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一、简介
每个数字电子设备都需要一个参考时钟，并且广泛使用振荡器来实现该目的。验证高性能设备的频率特性需要精确的频率测量。本文档概述了各种频率测量方法和仪器，旨在帮助 SiTime MEMS 振荡器的用户进行准确的频率测量。
2. 常见频率测量问题
2.1 不同频率计测量结果不匹配
使用不同频率计数器进行的测量结果之间的差异可能是由以下一个或多个原因引起的。
1. 两台仪器使用不同的频率参考。频率计数器的基本型号通常配备廉价的基于 TCXO 的频率基准，具有 1 至 5 ppm 的频率稳定性和几 ppm/年的老化率。频率参考引入的误差会给测量结果增加误差。图 1 说明了使用内部 TCXO 参考与外部高精度铷参考时频率计数器的测量结果可能有何不同。请参阅第 3 节了解频率参考选择指南。
2. 闸门时间或仪器规格不同。如果仪器使用不同的选通时间，则使用相同的频率参考时可能会出现不同的测量结果。此外，如果选通时间和参考相同，但仪器分辨率不同，则在低选通时间下结果可能不匹配。详细信息请参阅第 4 节。
2.2 频率计显示的频率远高于预期
信号完整性差可能会无意中使频率计数器测量的频率增加甚至加倍。这在仪器输入配置为高阻抗模式（例如 1 MΩ）的探测方案中经常遇到。第 6 节讨论信号完整性对频率测量的影响并提供探测建议。
2.3 不同选通时间的频率计数器测量结果不匹配
频率计数器的频率测量误差与选通时间成反比。如图4所示，选通时间越短，误差越大。有关频率计数器的详细信息，请参阅第 4 节。
2.4 示波器频率测量显示较大的展差
示波器对输入信号的每个周期进行频率测量。根据示波器设置和功能，测量结果可以对多次捕获或单次捕获中的所有信号周期进行平均。如第 5 节所述，在单个周期上进行的频率测量受信号周期抖动和示波器内部噪声的影响很大，导致结果变化数千 ppm。收集数千个样本并取平均值可以显着降低误差，但这种方法仍然无法提供使用频率计数器可以轻松实现的 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。
3. 频率参考选择
与其他参考相比，GPS 规范的时基具有多种优势：
- 确保所有远程位置有效地使用相同的参考，从而实现出色的频率测量结果相关性；
- 不需要校准。
建议使用符合 GPS 规范的时基，以实现最准确的测量和结果关联。在大多数情况下，铷时基也是可以接受的。除 GPS 规定外，所有时基都需要校准。
4. 使用频率计数器进行测量
频率计数器旨在进行精确的频率测量，是首选仪器。最初的频率计数器采用数字门方法，易于实现，但测量误差取决于输入频率（参见附录A）。
现代频率计数器使用倒数计数方法[2]。采用这种方法，选通时间与输入信号同步，因此测量误差是由一个参考时钟周期引起的。为了获得更好的分辨率，参考频率被倍增到一个相当高的数字。这种方法的主要优点是分辨率与输入频率无关。
有一些方法可以通过为开始和停止输入信号边缘添加时间戳来进一步提高测量分辨率。这样就可以确定这些事件在参考时钟周期内何时发生（图 3）。现代频率计数器可实现 20 ps 或更高的分辨率 [3]。
图 5 所示的测量数据说明了如何将选通时间从 100 ms 减少到 10 ms，将 20 MHz 输入信号的分辨率限制为 5 ppb (0.1 Hz)。
注意：某些频率计数器可能会在选通时间内进行额外的测量，并使用此信息来提高测量精度。此类计数器的示例有 Agilent 53132A 和 53230A。因此，用 TInt /TGate 表示与门时间相关的测量误差对于所有计数器来说可能并不准确。
