精确的频率测量和时间测量

时间:2011-10-26来源:网络
4.外部时基。当用频率计数器测量一些高精度和高稳定性晶振的时候,如有些无线基站的时基要求0.1ppm-0,01ppm的稳定性,几经与频率计数器可选择的恒温槽时基相当,这是,我就需要选择更高稳定性的外部时基。最通常用的是铷钟。在安捷伦的频率计数器中,都有一个外时钟输入接口,可以输入外部的铷钟信号,替代其内部的时基

  有一点需要注意的是,无论温补时基还是恒温槽时基,如果希望达到其指标,需要仪器有一个预热的时间,通常是30分钟。因此,在使用频率计数器的时候,应尽量避免关机。但这会给外场测试带来很多麻烦。要在天寒地冻的环境下等待仪器30分钟的预热,会让人疯掉的。一个好的选择是给频率计数器加一个电池选件。这个电池选择不仅能省去了介入220V交流电的麻烦,更重要的是能让恒温槽时基经常性的保证需要的温度,让使用者无需等待30分钟余热。

  即使时基非常稳定,但经过一段时间同样会出现老化,会偏离设定的值,会提高测试的不确定性。这就需要对时基进行校准。关于时基校准的话题,我们后面会再讲。

  降低噪声的影响

  当我们在利用频率计数器测量频率或周期的时候,很多时候会看到测量的读数会剧烈跳动。如果是12位数字显示,跳动的数字可能是后3-4位,甚至更多。这时候,我们就可能不知所措,不知如何读数,也不知是信号的问题还是计数器本身的问题

  事实上,计数器本事是一种宽带的仪器,对于输入信号的相应非常灵敏。但这有时也会造成一些麻烦,特别是当输入的信号上伴有噪声的时候。对计数器来说,所有信号看来都基本相同。正弦波、方波、谐波和噪声。计数器关心的只是信号一连串的过零,计数器认为过零触发的信号频率就是要测量的频率,至于信号形状如何,它根本不关心。如果是纯净信号,这一过程就不存在问题。但带有噪声或毛刺的信号会“欺骗”计数器在信号“假”的过零点上触发。此时计数器就不能得到实际的计数。幸而高质量的计数器都提供解决这一问题的方法。它们首先要求在记录过零前,信号需先通过两个低和高的滞后阈值。这两个电平间的间隔称为触发灵敏度,滞后带,触发带,或其它一些类似术语。

  其次是高质量的计数器还能让您调节这一带的宽度,以把不需要的触发减到最少。如下图所示,输入的信号带有一个会造成计数器出现“错误”触发的毛刺成分。由于触发带很窄,计数器在毛刺信号的点1和点3上被触发,但又同时,在实际被测信号的点2和点4)也被触发。这时如果看读数,就会变得乱七八糟。

  

  通过调节触发带使计数器变得不太灵敏,但您就能避免这些寄生触发。在下图中,触发带有足够的宽度(也就是灵敏度足够低),使过零的寄生不会引起计数。计数器记录2次有效过零,并按此计算相应的频率。

  

  当然,这种方法也并不适用于所有种类的噪声信号。如下图的信号。这时一个正弦信号上带有噪声,对这样的信号,调整触发灵敏度就未必是一个好的办法。我们就需要考虑其他的方法。

  

  其中一个办法就是通过调整触发电平,使其“避开”最容易产生噪声的地方。例如在这个信号中,信号有“干净”的地方和“噪声”的地方。如果我们将触发电平放置在“干净”的地方,在信号的这个位置相对比较稳定,其抖动可能最小。还有就是将触发电平放置在信号上升或下降沿最陡的地方,这时触发就会相对稳定。读数也会相对稳定。实现起来非常简单,就是在调整触发电平的时候,观察显示的变化。当显示最为稳定的时候,就说明触发电平的位置是最好的。

  当然,还有一个大家都常用的方法,即使用信号平均。在测试数据显出现跳动是,启用计数器的平均模式。平均模式能实际改进您的测量质量。通过减小信号中随机变量的影响,平均减少了显示的变化数字。

  总之,如果显示数据在不停的跳动,表明信号中可能存在噪声。您可以根据噪声的特点和测试要求,通过把计数器转为低灵敏度模式、改变触发电平或启用平均模式,将测试数据显示稳定下来。

  频率计数器的校准

  虽然频率计数器的时基稳定性非常高,但为了确保其测试精度,在使用一段时间后,同样也需要校准。但一谈到校准,很多工程师就会想到每年一次的仪器校准。但频率计数器是否也是每年一校准呢?正确的回答是“视情况而定”。

  频率计数器的校准周期取决于计数器中的时基类型,计数器在测量期间经受的条件,最重要的是您需要多高的测量精度。为认识校准为什么不是一个简单问题,您必须回过来考虑计数器精度的特性。实际上,正如我们以前的文章中提到的,4个主要因素决定了频率计数器的测量精度:

  1.与计数器本身相关的时间稳定量性能因素,如计数器时基的温度稳定性。关于时基的选择,我们在前一篇文章中有详细说明。

  2.与计数器本身相关的时间变化量性能因素,如晶体振荡器时基的老化率。

  3.信号特性,如噪声的存在。

  4.您选择的设置,如闸门时间。

  所以当我们谈到计数器的精度指标时,看到的包括这一系列因素的复杂计算公式,而不是简单的数字。让我们集中关注第2点,即时基的老化率这个问题,来说明校准在起着什么作用。

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关键词: 频率测量 时间测量

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