用时间戳计数器测量频率的方法(上)

计频器曾被视为是电压计级别的基本测量工具，能够依靠调制以较高的分辨率测量一个CW信号，并广泛用于校准振荡器。随着计频器的发展，测量仪器具有了测量脉冲的能力，并具备了能够处理调制波形上的测量的更宽的测量带宽。现代的计频器已经在性能上达到了新的水平，能够辨别会不断改变频率的动态信号。

在过去的十年间，计频器无论在设计还是在功能上都有了巨大的改变。当今的计频器，例如来自Pendulum Instruments (www.pendulum-instruments.com)的CNT-90，就运用了先进的测量原理，达到了很高的采样速度，分辨率也比以前的测试仪器要高。这个特别的计频器带有一个图形显示器，能够显示信号抖动和调制，以及其它量信号的重要特征。

从25年前第一个计频器的出现到现在，计频器的改进就一直在慢慢稳步进行。表中显示了计频器的不断更新换代中频率分辨率的改变。CNT-90是第四代产品，能够在内置存储器中存储250,000从测量，频率分辨率达到12位。由于它集合了计时器、计数器和分析器的功能，因此还可以分别以100ps和0.001deg.的分辨率测量时段(时间)和信号相位。

当今的计频器最普遍的一个测量方法是一种被称为倒数计数的技术。这个方法以测量输入信号中两个同样的触发点之间的时间(时钟脉冲)为基础。在这些开始和停止的触发事件中，仪器计量信号周期(N)的数量，以及产生于TN时段的来自内置基准振荡器的时钟脉冲。接着，内置的微处理器依据"N/TN"来计算频率，或者依据"TN/N"来计算时段；此处的N是来自两个触发点的测量信号周期的整数次数。

在倒数计数中，计数器测量一个多重时段TN(在N个周期中)，这个多重时段会被微处理器转化成频率。当然，这个频率是时段(f=T-1)的倒数值。需要强调的是，N是一个整数，因为测量(两个计数链的开始/停止)和输入信号是同步的(而不是和时钟脉冲同步)(图2)。但是测量和时钟脉冲却是完全不同步的。因此，也就有可能出现部分时钟脉冲时段被计量到，而部分则没有被计量到的情况。

因此，对于倒数计频器，时间测量TN中的分辨率就是一个时钟脉冲时段。大多数计频器都结合了一个能够转换成一个100ns的时段的10MHz基准振荡器。不管输入信号频率是多少，这个基准都能够使1s(100ns/1s=10-7)的测量时间内，相对分辨率(相当于被测量时间划分开来的绝对分辨率)为7位。

如果这样的分辨率对于某些应用来说还不够的话怎么办？我们可以有很多种方法来改进标准的倒数计频器的7位分辨率。其中的一个方法就是增大基准时钟频率。通过将时基振荡器的时钟频率在10ns的时间内从10MHz增加到100MHz，也可以改进分辨率。经过改进，对于1s的测量时间，分辨率将为8位(10ns/1s=10-8)。

内插计频器的测量分辨率则有更进一步的改进。内插计频器具有倒数计频器的基本性能，以及一个时间周期的时间测量不确定度。这是因为时钟脉冲周期中测量的开始和结束点是未知的。借助一个特殊的插入电路，可以决定测量开始和结束时的时钟脉冲的相位角。此时总是有两个同样的内插器同时在运行：一个用于开始触发事件，一个则是用于结束触发事件。

这样的内插器可以以多种方式构造。其中一个较为普遍的就是模拟内插器，其触发事件和时钟信号之间的时间差被转换成一个模拟电压，可以通过一个模数转换器(ADC)来测量。通过内插，时间测量的分辨率就在理论上从“数字时钟脉冲计数”方法的100ns改进到一个时钟时段和内插器计数的内插因数之间的比值。

实际上要达到这样的准确度是很难的，因为有数个误差来源存在，包括内插线性，这些误差源必须准确定位和控制。内插因数一般是在100到500之间。时钟频率为10MHz时，标准的时间分辨率会是200ps到1ns(传统的10-MHz基准时钟的分辨率为100ns)，而在1s的测试时间内分辨率可以达到9到10位。CNT-81计时器/计数器/分析器将插入法和一个100MHz的基准时钟振荡器接合起来，来实现50ps的时间分辨率和1s测量时间内的11位的频率分辨率。