晶體振蕩器本身就是一種頻率控制元器件,因此進(jìn)行頻率測量是一件必要的事,正常來說,貼片振蕩器的頻率范圍可以從8.000MHz~125.000MHz,這只是常用的范圍,部分型號還可以達(dá)到更高.近年來甚至出來了GHz級的頻點單位,只是沒有量產(chǎn)化,每一顆晶振都只有一種頻率,貼片振蕩器的頻點相對來說,大部分會比普通無源系列的要高.常見的幾種振蕩器類型有SPXO,TCXO,VCXO,OCXO等,每一種都有不同的特性和功能作用,以下是各大貼片振蕩器頻率測量的方法.

所有數(shù)字設(shè)備都需要參考時鐘,并且振蕩器廣泛用于此目的.需要精確的頻率測量來驗證高性能器件的頻率特性.本應(yīng)用筆記概述了各種石英晶振頻率測量方法和設(shè)備,旨在幫助SiTime MEMS振蕩器用戶準(zhǔn)確測量頻率.不同頻率計數(shù)器的測量結(jié)果不匹配不同頻率計數(shù)器的測量結(jié)果不匹配可能是由下列原因中的一個或多個原因引起的.

1)當(dāng)兩種類型的設(shè)備使用不同的參考信號時:頻率計的基本模型通常是使用廉價TCXO晶振的內(nèi)部參考發(fā)射機(jī).其頻率穩(wěn)定性為1至5ppm,老化速率為約2至3ppm/年.如果從參考發(fā)射器獲得的參考信號包含頻率誤差,則誤差反映在頻率計數(shù)器的測量結(jié)果中.圖1比較了使用相同頻率計數(shù)器并將參考振蕩器源切換到內(nèi)部TCXO參考并切換到高精度外部銣參考時的測量結(jié)果.

圖1:SiT8208 25MHz振蕩器的頻率測量結(jié)果,使用與內(nèi)部TCXO參考同步的Agilent53132A頻率計數(shù)器和外部銣參考.門控時間1秒.測量結(jié)果之間的差異為4.6ppm.

2)當(dāng)閘門時間和測量儀器規(guī)格不同時:將頻率計數(shù)器中測量晶振的輸入信號與參考變送器的信號進(jìn)行比較的時間稱為閘門時間,這會影響分辨率和測量時間.如果在測量儀器之間設(shè)置不同的門時間,即使使用相同的參考信號也可以獲得不同的結(jié)果.而且,即使參考信號和柵極時間相同,如果分辨率設(shè)置不同,結(jié)果可能與短的柵極時間不一致.

由于信號質(zhì)量導(dǎo)致的大頻率計數(shù)器錯誤

如果信號質(zhì)量不足,頻率計數(shù)器測量結(jié)果可能會無意中增加或加倍.這些通常在使用探頭獲取信號時發(fā)現(xiàn),儀器輸入設(shè)置為高阻抗模式(例如1MΩ).第6章討論了信號質(zhì)量對頻率測量的影響以及推薦的探測方法.

不同的門控時間導(dǎo)致頻率計數(shù)器不一致

石英晶體振蕩器頻率計的測量誤差與門控時間成反比.如圖4所示,門時間越短,誤差越大.有關(guān)頻率計數(shù)器的詳細(xì)信息,

用示波器測量的頻率變化很大

示波器測量輸入信號的每個數(shù)據(jù)周期的頻率,但處理測量值的方法根據(jù)設(shè)置和型號而變化.您可以在一次捕獲中對整個時段進(jìn)行平均,也可以通過重復(fù)捕獲來平均.從一個周期的數(shù)據(jù)中獲得的頻率受周期抖動和示波器內(nèi)部噪聲的影響,導(dǎo)致數(shù)千ppm的變化.盡管通過獲取和平均數(shù)千個周期的周期數(shù)據(jù)可以大大減少誤差,但它仍然沒有達(dá)到使用頻率計數(shù)器可以容易地獲得的ppm級精度.圖2顯示了使用高端示波器進(jìn)行頻率測量的示例.

圖2:使用AgilentDSA90604A示波器進(jìn)行頻率測量的示例

如何選擇參考變送器

測量可以說是通過將有源晶振與已知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較來檢查未知數(shù)量的工作.在頻率測量中,該標(biāo)準(zhǔn)是時基.如果時基精度不足,則由于測量系統(tǒng)中的缺陷引起的系統(tǒng)誤差將被添加到原始頻率測量中.產(chǎn)生的誤差是時基不準(zhǔn)確度(dfTB)和測量誤差(dfMeas)之和,導(dǎo)致δfδδfTBδδfMeas.在開始測量之前,必須選擇具有所需精度的正確時基.表1顯示了典型的時基源和精度.

表1典型的時基選項

與其他時基相比,GPS同步時基具有幾個優(yōu)點.

