晶体振荡器测量(「技术课堂」使用MEMS 振荡器进行准确的频率测量)

引言

振荡器广泛应用于各种数字电子设备，提供参考时钟。验证高性能设备的频率特性需要精确的频率测量。本文介绍几种频率测量方法及测量仪器，旨在帮助使用 MEMS 振荡器的用户进行准确的频率测量。

常见频率测量问题

1.使用不同频率计数器进行测量，所得结果不吻合

使用不同频率计数器进行测量，所得到的结果不一致，这可能是由下列一个或多个原因导致。

A.两台仪器的频率基准有差别。频率计数器的基本配置，基于成本考虑，通常采用低成本的温补晶振（TCXO）作参考时钟，频率稳定度为1至5ppm，老化率为每年几个ppm。频率计数器参考时钟的误差会增加频率测量的误差。即使是同一个频率计数器使用内置TCXO或外接高精度铷钟（Rubidium）频率基准所得的测量结果也可能有差异，如图1例。请参阅第3节频率基准选择指南。

图1：SiT820825MHz振荡器的测量结果，安捷伦53132A频率计数器分别使用内置TCXO和外接铷钟作为参考时钟，门控时间为1s，测量结果的差异为4.6ppm

B.门控时间设置或计数器电路性能规格不同。即便仪器使用相同的频率基准，如果门控时间（Gatetime）设置不同，也可能会出现不同的测量结果。此外，如果用相同的门控时间和频率基准，但频率计数器电路分辨率不同，在低门控时间设置情况下，测量结果也可能有差异。请参阅第4节了解详细介绍。

2.频率计数器显示的频率明显高于预期

信号完整性不良造成的时钟波形畸变可能会无意中造成频率计数器测量的频率偏高，甚至比实际频率增加一倍。在通过信号探头将振荡器时钟输出信号接到频率测量仪器的方案中，当仪器的输入阻抗配置为高阻抗模式（例如1MΩ等），经常会遇到这种情况。第6节讨论了信号完整性对频率测量的影响，并提出了建议如何正确连接信号探头。

3.频率计数器用不同门控时间设置进行测量，所得结果不同

频率计数器的频率测量误差与门控时间成反比。如图4所示，门控时间越短，误差就越大。请参阅第4节了解有关频率计数器的详细介绍。

4.示波器频率测量显示巨大的差异

示波器可以对输入时钟信号的每一个周期进行频率测量。由于示波器的设置和具体测量方式的不同，测量结果既可能会是多组波形纪录信号周期的平均值，也可能是一组波形纪录中所有信号周期的平均值。根据第5节的介绍，单个信号周期的频率测量可以被信号本身的周期抖动及示波器内部噪声严重影响，从而使结果出现高达数千ppm的误差。采集数千个时钟周期样本并取平均值，可显著降低示波器频率测量的误差。但这种方法仍然不及频率计数器简捷，精度也远达不到频率计数器能很容易达到的ppm级别。图2是使用高性能示波器进行频率测量的例子。

图2：使用安捷伦DSA90604A示波器进行频率测量的例子

频率基准的选择

任何测量都是一个将未知量与已知参考量进行比较的过程。在频率测量过程中，将该参考信号源称为时钟基准。时钟基准不精确，会增加测量的系统误差。频率测量系统的误差是时钟基准精确度与计数器电路测量误差之和。

其中，时钟基准精确度为：

计数器电路测量误差为：

因此，频率测量系统的误差为：

选择稳定和精确的时钟基准是开始频率测量之前的必要步骤[1]。表1列出了典型时钟基准及其稳定性。

表1：典型时钟基准选项

与其它时钟基准相比，锁定GPS的时钟基准有以下优点：

-确保所有位于不同地点的仪器能使用相同的参考源，测量结果相关性更好；

-无需校准。

要实现最准确的频率测量及结果的关联性，建议使用锁定GPS的时钟基准。此外，铷钟也是在大多数情况下都可以接受的时钟基准。除锁定GPS的时钟基准外，所有时钟基准都需要定期校准。

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