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1. Einleitung
Jedes digitale elektronische Gerät benötigt einen Referenztakt und zu diesem Zweck werden häufig Oszillatoren eingesetzt. Die Überprüfung der Frequenzeigenschaften von Hochleistungsgeräten erfordert eine genaue Frequenzmessung. Dieses Dokument enthält einen Überblick über verschiedene Methoden und Instrumente zur Frequenzmessung und soll den Benutzern von SiTime MEMS-Oszillatoren helfen, genaue Frequenzmessungen durchzuführen.
2. Häufige Probleme bei der Frequenzmessung
2.1 Messungen mit unterschiedlichen Frequenzzählern stimmen nicht überein
Eine Diskrepanz zwischen den Messergebnissen verschiedener Frequenzzähler kann einen oder mehrere der folgenden Gründe haben.
1. Zwei Instrumente verwenden unterschiedliche Frequenzreferenzen. Basismodelle von Frequenzzählern sind in der Regel mit kostengünstigen TCXO-basierten Frequenzreferenzen mit einer Frequenzstabilität von 1 bis 5 ppm und einer Alterungsrate von einigen ppm/Jahr ausgestattet. Ein durch die Frequenzreferenz verursachter Fehler fügt einen Fehler zu den Messergebnissen hinzu. Abbildung 1 zeigt, wie sich die Messergebnisse eines Frequenzzählers unterscheiden können, wenn eine interne TCXO-Referenz im Vergleich zu einer externen hochpräzisen Rubidium-Referenz verwendet wird. Richtlinien zur Auswahl der Frequenzreferenz finden Sie in Abschnitt 3.
2. Gate-Zeiten oder Gerätespezifikationen sind unterschiedlich. Bei Verwendung derselben Frequenzreferenz können unterschiedliche Messergebnisse auftreten, wenn Instrumente unterschiedliche Gate-Zeiten verwenden. Wenn darüber hinaus Gate-Zeiten und Referenzen gleich sind, die Geräteauflösungen jedoch unterschiedlich sind, stimmen die Ergebnisse bei niedrigen Gate-Zeiten möglicherweise nicht überein. Weitere Informationen finden Sie in Abschnitt 4.
2.2 Die vom Frequenzzähler angezeigte Frequenz ist viel höher als erwartet
Eine schlechte Signalintegrität kann dazu führen, dass sich die vom Frequenzzähler gemessene Frequenz unbeabsichtigt erhöht oder sogar verdoppelt. Dies tritt häufig bei Prüfschemata auf, bei denen der Geräteeingang auf einen Hochimpedanzmodus (z. B. 1 MΩ) konfiguriert ist. In Abschnitt 6 werden die Auswirkungen der Signalintegrität auf die Frequenzmessung erörtert und Sondierungsempfehlungen gegeben.
2.3 Frequenzzählermessungen mit unterschiedlichen Torzeiten stimmen nicht überein
Der Frequenzmessfehler eines Frequenzzählers ist umgekehrt proportional zur Torzeit. Wie in Abbildung 4 dargestellt, ist der Fehler umso größer, je kürzer die Torzeit ist. Einzelheiten zu Frequenzzählern finden Sie in Abschnitt 4.
2.4 Oszilloskop-Frequenzmessung zeigt große Streuung
Oszilloskope führen Frequenzmessungen für jede Periode des Eingangssignals durch. Abhängig von den Einstellungen und Fähigkeiten des Oszilloskops können die Messergebnisse über mehrere Erfassungen oder über alle Signalperioden innerhalb einer einzelnen Erfassung gemittelt werden. Wie in Abschnitt 5 erläutert, wird die in einer einzelnen Periode durchgeführte Frequenzmessung stark durch Signalperiodenjitter und internes Rauschen im Oszilloskop beeinflusst, was zu einer Änderung der Ergebnisse um Tausende von ppm führt. Durch das Sammeln von Tausenden von Proben und die Bildung des Mittelwerts wird der Fehler erheblich reduziert, aber diese Methode bietet immer noch keine Genauigkeit im ppm-Bereich, die mit einem Frequenzzähler leicht erreicht werden kann. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Frequenzmessung mit einem High-End-Oszilloskop.
3. Auswahl der Frequenzreferenz
GPS-basierte Zeitbasen bieten gegenüber anderen Referenzen mehrere Vorteile:
- Stellen Sie sicher, dass alle entfernten Standorte tatsächlich dieselbe Referenz verwenden, was zu einer hervorragenden Korrelation der Frequenzmessergebnisse führt.
- Keine Kalibrierung erforderlich.
