计数器 - 精确的频率测量和时间测量

尽管计数器是测量电信号的电子仪器，但作为计数器心脏的石英晶体振荡器，实质上是一种机械装置。在经受各种物理扰动时，会改变它的振动频率，从而影响计数器的精度。这些不同扰动的累积效应即晶体振荡器的老化，校准计数器即是对老化的补偿。

　　

 

　　从用户角度来看，重要的是要知道晶体振荡器会随着时间而产生老化，而且老化是能容易地预测，可以通过校准进行补偿。对于不同的晶体振荡器，老化率是一个已知的常数，这样我们就能通过查看计数器的老化率指标确定何时需要校准。假定老化率为4x10-8/天。在校准后的第300天，老化将在总精度计算中增加1.2x10-5的时基误差。如果测量的信号是1MHz,其不确定度为±12Hz。如果您认为这个不确定度再加上计数器测量中的其它固有不确定度(如+/1误差)是可接受的，您就不需要校准。否则就需要校准。

　　如果采用更为稳定的时基，在精度要求不变的情况下，可以延长校准周期。例如，如果老化率是4x10-9/天(高稳时基的指标)，即使在校准后的第十年，老化将在总精度计算中也只增加1.5x10-5的时基误差。如果测量的信号是1MHz，其不确定度为±15Hz，与普通实际300天一校准可达到的精度指标相当。

　　时间间隔的精确测量方法

　　在产品研发和设计验证的过程中，很多的应用需要精确的时间间隔测量，例如雷达信号入射波和反射波的时间间隔、信号通过传输线的延迟，两信号之间的延迟等等。在精确测量时间间隔后，可以将其与频率进行换算，可以获得信号之间的相位差等参数。还有信号的占空比等。

　　示波器往往是最多用于这种测量的工具。但除去个别价格吓人的示波器外，通用示波器都很难精确测量。例如，目前市面上典型的通用示波器的采样率为1-10GSa/s，可以提供的单次测量时间分辨率充其量也就是100ps。

　　如果你需要时间间隔测量的分辨率达到100ps之内，手头又没有超过30万的银子，你可以考虑使用先进的频率计数器来完成这项工作。例如Agilent 53230A来讲，可以提供20ps的单次时间测量分辨率，相当于50G采样率的示波器。而价格只有3万人民币左右。

　　我将对53230A的20ps单次测量时间分辨率(SSR)技术指标进行深入的说明。SSR是指当事件达到信号边沿的阈值时，计数器在时间上对事件的分辨能力。20ps SSR计时技术指标属于业界领先的水平。如果我们需要测量两个事件之间的时间间隔，例如两个信号上升沿的延迟，我们可以使用平方根值来计算出频率计数器测量这两个事件时间间隔时的分辨率，因此对于53230A，单次测量两个信号上升沿的分辨率(SSR)等于：

　　

 

　　这是单次测量两个事件时的分辨率，我们可以通过对多次测量的结果求平均值来消除随机误差，从而实现更高的时间间隔测量分辨率。当然，这样做的代价就是降低了测量速度。现在SSR分辨率往往与时间间隔测量有关，但是每次计数器测量归根到底基本上都是计时测量，因此计数器的SSR越好，频率测量的分辨率越高。

　　由于计数器将在两个通道上测量函数发生器输出的同一方波的上升沿，我们可以忽略函数发生器输出的信号的抖动。

　　利用频率计数器能精确测量频率、周期、时间间隔、占空比等于时间相关的参数。其精度和分辨率都要高于示波器数十倍至千万倍。