时间间隔频率计数器及其主要参数

什么是时间间隔频率计数器？

时间频率计数器，顾名思义就是用来测量时间间隔，频率，频率比，累加计数，周期，计时等，基本工作原理是以适当的逻辑电路，具有多种测量功能，主要包括频率、周期和时间间隔测量，通常还包括频率比、任意时间间隔内脉冲个数以及累加计数等测量功能。

时间间隔计数器有哪些重要参数呢？
下面我们以Marvintest的一款基于PXI平台的时间间隔计算器GTX22x0系列来介绍其主要的参数及其重要意义。

输入阻抗
输入阻抗是指数据GTX22x0频率计数器输入端A或B的等效阻抗。现在的频率计数器的输入阻抗都有高阻抗和低阻抗可供选择。GTX22x0每路通道的输入阻抗可以独立选择设置为高阻抗（1MΩ等效阻抗50pF）或低阻抗（50Ω）。高阻抗对应的测试频率范围为0-225MHZ，低阻抗对应的测试频率范围为225MHz以上。这种特性极大地方便了频率计数器在不同领域中的应用。

分辨率
在频率，周期，比率和占空比模式下，有效位数由所选的时间间隔或分辨率决定（参见下表确定有效位数）。实际的门控时间最多可延长两个周期。
时间间隔，相位和累计测量的分辨率是由输入信号确定。

（a）为了避免不必要的数字移位，允许MSD超过分辨率1位数，超过10％的范围。
（b）具有向后兼容性。

频率测量以及生成精度
频率的测量和生成精度，有的时候叫做时间精度，一般以采样率的ppm（百万分之几）的方式给出，对于任何器件都可以在其性能规范手册中找到。很多因素都会影响任何仪器上的频率测量的准精度。影响精度的主要因素有：（1）信号噪声；（2）仪器时基精度；（3）用于测量信号的门时间；（4）校准周期。
频率测量精度可通过以下公式计算的得到：
频率测量精度=± 分辨率 ± TimeBaseError
这里TimeBaseError（时基误差）为参考时基的频率误差的倒数乘以测量结果。

触发误差

其中：
TriggerError=Trigger Level Timing Error（s）
H=峰峰值滞后带（高灵敏度设置通常为15 mV，低灵敏度设置为45 mV）所有数据均为+23℃
开始时输入信号的转换速率
结束时输入信号的转换速率
可测频率范围
可测频率范围是指频率计数器能正确检测输入信号频率的范围，也是该范围下的满程输入频率。一般频率计数器的通道在直流耦合和交流耦合下可测量的频率范围不同。GTX22x0的两路输入通道可测频率范围为DC_{225MHz，GTX2220/GC2220的A通道为可编程通道，可以测量DC}1.3GHz的频率，GTX2230/GC2230的A通道为可编程通道，可以测量DC_{2GHz的频率。B通道可以测量频率范围为DC}225MHz。

耦合
通道A或B的耦合，也就是所测试的信号以怎样的方式进入频率计数器的通道放大器，可以分为直流耦合和交流耦合。直流耦合(DC Coupling)就是直通，信号通过导线直接到放大器输入级，并不去掉了交流分量；交流耦合(AC Coupling)就是通过隔直电容耦合，去掉了直流分量后到前置放大器；GTX22x0的两路输入通过软件可独立选择DC耦合或者AC耦合。

快速频率（Fast Frequency）
快速频率测量模式可以在很短的测量时间间隔（标准模式中的最小闸门时间为250us）进行频率测量，从而在较短的测量时间间隔可以允许较快的数据采集。GTX22x0在快速频率测量模式中，闸门时间是固定数值，而是信号周期的固定倍数，即4个周期。快速频率测量模式会忽略闸门设时间置。快速测量模式最好用于测量低频信号，因为快速测量模式中的测量分辨率与闸门时间成正比。

触发模式

1. 自动触发功能（Auto Trigger ）可以在每次测量前自动设置触发阈值电平。在自动触发模式中，首先测量输入信号波形的正与负峰值电平，然后将触发阈值电平大约设置为测量的正负峰值和的一半。自动触发设置过程大约需要50~250ms，取决于信号幅值与频率。虽然自动触发设置很方便，但是有些情况并不适用，设备驱动不允许使用自动触发功能，并要求精确设置触发阈值电平。
   
2. 手动触发电平设置，-5~+5V范围，1mV高分辨率（之前的版本分辨率为40mV）。手动触发设置的阈值电平的参数会储存起来，并不会被影响当操作者选择自动触发功能然后又重新设置为固定阈值电平的手动触发模式。

测量超时
对于任何时间/计数器，所有的测试程序都应设置“超时（Time Out）”防止无限等待。可编程测量超时有助于用户在输入信号丢失时优化系统性能。

独立通道滤波器
每路输入通道的输入信号都可以路由至滤波器。滤波器是一个一次性时间窗口，在输入信号每次穿过触发阈值电平时开始。窗口的长度可以编程，范围是5us~6400us。在这个窗口中输入信号的电平转换将被忽略。
注意：延迟要小于待测频率信号占空比的一半。当滤波器设置为为固定（Flxed）模式时，可以手动设置Filter Value（滤波值），Filter Value可以根据以下公式计算：

最大的Filter Value的值为6400us。

Arm功能
一些时间间隔（Time Interval）的测量很容易设置，例如电路传输延迟。然而有些却很有挑战性，尤其是那些不是完全周期性的信号和独一无二的事件（Event）。Arm是一个非常有意义的测量功能，此功能可以创建一个“时间窗口”，窗口由特定的事件（External Arm Input通道的输入信号的信号边沿）定义。

很多情况中，可以在待测电路中找到合适的Arm信号；若不能在待测电路中找到合适的Arm信号，则必须使用外部设备或外部电路了。一些用于生成Arm信号的设备有脉冲发生器和示波器等。

时间间隔
时间间隔：测量起始信号与终止信号之间所经历的时间。如图所示，起始信号通常接入到一个通道A，而终止信号则通常接入到另一个通道B，这种功能通常称为时间间隔A到B。测量的分辨率一般为100ns或更佳，有时低到皮秒(10-12)级。

高分辨率时间间隔测量在时间频率传递和测量、航空航天、雷达定位、激光测距等领域具有十分重要的作用。这项功能同样要求频率计数器至少有两个通道。

1. 时间间隔范围
   时间间隔范围指的是频率计数器所能测得输入信号的时间，时间间隔范围越大，说明所能测得的初始信号和终止信号之间的时间就越长。GTX22x0的时间间隔范围为-1ns–100000s (大于25小时)。

2. 时间间隔分辨率
   对于时间间隔分辨率，有些公司的产品时间间隔分辨率固定值，单位为ns。GTX22x0的时间间隔分辨率的获得则根据输入信号的频率相关。

3. 时间间隔准确度
   GTX22x0的时间间隔准确度的获得则根据输入信号的频率相关。

4. 最小脉宽
   脉冲所能达到的最大值所持续的时间称为“脉冲宽度”。形状、周期性重复的脉冲每秒出现的个数称为“脉冲频率”，其倒数称为“脉冲周期” 。脉宽越小，脉冲的相对误差就小，单位时间内所允许产生的脉宽输就越多，分辨率也就越高。