-由于可以在所有遠(yuǎn)程位置使用相同的時基,因此可以在石英晶振頻率測量中獲得高相關(guān)性.

-不需要校準(zhǔn).

建議使用GPS同步時基進(jìn)行精確測量和高相關(guān).銣時基也可用于大多數(shù)應(yīng)用.除GPS同步時基外,所有時基都需要校準(zhǔn).

使用頻率計進(jìn)行測量

頻率計設(shè)計用于測量精確頻率,是首選儀器.早期頻率計數(shù)器采用直接計數(shù)方法,只能通過硬件輕松配置,但缺點是測量分辨率在門控時固定,測量誤差取決于輸入頻率(見附錄).

現(xiàn)代頻率計數(shù)器使用倒數(shù)計數(shù)法.在該方法中,通過使輸入信號與柵極時間同步來測量參考有源石英晶振的頻率.因此,測量分辨率根據(jù)參考發(fā)射器頻率和測量時間而變化,并且不受輸入頻率的影響.通過增加參考時鐘的頻率可以提高分辨率,但是通過插入一個或多個時鐘周期的短周期可以獲得更高的分辨率(參見圖3).這是通過模擬插值器將從輸入信號的起始脈沖到參考時鐘的第一脈沖的時間間隔Ta和從輸入信號的停止脈沖到參考時鐘的第一脈沖的時間間隔Tb擴(kuò)展而獲得的.最新型號的分辨率達(dá)到20ps或更低.

圖3:具有時間戳功能的倒數(shù)頻率測量

圖4:頻率測量誤差(ppb)與柵極時間的關(guān)系.Twotime間隔測量結(jié)果代表不同的頻率計數(shù)器.該圖假設(shè)完美的時基.

圖5:各種門控時間的頻率測量結(jié)果;每個門控時間50個樣本.輸入信號是Agilent33250A功能g的20MHz正弦波.顯示了通過將門控時間從100ms減少到10ms,將20MHz輸入信號的分辨率限制為5ppb(0.1Hz)的測量數(shù)據(jù).

注意:某些型號具有通過在澆口時間內(nèi)執(zhí)行其他測量來提高精度的功能.實例包括Keysight(前身為Agilent)制造的53132A和53230A.因此,它與門時間有關(guān).

測量誤差(TIntTGateD/)不適用于所有型號.

以下兩個因素決定了頻率測量誤差.

1.時基準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

2.相對于門時間的時間間隔測量誤差

如果選擇具有高精度時基的高分辨率模型并且應(yīng)用足夠的柵極時間,則可以提高測量精度.SiTime建議將門控時間設(shè)置為100ms或更長,并使用GPS同步,恒溫晶振或銣標(biāo)準(zhǔn)作為時基.有關(guān)模型精度和分辨率的詳細(xì)信息,請參閱隨附的手冊.如果使用精確的時基,則通過選擇更高分辨率的頻率計數(shù)器并增加門控時間,測量精度更準(zhǔn)確.SiTime是100ms或更長的門控時間建議使用GPS校正或銣時基.示波器廣泛用于測量時鐘信號參數(shù).

示波器時間精度和量化噪聲

數(shù)字示波器從內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器收集定期測量的數(shù)據(jù),并將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.在測量頻率時,交叉點通常在幅度的50％的水平上觸發(fā),并且通過在兩點之間插值來檢測準(zhǔn)確的時間.第一個點就在交叉點之前,第二個點就在交叉點之后(見圖6).此時的測量時間系統(tǒng)取決于示波器內(nèi)部時鐘的精度和量化噪聲.時間精度由t1和t2定義,量化噪聲由V1和V2定義.

圖6:示波器量化噪聲對定時測量的影響

門時間和時基約束

最新的高性能數(shù)字示波器具有內(nèi)置功能,可以測量捕獲波形中包含的所有周期,并具有出色的時間精度.但是,由于存儲器容量限制,最大采樣率受到限制.唯一可以在模式中捕獲的時間(通常最長1毫秒).這有效地限制了最大柵極時間,從而限制了測量精度.此外,示波器時基主要是低的.它用于抖動和頻率穩(wěn)定性不是那么好.但是,可以通過從外部接收參考時鐘來改善它.

信號探頭

無論重復(fù)多少次平均循環(huán),信號質(zhì)量都可能影響頻率測量.如果石英晶振由于上升或下降時信號質(zhì)量下降而導(dǎo)致觸發(fā)電平過度,則會重復(fù).可以記錄大量的回報(.這稱為雙觸發(fā),測量值高于表觀頻率.

信號周期測量

許多示波器在捕獲波形時只能測量一個時鐘周期.相對誤差非常大,并隨輸入信號的頻率而增加.信號具有高頻周期總是包含在內(nèi),這些也會導(dǎo)致很大的錯誤.重復(fù)捕獲和平均多次可以將誤差降低到測量極限,但需要時間并達(dá)到ppm級別的精度.