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精确的时间和频率测量- 频率计数器的校准

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虽然频率计数器的时基稳定性非常高,但为了确保其测试精度,在使用一段时间后,同样也需要校准。但一谈到校准,很多工程师就会想到每年一次的仪器校准。但频率计数器是否也是每年一校准呢?正确的回答是“视情况定”。

 

频率计数器的校准周期取决于计数器中的时基类型,计数器在测量期间经受的条件,最重要的是您需要多高的测量精度。为认识校准为什么不是一个简单问题,您必须回过来考虑计数器精度的特性。实际上,正如我们以前的文章中提到的,4个主要因素决定了频率计数器的测量精度:

 

1. 与计数器本身相关的时间稳定量性能因素,如计数器时基的温度稳定性。关于时基的选择,我们在前一篇文章中有详细说明。
2.与计数器本身相关的时间变化量性能因素,如晶体振荡器时基的老化率。
3.信号特性,如噪声的存在。
4.您选择的设置,如闸门时间。

 

所以当我们谈到计数器的精度指标时,看到的包括这一系列因素的复杂计算公式,而不是简单的数字。让我们集中关注第2点,即时基的老化率这个问题,来说明校准在起着什么作用。

 

尽管计数器是测量电信号的电子仪器,但作为计数器心脏的石英晶体振荡器, 实质上是一种机械装置。
在经受各种物理扰动时,会改变它的振动频率,从而影响计数器的精度。这些不同扰动的累积效应即晶体振荡器的老化,校准计数器即是对老化的补偿。

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从用户角度来看,重要的是要知道晶体振荡器会随着时间而产生老化, 而且老化是能容易地预测, 可以通过校准进行补偿。对于不同的晶体振荡器,老化率是一个已知的常数,这样我们就能通过查看计数器的老化率指标确定何时需要校准。假定老化率为4 x10负8次方/ 天。在校准后的第300 天,老化将在总精度计算中增加1.2 x 10负5次方的时基误差。如果测量的信号是1MHz, 其不确定度为±12Hz。如果您认为这个不确定度再加上计数器测量中的其它固有不确定度(如+/1误差)是可接受的,您就不需要校准。否则就需要校准。

 

如果采用更为稳定的时基,在精度要求不变的情况下,可以延长校准周期。例如,如果老化率是 4 x10负9次方/ 天 (高稳时基的指标),即使在校准后的第十年,老化将在总精度计算中也只增加1.5 x 10负5次方的时基误差。如果测量的信号是1MHz, 其不确定度为±15Hz, 与普通实际300天一校准可达到的精度指标相当。

 

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