用時(shí)間戳計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的方法(下)

頻率測(cè)量

在倒數(shù)計(jì)頻器中，不管有沒(méi)有采用內(nèi)插法，頻率測(cè)量都有一個(gè)規(guī)定的開(kāi)始點(diǎn)(開(kāi)始觸發(fā)事件)和結(jié)束點(diǎn)(結(jié)束觸發(fā)事件)。在每個(gè)測(cè)量的開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間都必定有一段死時(shí)間，用來(lái)將結(jié)果傳輸?shù)捷敵鼋涌谏?，并將?jì)度器歸零以及為下一次測(cè)量準(zhǔn)備儀器的電子線路。但是連續(xù)時(shí)間戳計(jì)度器卻不會(huì)有這種情況(如圖3)。

連續(xù)時(shí)間戳計(jì)度器連續(xù)不斷地記錄輸入信號(hào)觸發(fā)事件和時(shí)間。在原理上，計(jì)數(shù)會(huì)不定地從一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)開(kāi)始一直持續(xù)到計(jì)數(shù)鏈飽滿并重新從零開(kāi)始。有了規(guī)則的時(shí)間間隔(步調(diào)間隔)，就可以從各個(gè)計(jì)度器中讀取瞬間的內(nèi)容，以及計(jì)時(shí)內(nèi)插值，而不需要中斷計(jì)數(shù)器的運(yùn)行。數(shù)值(觸發(fā)事件或者“時(shí)間”和時(shí)間或者“時(shí)間戳”)被儲(chǔ)存在高速存儲(chǔ)器中。

讀取和輸入觸發(fā)往往是同步的，也就是說(shuō)，計(jì)算的輸入周期的數(shù)值往往是一個(gè)精確值。正如在倒數(shù)計(jì)數(shù)器中的那樣，任何不確定度都來(lái)自監(jiān)控時(shí)間的不準(zhǔn)確性。

在一定次數(shù)的事件被存儲(chǔ)，或者過(guò)了一段時(shí)間之后，數(shù)據(jù)將會(huì)被分析、后處理，并顯示給操作員。一個(gè)普通的倒數(shù)計(jì)數(shù)器只是在某一個(gè)時(shí)間段，例如1s內(nèi)進(jìn)行了頻率測(cè)量之后，將最終數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)，而一個(gè)連續(xù)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器則能夠保存并提供在同樣的時(shí)間段內(nèi)數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)有時(shí)間戳的事件的信息。

一個(gè)傳統(tǒng)的倒數(shù)計(jì)數(shù)器在以一個(gè)0.0的初始值開(kāi)始測(cè)量之后，在測(cè)量結(jié)束時(shí)只顯示一個(gè)數(shù)值。而一個(gè)連續(xù)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器則能夠提供雙軸信息：在橫軸上顯示輸入周期(事件)，縱軸顯示時(shí)間(時(shí)間戳)。測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)之間的圖線的彎曲則為平均時(shí)段(被輸入周期數(shù)劃分的總時(shí)間)。測(cè)量的分辨率，例如線條彎曲的不確定度，取決于測(cè)量中所采用的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)的不確定度。在時(shí)間戳計(jì)數(shù)器中，大量事件的信息被以圖中的直線顯示，每個(gè)都有一個(gè)特定的分辨率。

通過(guò)采用一個(gè)著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法D線性回歸D可以以一個(gè)(N)0.5/2.4的因數(shù)來(lái)改進(jìn)直線彎曲(測(cè)量時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度)的分辨率，此處的N是一個(gè)給定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值。例如，如果是1000個(gè)點(diǎn)，那么分辨率就通過(guò)一個(gè)參數(shù)(1000)0.5/2.4=31.622/2.4=13.176來(lái)改進(jìn)。圖5和圖6顯示了相比于開(kāi)始－結(jié)束的測(cè)量方法，如何通過(guò)應(yīng)用線性回歸來(lái)改進(jìn)分辨率(或者說(shuō)是直線彎曲的不確定度)。

借助線性回歸，連續(xù)時(shí)間戳頻率計(jì)數(shù)器可以通過(guò)利用測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)之間的大量“中介”數(shù)值來(lái)改進(jìn)頻率分辨率。此種測(cè)量方法還有其它好處，因?yàn)樗举|(zhì)是兩維的，并能夠提供一個(gè)真實(shí)時(shí)間標(biāo)度，用來(lái)作為時(shí)間上彼此相關(guān)的單獨(dú)的觸發(fā)事件的參考(標(biāo)準(zhǔn)的倒數(shù)計(jì)數(shù)器只能提供單個(gè)數(shù)值，而不能顯示時(shí)間上的相互關(guān)系)。相比于以單維形式測(cè)量的傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器，以一個(gè)真實(shí)時(shí)間標(biāo)度來(lái)進(jìn)行測(cè)量的連續(xù)時(shí)間戳頻率計(jì)數(shù)器可以顯示整個(gè)過(guò)程中頻率的改變。這就像電壓計(jì)的測(cè)量結(jié)果和顯示時(shí)變電壓的示波鏡的測(cè)量結(jié)果之間的比較一樣。真實(shí)時(shí)間標(biāo)度也讓連續(xù)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器可以改進(jìn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)例如一個(gè)快速傅立葉轉(zhuǎn)換的后處理分析。

CNT-90(如圖7)這樣的連續(xù)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器允許進(jìn)行單個(gè)時(shí)間段的“背對(duì)背”測(cè)量，在測(cè)量之間沒(méi)有死時(shí)間。在嘗試檢測(cè)“遺漏時(shí)段”以及要在一個(gè)序列中跟蹤所有周期時(shí)，這一性能是相當(dāng)重要的。對(duì)這一性能的應(yīng)用是多種多樣的，從串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和組件的評(píng)估，到機(jī)械旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器的測(cè)試。傳統(tǒng)的倒數(shù)計(jì)數(shù)器最多也就只能每隔一個(gè)時(shí)段進(jìn)行測(cè)量，并還會(huì)導(dǎo)致所有測(cè)量中有50％的測(cè)量具有不確定性。而消除了倒數(shù)計(jì)數(shù)器中的死時(shí)間的連續(xù)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器，則可以計(jì)算高頻震蕩器的阿倫方差，而這是測(cè)量相位噪音和頻率穩(wěn)定性中所必須的。