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(diǎn)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(diǎn)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(shí)鐘,并且振蕩器廣泛用于此目的.需要精確的頻率測量來驗(yàn)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(jì)數(shù)器的測量結(jié)果不匹配不同頻率計(jì)數(shù)器的測量結(jié)果不匹配可能是由下列原因中的一個(gè)或多個(gè)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(shí):頻率計(jì)的基本模型通常是使用廉價(jià)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(jì)數(shù)器的測量結(jié)果中.圖1比較了使用相同頻率計(jì)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(shí)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(jì)數(shù)器和外部銣參考.門控時(shí)間1秒.測量結(jié)果之間的差異為4.6ppm.

2)當(dāng)閘門時(shí)間和測量儀器規(guī)格不同時(shí):將頻率計(jì)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(shí)間稱為閘門時(shí)間,這會影響分辨率和測量時(shí)間.如果在測量儀器之間設(shè)置不同的門時(shí)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(shí)間相同,如果分辨率設(shè)置不同,結(jié)果可能與短的柵極時(shí)間不一致.

由于信號質(zhì)量導(dǎo)致的大頻率計(jì)數(shù)器錯(cuò)誤

如果信號質(zhì)量不足,頻率計(jì)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(shí)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(shí)間導(dǎo)致頻率計(jì)數(shù)器不一致

石英晶體振蕩器頻率計(jì)的測量誤差與門控時(shí)間成反比.如圖4所示,門時(shí)間越短,誤差越大.有關(guān)頻率計(jì)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(gè)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(gè)時(shí)段進(jìn)行平均,也可以通過重復(fù)捕獲來平均.從一個(gè)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(gè)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(jì)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(shí)基.如果時(shí)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(shí)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(shí)基.表1顯示了典型的時(shí)基源和精度.

表1典型的時(shí)基選項(xiàng)

與其他時(shí)基相比,GPS同步時(shí)基具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn).

-由于可以在所有遠(yuǎn)程位置使用相同的時(shí)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(shí)基進(jìn)行精確測量和高相關(guān).銣時(shí)基也可用于大多數(shù)應(yīng)用.除GPS同步時(shí)基外,所有時(shí)基都需要校準(zhǔn).

使用頻率計(jì)進(jìn)行測量

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

現(xiàn)代頻率計(jì)數(shù)器使用倒數(shù)計(jì)數(shù)法.在該方法中,通過使輸入信號與柵極時(shí)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(shí)間而變化,并且不受輸入頻率的影響.通過增加參考時(shí)鐘的頻率可以提高分辨率,但是通過插入一個(gè)或多個(gè)時(shí)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(shí)鐘的第一脈沖的時(shí)間間隔Ta和從輸入信號的停止脈沖到參考時(shí)鐘的第一脈沖的時(shí)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(shí)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(shí)間的關(guān)系.Twotime間隔測量結(jié)果代表不同的頻率計(jì)數(shù)器.該圖假設(shè)完美的時(shí)基.

圖5:各種門控時(shí)間的頻率測量結(jié)果;每個(gè)門控時(shí)間50個(gè)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(shí)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(shí)間內(nèi)執(zhí)行其他測量來提高精度的功能.實(shí)例包括Keysight(前身為Agilent)制造的53132A和53230A.因此,它與門時(shí)間有關(guān).

測量誤差(TIntTGateD/)不適用于所有型號.

以下兩個(gè)因素決定了頻率測量誤差.

1.時(shí)基準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

2.相對于門時(shí)間的時(shí)間間隔測量誤差

如果選擇具有高精度時(shí)基的高分辨率模型并且應(yīng)用足夠的柵極時(shí)間,則可以提高測量精度.SiTime建議將門控時(shí)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(shí)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(shí)基,則通過選擇更高分辨率的頻率計(jì)數(shù)器并增加門控時(shí)間,測量精度更準(zhǔn)確.SiTime是100ms或更長的門控時(shí)間建議使用GPS校正或銣時(shí)基.示波器廣泛用于測量時(shí)鐘信號參數(shù).

示波器時(shí)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(shí),交叉點(diǎn)通常在幅度的50％的水平上觸發(fā),并且通過在兩點(diǎn)之間插值來檢測準(zhǔn)確的時(shí)間.第一個(gè)點(diǎn)就在交叉點(diǎn)之前,第二個(gè)點(diǎn)就在交叉點(diǎn)之后(見圖6).此時(shí)的測量時(shí)間系統(tǒng)取決于示波器內(nèi)部時(shí)鐘的精度和量化噪聲.時(shí)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(shí)測量的影響

門時(shí)間和時(shí)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(shí)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(shí)間(通常最長1毫秒).這有效地限制了最大柵極時(shí)間,從而限制了測量精度.此外,示波器時(shí)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(shí)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(shí)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(bào)(.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(shí)只能測量一個(gè)時(shí)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(cuò)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(shí)間并達(dá)到ppm級別的精度.