晶体振荡器本身就是一种频率控制元器件,因此进行频率测量是一件必要的事,正常来说,贴片振荡器的频率范围可以从8.000MHz~125.000MHz,这只是常用的范围,部分型号还可以达到更高.近年来甚至出来了GHz级的频点单位,只是没有量产化,每一颗晶振都只有一种频率,贴片振荡器的频点相对来说,大部分会比普通无源系列的要高.常见的几种振荡器类型有SPXO,TCXO,VCXO,OCXO等,每一种都有不同的特性和功能作用,以下是各大贴片振荡器频率测量的方法.

所有数字设备都需要参考时钟,并且振荡器广泛用于此目的.需要精确的频率测量来验证高性能器件的频率特性.本应用笔记概述了各种石英晶振频率测量方法和设备,旨在帮助SiTime MEMS振荡器用户准确测量频率.不同频率计数器的测量结果不匹配不同频率计数器的测量结果不匹配可能是由下列原因中的一个或多个原因引起的.

1)当两种类型的设备使用不同的参考信号时:频率计的基本模型通常是使用廉价TCXO晶振的内部参考发射机.其频率稳定性为1至5ppm,老化速率为约2至3ppm/年.如果从参考发射器获得的参考信号包含频率误差,则误差反映在频率计数器的测量结果中.图1比较了使用相同频率计数器并将参考振荡器源切换到内部TCXO参考并切换到高精度外部铷参考时的测量结果.

图1:SiT8208 25MHz振荡器的频率测量结果,使用与内部TCXO参考同步的Agilent53132A频率计数器和外部铷参考.门控时间1秒.测量结果之间的差异为4.6ppm.

2)当闸门时间和测量仪器规格不同时:将频率计数器中测量晶振的输入信号与参考变送器的信号进行比较的时间称为闸门时间,这会影响分辨率和测量时间.如果在测量仪器之间设置不同的门时间,即使使用相同的参考信号也可以获得不同的结果.而且,即使参考信号和栅极时间相同,如果分辨率设置不同,结果可能与短的栅极时间不一致.

由于信号质量导致的大频率计数器错误

如果信号质量不足,频率计数器测量结果可能会无意中增加或加倍.这些通常在使用探头获取信号时发现,仪器输入设置为高阻抗模式(例如1MΩ).第6章讨论了信号质量对频率测量的影响以及推荐的探测方法.

不同的门控时间导致频率计数器不一致

石英晶体振荡器频率计的测量误差与门控时间成反比.如图4所示,门时间越短,误差越大.有关频率计数器的详细信息,

用示波器测量的频率变化很大

示波器测量输入信号的每个数据周期的频率,但处理测量值的方法根据设置和型号而变化.您可以在一次捕获中对整个时段进行平均,也可以通过重复捕获来平均.从一个周期的数据中获得的频率受周期抖动和示波器内部噪声的影响,导致数千ppm的变化.尽管通过获取和平均数千个周期的周期数据可以大大减少误差,但它仍然没有达到使用频率计数器可以容易地获得的ppm级精度.图2显示了使用高端示波器进行频率测量的示例.

图2:使用AgilentDSA90604A示波器进行频率测量的示例

如何选择参考变送器

测量可以说是通过将有源晶振与已知标准进行比较来检查未知数量的工作.在频率测量中,该标准是时基.如果时基精度不足,则由于测量系统中的缺陷引起的系统误差将被添加到原始频率测量中.产生的误差是时基不准确度(dfTB)和测量误差(dfMeas)之和,导致δfδδfTBδδfMeas.在开始测量之前,必须选择具有所需精度的正确时基.表1显示了典型的时基源和精度.

表1典型的时基选项

与其他时基相比,GPS同步时基具有几个优点.

-由于可以在所有远程位置使用相同的时基,因此可以在石英晶振频率测量中获得高相关性.

-不需要校准.

