用時間戳計數(shù)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(diào)制以較高的分辨率測量一個CW信號，并廣泛用于校準(zhǔn)振蕩器。隨著計頻器的發(fā)展，測量儀器具有了測量脈沖的能力，并具備了能夠處理調(diào)制波形上的測量的更寬的測量帶寬。現(xiàn)代的計頻器已經(jīng)在性能上達(dá)到了新的水平，能夠辨別會不斷改變頻率的動態(tài)信號。

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

從25年前第一個計頻器的出現(xiàn)到現(xiàn)在，計頻器的改進(jìn)就一直在慢慢穩(wěn)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(nèi)置存儲器中存儲250,000從測量，頻率分辨率達(dá)到12位。由于它集合了計時器、計數(shù)器和分析器的功能，因此還可以分別以100ps和0.001deg.的分辨率測量時段(時間)和信號相位。

當(dāng)今的計頻器最普遍的一個測量方法是一種被稱為倒數(shù)計數(shù)的技術(shù)。這個方法以測量輸入信號中兩個同樣的觸發(fā)點(diǎn)之間的時間(時鐘脈沖)為基礎(chǔ)。在這些開始和停止的觸發(fā)事件中，儀器計量信號周期(N)的數(shù)量，以及產(chǎn)生于TN時段的來自內(nèi)置基準(zhǔn)振蕩器的時鐘脈沖。接著，內(nèi)置的微處理器依據(jù)"N/TN"來計算頻率，或者依據(jù)"TN/N"來計算時段；此處的N是來自兩個觸發(fā)點(diǎn)的測量信號周期的整數(shù)次數(shù)。

在倒數(shù)計數(shù)中，計數(shù)器測量一個多重時段TN(在N個周期中)，這個多重時段會被微處理器轉(zhuǎn)化成頻率。當(dāng)然，這個頻率是時段(f=T-1)的倒數(shù)值。需要強(qiáng)調(diào)的是，N是一個整數(shù)，因為測量(兩個計數(shù)鏈的開始/停止)和輸入信號是同步的(而不是和時鐘脈沖同步)(圖2)。但是測量和時鐘脈沖卻是完全不同步的。因此，也就有可能出現(xiàn)部分時鐘脈沖時段被計量到，而部分則沒有被計量到的情況。

因此，對于倒數(shù)計頻器，時間測量TN中的分辨率就是一個時鐘脈沖時段。大多數(shù)計頻器都結(jié)合了一個能夠轉(zhuǎn)換成一個100ns的時段的10MHz基準(zhǔn)振蕩器。不管輸入信號頻率是多少，這個基準(zhǔn)都能夠使1s(100ns/1s=10-7)的測量時間內(nèi)，相對分辨率(相當(dāng)于被測量時間劃分開來的絕對分辨率)為7位。

如果這樣的分辨率對于某些應(yīng)用來說還不夠的話怎么辦？我們可以有很多種方法來改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的倒數(shù)計頻器的7位分辨率。其中的一個方法就是增大基準(zhǔn)時鐘頻率。通過將時基振蕩器的時鐘頻率在10ns的時間內(nèi)從10MHz增加到100MHz，也可以改進(jìn)分辨率。經(jīng)過改進(jìn)，對于1s的測量時間，分辨率將為8位(10ns/1s=10-8)。

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

這樣的內(nèi)插器可以以多種方式構(gòu)造。其中一個較為普遍的就是模擬內(nèi)插器，其觸發(fā)事件和時鐘信號之間的時間差被轉(zhuǎn)換成一個模擬電壓，可以通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來測量。通過內(nèi)插，時間測量的分辨率就在理論上從“數(shù)字時鐘脈沖計數(shù)”方法的100ns改進(jìn)到一個時鐘時段和內(nèi)插器計數(shù)的內(nèi)插因數(shù)之間的比值。

實際上要達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度是很難的，因為有數(shù)個誤差來源存在，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。時鐘頻率為10MHz時，標(biāo)準(zhǔn)的時間分辨率會是200ps到1ns(傳統(tǒng)的10-MHz基準(zhǔn)時鐘的分辨率為100ns)，而在1s的測試時間內(nèi)分辨率可以達(dá)到9到10位。CNT-81計時器/計數(shù)器/分析器將插入法和一個100MHz的基準(zhǔn)時鐘振蕩器接合起來，來實現(xiàn)50ps的時間分辨率和1s測量時間內(nèi)的11位的頻率分辨率。