Für die genauesten Messungen und Ergebniskorrelationen wird eine GPS-basierte Zeitbasis empfohlen. In den meisten Fällen ist auch die Rubidium-Zeitbasis akzeptabel. Alle Zeitbasen erfordern eine Kalibrierung, außer GPS-basierte.
4. Messung mit einem Frequenzzähler
Frequenzzähler dienen der Durchführung präziser Frequenzmessungen und sind das bevorzugte Instrument. Die ursprünglichen Frequenzzähler verwendeten eine digitale Gate-Methode, die einfach zu implementieren war, der Messfehler hing jedoch von der Eingangsfrequenz ab (siehe Anhang A).
Moderne Frequenzzähler nutzen ein reziprokes Zählverfahren [2]. Bei dieser Methode ist die Torzeit synchron mit dem Eingangssignal, sodass der Messfehler auf einen Referenztaktzyklus zurückzuführen ist. Für eine bessere Auflösung wird die Referenzfrequenz mit einer angemessen hohen Zahl multipliziert. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Auflösung unabhängig von der Eingangsfrequenz ist.
Es gibt Methoden, die die Messauflösung weiter erhöhen, indem sie Start- und Stopp-Eingangssignalflanken mit einem Zeitstempel versehen. Dadurch lässt sich feststellen, wann diese Ereignisse innerhalb des Referenztaktzyklus aufgetreten sind (Abbildung 3). Moderne Frequenzzähler erreichen eine Auflösung von 20 ps oder besser [3].
Abbildung 5 stellt Messdaten dar, die veranschaulichen, wie die Reduzierung der Gate-Zeit von 100 ms auf 10 ms die Auflösung auf 5 ppb (0,1 Hz) für ein 20-MHz-Eingangssignal begrenzt.
Hinweis: Einige Frequenzzähler führen möglicherweise zusätzliche Messungen innerhalb der Torzeit durch und nutzen diese Informationen zur Verbesserung der Messgenauigkeit. Beispiele für solche Zähler sind Agilent 53132A und 53230A. Daher ist die Darstellung des Messfehlers im Verhältnis zur Torzeit mit TInt /TGate möglicherweise nicht für alle Zähler genau.
Der Frequenzmessfehler wird von zwei Faktoren dominiert:
- Genauigkeit und Stabilität der Zeitbasis
- Der Zeitintervall-Messfehler des Frequenzzählers relativ zur Torzeit
Die Auswahl eines Frequenzzählers mit höherer Auflösung und eine Erhöhung der Torzeit führen zu einer verbesserten Messgenauigkeit, sofern eine genaue Zeitbasis verwendet wird. SiTime empfiehlt die Verwendung einer Gate-Zeit von mindestens 100 ms und einer GPS-disziplinierten oder Rubidium-Zeitbasis. Detaillierte Informationen zur Genauigkeit und Auflösung Ihres Frequenzzählers finden Sie im Handbuch Ihres Instruments.
Hinweis: Weitere Empfehlungen zu Frequenzmesstechniken für 32-kHz-Oszillatoren finden Sie im FAQ-Bereich auf www.sitime.com.
5. Messung mit einem digitalen Oszilloskop
Oszilloskope werden häufig zur Messung von Parametern eines Taktsignals verwendet. In diesem Abschnitt werden die Einschränkungen digitaler Oszilloskope erläutert, die ihre Wirksamkeit bei der Frequenzmessung einschränken.
5.1 Prägegenauigkeit des Oszilloskops und Quantisierungsrauschen
Ein digitales Oszilloskop wandelt ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal um, indem es eine Reihe von Messwerten von einem Analog-Digital-Wandler erfasst, die zeitlich gleichmäßig verteilt sind. Um die Frequenz zu messen, erkennt ein Oszilloskop zeitliche Zeitpunkte von Signalübergängen anhand eines Schwellenwerts, der normalerweise 50 % der Signalamplitude beträgt. Oszilloskop-Software verwendet die Interpolation zwischen zwei Punkten. Ein Punkt liegt kurz bevor das Signal den Schwellenwert überschreitet, und der zweite Punkt liegt unmittelbar nach dem Überschreiten des Schwellenwerts (siehe Abbildung 6). Die Genauigkeit der Messung des Zeitpunkts, zu dem das Signal den Schwellenwert überschritten hat, hängt von der Zeitstempelgenauigkeit des Oszilloskops und dem Quantisierungsrauschen ab. Die Zeitstempelgenauigkeit definiert die Fehler von t1 und t2 und das Quantisierungsrauschen definiert die Fehler von V1 und V2. Weitere Informationen zum Einfluss des Oszilloskop-Quantisierungsrauschens auf Timing-Messungen finden Sie in Abschnitt 4 der SiTime-Anwendungsnotiz AN10007 Clock Jitter and Measurement [4].