建议使用GPS同步时基进行精确测量和高相关.铷时基也可用于大多数应用.除GPS同步时基外,所有时基都需要校准.

使用频率计进行测量

频率计设计用于测量精确频率,是首选仪器.早期频率计数器采用直接计数方法,只能通过硬件轻松配置,但缺点是测量分辨率在门控时固定,测量误差取决于输入频率(见附录).

现代频率计数器使用倒数计数法.在该方法中,通过使输入信号与栅极时间同步来测量参考有源石英晶振的频率.因此,测量分辨率根据参考发射器频率和测量时间而变化,并且不受输入频率的影响.通过增加参考时钟的频率可以提高分辨率,但是通过插入一个或多个时钟周期的短周期可以获得更高的分辨率(参见图3).这是通过模拟插值器将从输入信号的起始脉冲到参考时钟的第一脉冲的时间间隔Ta和从输入信号的停止脉冲到参考时钟的第一脉冲的时间间隔Tb扩展而获得的.最新型号的分辨率达到20ps或更低.

图3:具有时间戳功能的倒数频率测量

图4:频率测量误差(ppb)与栅极时间的关系.Twotime间隔测量结果代表不同的频率计数器.该图假设完美的时基.

图5:各种门控时间的频率测量结果;每个门控时间50个样本.输入信号是Agilent33250A功能g的20MHz正弦波.显示了通过将门控时间从100ms减少到10ms,将20MHz输入信号的分辨率限制为5ppb(0.1Hz)的测量数据.

注意:某些型号具有通过在浇口时间内执行其他测量来提高精度的功能.实例包括Keysight(前身为Agilent)制造的53132A和53230A.因此,它与门时间有关.

测量误差(TIntTGateD/)不适用于所有型号.

以下两个因素决定了频率测量误差.

1.时基准确性和稳定性

2.相对于门时间的时间间隔测量误差

如果选择具有高精度时基的高分辨率模型并且应用足够的栅极时间,则可以提高测量精度.SiTime建议将门控时间设置为100ms或更长,并使用GPS同步,恒温晶振或铷标准作为时基.有关模型精度和分辨率的详细信息,请参阅随附的手册.如果使用精确的时基,则通过选择更高分辨率的频率计数器并增加门控时间,测量精度更准确.SiTime是100ms或更长的门控时间建议使用GPS校正或铷时基.示波器广泛用于测量时钟信号参数.

示波器时间精度和量化噪声

数字示波器从内置的模数转换器收集定期测量的数据,并将模拟输入转换为数字信号.在测量频率时,交叉点通常在幅度的50％的水平上触发,并且通过在两点之间插值来检测准确的时间.第一个点就在交叉点之前,第二个点就在交叉点之后(见图6).此时的测量时间系统取决于示波器内部时钟的精度和量化噪声.时间精度由t1和t2定义,量化噪声由V1和V2定义.

图6:示波器量化噪声对定时测量的影响

门时间和时基约束

最新的高性能数字示波器具有内置功能,可以测量捕获波形中包含的所有周期,并具有出色的时间精度.但是,由于存储器容量限制,最大采样率受到限制.唯一可以在模式中捕获的时间(通常最长1毫秒).这有效地限制了最大栅极时间,从而限制了测量精度.此外,示波器时基主要是低的.它用于抖动和频率稳定性不是那么好.但是,可以通过从外部接收参考时钟来改善它.

信号探头

无论重复多少次平均循环,信号质量都可能影响频率测量.如果石英晶振由于上升或下降时信号质量下降而导致触发电平过度,则会重复.可以记录大量的回报(.这称为双触发,测量值高于表观频率.

信号周期测量

许多示波器在捕获波形时只能测量一个时钟周期.相对误差非常大,并随输入信号的频率而增加.信号具有高频周期总是包含在内,这些也会导致很大的错误.重复捕获和平均多次可以将误差降低到测量极限,但需要时间并达到ppm级别的精度.