頻率計(jì)數(shù)器精度、分辨率和誤差介紹

頻率計(jì)數(shù)器和間隔計(jì)時(shí)器的精度和分辨率是使用這些測(cè)試儀器或選擇使用儀器時(shí)的重要參數(shù)。

分辨率和準(zhǔn)確性是兩個(gè)根本不同的數(shù)字，盡管它們?cè)谀承┓矫媸锹?lián)系在一起的。

頻率計(jì)數(shù)器或間隔計(jì)時(shí)器的精度也有幾個(gè)要素。整體精度由各種不同的因素決定。

要解釋頻率計(jì)數(shù)器的讀數(shù)，必須了解精度和分辨率之間的區(qū)別，并了解它們的含義。

頻率計(jì)數(shù)器分辨率

頻率計(jì)數(shù)器的分辨率是它能夠區(qū)分兩個(gè)彼此接近的信號(hào)。它是信號(hào)頻率讀數(shù)中位數(shù)的量度。

大多數(shù)頻率計(jì)數(shù)器是所謂的直讀計(jì)數(shù)器，分辨率由門時(shí)間決定。這是計(jì)數(shù)器計(jì)算脈沖數(shù)或轉(zhuǎn)換交叉數(shù)的時(shí)間。

由于一秒內(nèi)的交叉次數(shù)等于頻率，因此一秒的門時(shí)間將使頻率能夠讀取到1 Hz的分辨率?？梢钥闯?，對(duì)于其他門時(shí)間，0.1 秒的門時(shí)間將實(shí)現(xiàn) 10 Hz 的分辨率，而 10 秒的門時(shí)間將實(shí)現(xiàn) 0.1 Hz 的分辨率。

由此可以看出，對(duì)于直接讀取頻率計(jì)數(shù)器，分辨率是門時(shí)間的函數(shù)。

頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量誤差

頻率計(jì)數(shù)器或間隔定時(shí)器的測(cè)量精度更難確定，因?yàn)樗窃S多因素的函數(shù)。在進(jìn)行不同類型的測(cè)量時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)幾類測(cè)量誤差，其中一些會(huì)影響計(jì)數(shù)器定時(shí)器。這些不準(zhǔn)確之處可以總結(jié)如下：

時(shí)基誤差：雖然時(shí)基是準(zhǔn)確的，但其實(shí)際精度取決于所使用的時(shí)鐘振蕩器的類型，其精度將直接影響整體頻率計(jì)數(shù)器精度。振蕩器精度是各種振蕩器誤差的總和：

電源/線路電壓變化：電源輸入電壓的變化將導(dǎo)致晶體振蕩器的電壓變化。變化的水平將取決于任何電壓調(diào)節(jié)器的有效性，但總會(huì)有一些小的電壓變化。這可能導(dǎo)致晶體振蕩器電壓出現(xiàn)小誤差，這些誤差將反映在頻率計(jì)數(shù)器定時(shí)器誤差中。

溫度穩(wěn)定性：用于時(shí)鐘或時(shí)基的晶體振蕩器的溫度穩(wěn)定性是誤差或不準(zhǔn)確的主要來(lái)源之一。在一定溫度范圍內(nèi)，短期穩(wěn)定性通常以百萬(wàn)分之幾為單位。通常，當(dāng)想要進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量時(shí)，明智的做法是讓測(cè)試儀器在進(jìn)行測(cè)量前的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)預(yù)熱并讓溫度穩(wěn)定下來(lái)。烘箱控制的晶體振蕩器可能會(huì)更快地達(dá)到其指定的精度，但經(jīng)驗(yàn)通常表明，在進(jìn)行任何準(zhǔn)確測(cè)量之前，允許頻率計(jì)數(shù)器或任何其他測(cè)試儀器在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)預(yù)熱和穩(wěn)定。

短期穩(wěn)定性：短期變化包括短期頻率變化等因素，包括相位噪聲/相位抖動(dòng)。如果相位噪聲很高，則可能意味著柵極周期可能會(huì)變化或抖動(dòng)，其量可能導(dǎo)致門控的脈沖少于或超過(guò)實(shí)際柵極時(shí)間允許通過(guò)的脈沖。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性：這種形式的晶體振蕩器頻率誤差會(huì)隨時(shí)間推移而發(fā)生。雖然許多高級(jí)晶體振蕩器都經(jīng)過(guò)預(yù)老化處理，但這些誤差仍然在一定程度上發(fā)生。通常，它們?cè)谝粋€(gè)月內(nèi)以百萬(wàn)分之一表示。之所以需要這么長(zhǎng)的時(shí)間，是因?yàn)樗ダ系挠绊懕欢唐谟绊懰谏w，時(shí)間要短得多。通過(guò)定期重新校準(zhǔn)測(cè)試儀器，可以減少因頻率計(jì)數(shù)器定時(shí)器時(shí)鐘老化而產(chǎn)生的誤差。

±計(jì)數(shù)錯(cuò)誤：頻率計(jì)數(shù)器誤差的一種形式發(fā)生在柵極打開(kāi)和關(guān)閉相對(duì)于輸入波形的精確時(shí)間上。有時(shí)，時(shí)基可能會(huì)打開(kāi)，以便比其他時(shí)間多一個(gè)計(jì)數(shù)。由于時(shí)基時(shí)鐘和輸入波形之間存在非相干關(guān)系，因此會(huì)出現(xiàn)歧義。

頻率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)誤差在每種情況下，時(shí)基門打開(kāi)的時(shí)間相同，但在第一種情況下，將計(jì)算三個(gè)正向邊，而在第二種情況下，將計(jì)算兩個(gè)。其原因是兩個(gè)信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)序或相位。由于此錯(cuò)誤，兩個(gè)讀數(shù)之間可能存在一個(gè)計(jì)數(shù)的差異。

觸發(fā)錯(cuò)誤：頻率計(jì)數(shù)器上的觸發(fā)誤差是指由于輸入信號(hào)上的噪聲導(dǎo)致輸入門打開(kāi)或關(guān)閉或過(guò)晚而在時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器上發(fā)生的誤差。它們會(huì)導(dǎo)致輸入觸發(fā)器滯后窗口的一個(gè)限值在錯(cuò)誤的時(shí)間觸發(fā)，從而引入定時(shí)測(cè)量誤差。通過(guò)提高輸入電路的靈敏度，使噪聲產(chǎn)生更大的影響，可能會(huì)使這種誤差變得更糟。

系統(tǒng)誤差：測(cè)試儀器上的這種形式的測(cè)量誤差是由于啟動(dòng)和停止通道之間的不匹配而發(fā)生的。這可能是由于信道上升或下降時(shí)間的差異或傳播延遲差異造成的。

使用頻率計(jì)數(shù)器或間隔計(jì)時(shí)器時(shí)，有必要了解其局限性。一個(gè)關(guān)鍵是準(zhǔn)確性，另一個(gè)是它的分辨率。通過(guò)這種方式，可以以有意義的方式解釋讀數(shù)，并將公差應(yīng)用于所獲取的任何讀數(shù)。

審核編輯：黃飛