiàn)代的計(jì)頻器已經(jīng)在性能上達(dá)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(hào)。

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

從25年前第一個(gè)計(jì)頻器的出現(xiàn)到現(xiàn)在，計(jì)頻器的改進(jìn)就一直在慢慢穩(wěn)步進(jìn)行。表中顯示了計(jì)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(nèi)置存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)250,000從測(cè)量，頻率分辨率達(dá)到12位。由于它集合了計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)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(cè)量時(shí)段(時(shí)間)和信號(hào)相位。

當(dāng)今的計(jì)頻器最普遍的一個(gè)測(cè)量方法是一種被稱(chēng)為倒數(shù)計(jì)數(shù)的技術(shù)。這個(gè)方法以測(cè)量輸入信號(hào)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(chǔ)。在這些開(kāi)始和停止的觸發(fā)事件中，儀器計(jì)量信號(hào)周期(N)的數(shù)量，以及產(chǎn)生于T_N時(shí)段的來(lái)自?xún)?nèi)置基準(zhǔn)振蕩器的時(shí)鐘脈沖。接著，內(nèi)置的微處理器依據(jù)"N/T_N"來(lái)計(jì)算頻率，或者依據(jù)"T_N/N"來(lái)計(jì)算時(shí)段；此處的N是來(lái)自?xún)蓚€(gè)觸發(fā)點(diǎn)的測(cè)量信號(hào)周期的整數(shù)次數(shù)。

在倒數(shù)計(jì)數(shù)中，計(jì)數(shù)器測(cè)量一個(gè)多重時(shí)段T_N(在N個(gè)周期中)，這個(gè)多重時(shí)段會(huì)被微處理器轉(zhuǎn)化成頻率。當(dāng)然，這個(gè)頻率是時(shí)段(f=T^-1)的倒數(shù)值。需要強(qiáng)調(diào)的是，N是一個(gè)整數(shù)，因?yàn)闇y(cè)量(兩個(gè)計(jì)數(shù)鏈的開(kāi)始/停止)和輸入信號(hào)是同步的(而不是和時(shí)鐘脈沖同步)(圖2)。但是測(cè)量和時(shí)鐘脈沖卻是完全不同步的。因此，也就有可能出現(xiàn)部分時(shí)鐘脈沖時(shí)段被計(jì)量到，而部分則沒(méi)有被計(jì)量到的情況。

因此，對(duì)于倒數(shù)計(jì)頻器，時(shí)間測(cè)量T_N中的分辨率就是一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)段。大多數(shù)計(jì)頻器都結(jié)合了一個(gè)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)100ns的時(shí)段的10MHz基準(zhǔn)振蕩器。不管輸入信號(hào)頻率是多少，這個(gè)基準(zhǔn)都能夠使1s(100ns/1s=10^-7)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，相對(duì)分辨率(相當(dāng)于被測(cè)量時(shí)間劃分開(kāi)來(lái)的絕對(duì)分辨率)為7位。

如果這樣的分辨率對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)還不夠的話怎么辦？我們可以有很多種方法來(lái)改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的倒數(shù)計(jì)頻器的7位分辨率。其中的一個(gè)方法就是增大基準(zhǔn)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(nèi)從10MHz增加到100MHz，也可以改進(jìn)分辨率。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，對(duì)于1s的測(cè)量時(shí)間，分辨率將為8位(10ns/1s=10^-8)。

內(nèi)插計(jì)頻器的測(cè)量分辨率則有更進(jìn)一步的改進(jìn)。內(nèi)插計(jì)頻器具有倒數(shù)計(jì)頻器的基本性能，以及一個(gè)時(shí)間周期的時(shí)間測(cè)量不確定度。這是因?yàn)闀r(shí)鐘脈沖周期中測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)是未知的。借助一個(gè)特殊的插入電路，可以決定測(cè)量開(kāi)始和結(jié)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(nèi)插器同時(shí)在運(yùn)行：一個(gè)用于開(kāi)始觸發(fā)事件，一個(gè)則是用于結(jié)束觸發(fā)事件。

這樣的內(nèi)插器可以以多種方式構(gòu)造。其中一個(gè)較為普遍的就是模擬內(nèi)插器，其觸發(fā)事件和時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間差被轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬電壓，可以通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)測(cè)量。通過(guò)內(nèi)插，時(shí)間測(cè)量的分辨率就在理論上從“數(shù)字時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)”方法的100ns改進(jìn)到一個(gè)時(shí)鐘時(shí)段和內(nèi)插器計(jì)數(shù)的內(nèi)插因數(shù)之間的比值。

實(shí)際上要達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度是很難的，因?yàn)橛袛?shù)個(gè)誤差來(lái)源存在，包括內(nèi)插線性，這些誤差源必須準(zhǔn)確定位和控制。內(nèi)插因數(shù)一般是在100到500之間。時(shí)鐘頻率為10MHz時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間分辨率會(huì)是200ps到1ns(傳統(tǒng)的10-MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘的分辨率為100ns)，而在1s的測(cè)試時(shí)間內(nèi)分辨率可以達(dá)到9到10位。CNT-81計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器/分析器將插入法和一個(gè)100MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘振蕩器接合起來(lái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)50ps的時(shí)間分辨率和1s測(cè)量時(shí)間內(nèi)的11位的頻率分辨率。