每个数字电子设备都需要一个参考时钟,晶体振荡器被广泛用于实现这一目的.验证高性能器件的频率特性需要准确的频率测量.本文档概述了各种晶振频率测量方法和仪器,旨在帮助ILSI MMD MEMS振荡器的用户进行精确的频率测量.

常见的石英晶振频率测量问题

用不同频率计数器进行的测量不匹配

不同频率计数器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晶振的频率基准,具有1至5ppm的频率稳定度和几ppm /年的老化率.频率参考引入的误差会给测量结果增加一个误差.图1显示了与外部高精度铷基准相比,使用内部TCXO基准时频率计数器的测量结果可能会有所不同.频率参考选择准则请参考第3节.

2）门限时间或仪表规格不同.如果仪器使用不同的门限时间,则使用相同的晶振频率参考时可能会出现不同的测量结果.此外,如果闸门时间和参考值相同,但仪器分辨率不同,则结果可能在低门限时间不匹配.详情请参阅第4节.

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增加或甚至使频率计数器测量的石英晶振频率加倍.在仪器输入配置为高阻抗模式（例如1MΩ）的探测方案中经常遇到这种情况.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.

不同门限时间的频率计数器测量值不匹配

频率计的石英晶体振荡器频率测量误差与门限时间成反比.如图4所示,门限时间越短,误差越大.有关频率计数器的详细信息,请参阅第4节.

示波器频率测量显示出很大的传播

示波器对输入信号的每个周期进行石英晶体振荡器频率测量.根据示波器设置和功能的不同,测量结果可能会在多个捕捉或单个捕捉中的所有信号周期内取平均值.正如第5节所讨论的那样,单周期内进行的频率测量受到信号周期抖动和示波器内部噪声的高度影响,导致结果发生千分之几的变化.收集数千个样本并取平均值可显着减少误差,但此方法仍不能提供可通过使用频率计数器轻松实现的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.

全球定位系统规范的时基与其他参考文献相比具有以下优势：

- 确保所有远程位置有效地使用相同的参考信号,从而实现出色的石英晶振频率测量结果相关性; 

- 不需要校准.

建议使用GPS纪律的时基,以获得最准确的测量结果和结果相关性.在大多数情况下,铷时基也是可以接受的.所有时间基准都需要校准,除了遵守GPS规定.

使用频率计数器进行测量石英贴片晶振

石英晶体振荡器频率计数器设计用于进行精确的频率测量,并且是首选的仪器.原来的频率计数器采用了易于实现的数字门限方法,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法.采用这种方法,选通时间与输入信号同步,所以测量误差由一个参考时钟周期决定.为了获得更好的分辨率,参考频率乘以相当高的数字.这种方法的主要优点是分辨率与输入频率无关.

有些方法可以通过对输入信号边沿进行开始和停止时间标记来进一步提高测量分辨率.这使得可以确定参考石英晶体振荡器周期内这些事件何时发生（图3）.现代频率计数器达到20ps或更好的分辨率.