5.2 Einzelperiodenmessung
Viele Oszilloskope können nur eine Taktperiode pro Wellenformerfassung messen. Der relative Fehler einer solchen Messung ist ziemlich hoch und nimmt mit der Frequenz des Eingangssignals zu. Hochfrequenter periodischer Jitter, der intrinsisch im Signal vorhanden ist, führt ebenfalls zu erheblichen Fehlern. Durch die Durchführung mehrerer Erfassungen und die Mittelung der Daten wird der Fehler auf eine bestimmte Messgrenze des Instruments reduziert. Dies ist jedoch zeitaufwändig und bietet immer noch keine Genauigkeit im ppm-Bereich.
5.3 Gate-Zeit- und Zeitbasisbeschränkungen
Moderne Hochleistungs-Digitaloszilloskope sind in der Lage, integrierte Messungen aller benachbarten Signalzyklen durchzuführen, die in einer einzigen Erfassung erfasst werden. Sie verfügen außerdem über eine sehr gute Zeitstempelgenauigkeit. Leider kann aufgrund des begrenzten Speichers ein sehr kleiner Zeitrahmen eines Signals (typischerweise bis zu 1 ms) mit einer maximalen Abtastrate erfasst werden. Dies begrenzt effektiv die maximale Messtorzeit und damit auch die Messgenauigkeit. Das Hauptziel der Zeitbasis des Oszilloskops ist ein geringer Jitter , daher weist sie keine sehr gute Frequenzstabilität auf. Dies kann durch die Verwendung einer externen Referenz korrigiert werden.
6. Prüfen des Signals
Die Signalintegrität kann sich auf die Frequenzmessung auswirken, selbst wenn sie über mehrere Zeiträume gemittelt wird. Die Anzahl der registrierten Zyklen kann künstlich höher sein, wenn Probleme mit der Signalintegrität dazu führen, dass das Signal den Messschwellenwert überschreitet, und wenn Anstiegs-/Abfallzeitereignisse auftreten (Abbildung 7). Dieses Phänomen wird oft als Doppeltriggerung bezeichnet. Bei Doppeltriggerung ist die gemessene Frequenz höher als die tatsächliche Signalfrequenz.
Abbildung 8 zeigt, wie die nicht terminierten langen Drähte, die an einen Tastkopf mit hoher Impedanz angeschlossen sind, Probleme mit der Signalintegrität verursachen können. Das Klingeln auf dem Bildschirm ist so stark, dass es zu einer Doppelauslösung kommt.
Eine unsachgemäße Abtastung beeinträchtigt die Signalintegrität und kann zu einer Doppeltriggerung führen. Dieser Zustand führt dazu, dass die vom Instrument gemessene Frequenz höher als erwartet ist und die Abweichungen zwischen den Messungen groß sein können.
Um eine gute Signalintegrität zu gewährleisten, sollte die Impedanz von Quelle, Last und Übertragungsleitung übereinstimmen. Zu diesem Zweck sollten Quellen- oder Lastterminierungstechniken verwendet werden. Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Signalprüfung mit einem 50-Ω-Koaxialkabel und verschiedenen Abschlussoptionen.
Abbildung 9 zeigt eine Signalwellenform, die mit Quellenabschluss und 1 MΩ-Geräteabschluss erfasst wurde. In diesem Beispiel beträgt die Ausgangsimpedanz des Prüflings 25 bis 30 Ω, daher wurde ein 20-Ω-Widerstand in Reihe mit dem Ausgang hinzugefügt, um der 50-Ω-Kabelimpedanz zu entsprechen. Die Welle, die sich über die Übertragungsleitung ausbreitet, wird vom hochohmigen Eingang des Instruments reflektiert. Die Reflexion wird durch den Quellenabschluss reduziert, aber die Wellenform enthält immer noch Über- und Unterschwingungen. Diese Methode wird nicht empfohlen, da Reflexionen schwer zu beseitigen sind.
Die bevorzugte Art, ein zu prüfendes Signal an einen Frequenzzähler anzuschließen, ist in Abbildung 10 dargestellt. Der mit 50 Ω abgeschlossene Instrumenteneingang gewährleistet eine gute Signalintegrität und ein 1 kΩ-Widerstand isoliert den Prüfling von der externen Last. Dieses Prüfschema hat einen Dämpfungsfaktor von 21:1.
Weitere Informationen zu Messtechniken finden Sie im SiTime-Anwendungshinweis „Probing Oscillator Output“ [5].
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