频率测量误差主要由两个因素决定：
- 时基精度和稳定性
- 频率计相对于选通时间的时间间隔测量误差
如果使用准确的时基，选择更高分辨率的频率计数器并增加选通时间可以提高测量精度。 SiTime 建议使用至少 100 ms 的选通时间和 GPS 规范或铷时基。有关频率计数器精度和分辨率的详细信息，请参阅仪器手册。
注意：有关 32 kHz 振荡器频率测量技术的其他建议，请参阅 www.sitime.com 上的常见问题解答部分。
5. 使用数字示波器进行测量
示波器广泛用于测量时钟信号的参数。本节讨论数字示波器限制其频率测量有效性的局限性。
5.1 示波器冲压精度和量化噪声
数字示波器通过从模数转换器获取一组在时间上等间隔的读数，将模拟输入信号转换为数字信号。为了测量频率，示波器使用通常为信号幅度的 50% 的阈值来检测信号转换的时间实例。示波器软件使用两点之间的插值。第一个点位于信号即将穿过阈值之前，第二个点位于信号刚刚穿过阈值之后（参见图 6）。测量信号超过阈值的时间实例的精度取决于示波器时间戳精度和量化噪声。时间戳精度定义了 t1 和 t2 的误差，量化噪声定义了 V1 和 V2 的误差。请参阅 SiTime 应用笔记 AN10007 时钟抖动和测量 [4] 的第 4 节，了解有关示波器量化噪声对时序测量影响的更多信息。
5.2 单周期测量
许多示波器每次波形捕获只能测量一个时钟周期。这种测量的相对误差相当高，并且随着输入信号频率的增加而增加。信号中固有的高频周期抖动也会增加显着的误差。运行多次捕获并对数据求平均值可将误差降低到一定的仪器测量极限。然而，这非常耗时，并且仍然无法提供 ppm 级的精度。
5.3 门时间和时基限制
现代高性能数字示波器能够对单次捕获中获取的所有相邻信号周期运行内置测量。它们还具有非常好的时间戳准确性。遗憾的是，由于内存有限，可以使用最大采样率捕获非常短的信号时间范围（通常最多 1 毫秒）。这有效地限制了最大测量门时间，从而限制了测量精度。示波器时基的主要目标是低抖动，因此它没有很好的频率稳定性。这可以通过使用外部参考来纠正。
6. 探测信号
即使信号完整性是多个周期的平均值，也可能会影响频率测量。除了发生上升/下降时间事件外，如果信号完整性问题导致信号超过测量阈值，则记录的周期数可能会人为地增加（图 7）。这种现象通常称为双重触发。当发生双触发时，测量的频率高于实际信号频率。
图 8 说明了连接到高阻抗探头的无端接长导线如何导致信号完整性问题。屏幕截图上的振铃足以引起双重触发。
不正确的探测会影响信号完整性并可能导致双重触发。这种情况会导致仪器测量的频率高于预期，并且测量之间的差异可能很大。
为了确保良好的信号完整性，源、负载和传输线的阻抗应匹配。为此，应使用源或负载端接技术。以下示例说明了使用 50Ω 同轴电缆和各种端接选项进行信号探测。
图 9 显示了使用源终端和 1 MΩ 仪器终端捕获的信号波形。在此示例中，DUT 的输出阻抗为 25 至 30 Ω，因此添加了一个与输出串联的 20 Ω 电阻器，以匹配 50 Ω 电缆阻抗。穿过传输线传播的波从仪器的高阻抗输入反射。源端接减少了反射，但波形仍然包含过冲和下冲。不建议使用此方法，因为反射很难消除。
将被测信号连接到频率计数器的首选方法如图 10 所示。仪器输入端接 50Ω 可确保良好的信号完整性，1 kΩ 电阻将 DUT 与外部负载隔离。该探测方案的衰减系数为 21:1。
有关探测技术的更多信息，请参阅 SiTime 应用笔记探测振荡器输出 [5]。
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