Genaue Frequenzmessungen durchführen

Es gibt zwei Fehlerquellen bei Frequenzmessungen:

• Fehler in der Frequenz des Quarzoszillators
• Messfehler

Der Gesamtmessfehler ist die Summe dieser beiden Quellen oder:

Der für PCI-6601 und PCI-6602 verwendete Quarzoszillator ist mit einer Temperaturstabilität von 75 ppm ausgelegt. Der für das PXI-6602 verwendete Quarzoszillator ist 200 ppm, aber im PXI-Chassis wird das PXI 6602 automatisch phasenverriegelt an den Takt der PXI-Backplane, die eine Genauigkeit von 75 ppm aufweist. Bei aktivierter Phasensicherung hat das PXI 6602 ebenfalls eine Genauigkeit von 75 ppm.

75 ppm bedeutet, dass die Frequenz bei einer Million Hertz um +/- 75 Hz abweichen kann. Bei einer Karte des Typs 6601 mit einem 20-MHz-Oszillator kann der Fehler aufgrund des verwendeten Kristalls bis zu +/- 75 Hz/1 MHz*20= +/- 1500 Hz betragen. Bei der Karte 6602 mit einem 80-MHz-Oszillator liegt der Fehler bei +/- 6000 Hz.

Der 10-MHz-Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO) auf einer 6608-Karte hat eine Frequenzstabilität von 75 ppb über ein Jahr. Das bedeutet, dass die Frequenz bei 10 MHz über einen Zeitraum von einem Jahr um 0,75 Hz abweichen kann. Wenn sich die Karte 6608 im Steckplatz 2 des PXI-Chassis befindet, steuert die NI-DAQ-Software automatisch den 10-MHz-Takt vom OCXO, um den PXI-Backplane-Takt zu ersetzen. Dadurch können andere Geräte mit Phasentaktschleifenschaltung die Genauigkeit des 6608 OCXO nutzen. Wenn sich beispielsweise ein PXI 6602 im selben PXI-Chassis befindet, hat seine 80-MHz-Zeitbasis jetzt den Fehler +/- 6 Hz, verglichen mit +/- 6000 Hz. Damit das PXI-6608 den PXI-Backplane-Taktgeber steuern und ersetzen kann, muss es sich in Steckplatz 2 des PXI-Chassis befinden, dem Steckplatz neben dem Controller. Wenn sich das PXI-6608 in einem anderen Steckplatz befindet, ist der Kristallfehler der gleiche wie beim PXI-6602.

Weitere Informationen zur gemeinsamen Nutzung des PXI-6608-Takts finden Sie im Hinweis an den Benutzer: Über Ihr 6608-Gerät. Es beschreibt das OCXO und enthält ein Diagramm, das zeigt, wie das PXI-6608 die Taktstabilität des eigenen Kartentakts und anderer Module verbessert.

Messfehler sind bei Frequenzmessungen inhärent, aber Sie können die Auswirkungen von Messfehlern minimieren, indem Sie eine Frequenzmessmethode auswählen, die für die gemessenen Frequenzen und die Zeitbasis Ihres Geräts am besten geeignet ist. In diesem Abschnitt beschreiben wir drei Möglichkeiten zur Durchführung von Frequenzmessungen und erklären die Auswirkungen von Messfehlern auf die Genauigkeit von Messungen mit jeder Methode.

Die drei nachfolgend beschriebenen Frequenzmessverfahren sind:
Methode 1 - Inverse Periodenmessung
Methode 2 - Impulsanzahl in bekannter Zeit zählen
Methode 3 - Messung der Zeit der bekannten Periodenanzahl

Die drei Beispiel-VIs in diesem Dokument demonstrieren diese drei Methoden wie folgt:
Mit Frequency 123.vi können Sie eine der drei Methoden verwenden.
Frequenzmethode 2.vi zählt Impulse für eine bestimmte Zeit (Methode 2).
Frequenzmethode 3.vi misst die Zeit für eine bestimmte Anzahl von Perioden (Methode 3).

METHODE 1: Inverse Periodenmessung
Die einfachste Methode ist die Periodenmessung. Sie können die Periode messen, indem Sie die steigenden oder fallenden Flanken einer bekannten Quellfrequenz zwischen den zwei aufeinanderfolgenden steigenden oder fallenden Flanken der unbekannten Frequenz zählen. Durch die Frequenz der bekannten Quelle und Division durch den Zählwert können Sie die Periode des unbekannten Signals berechnen. Typischerweise wird eine der internen Zeitbasen verwendet, 20 MHz oder 80 MHz, aber es kann auch eine externe Taktquelle verwendet werden, solange diese kleiner oder gleich der maximalen von der Hardware unterstützten Quellfrequenz ist.

Diese Art der Messung eignet sich für Messungen mit niedriger Frequenz. Angenommen, das zu messende Signal ist eine perfekte Frequenz von 50 kHz und wird mit einer internen 20-MHz-Zeitbasis gemessen. Unter der Annahme, dass die 20-MHz-Zeitbasis perfekt ist, also der Quarzoszillator zur Erzeugung der 20-MHz-Zeitbasis perfekt ist, sollten 400 Flanken zwischen zwei aufeinanderfolgenden steigenden oder fallenden Flanken des perfekten 50-kHz-Signals gezählt werden. Da wir jedoch die Phasenbeziehung zwischen den beiden Signalen nicht kontrollieren können, kann die Zählung um +/- 1 unterbrochen werden. Dies wird als Messfehler bezeichnet. Der Zähler gibt also 399, 400 oder 401 aus. Mathematik führt zu folgenden Ergebnissen:

Die aus dem Messfehler resultierende Abweichung von der tatsächlichen Frequenz (50 kHz) ist nicht allzu signifikant. Bei Verwendung einer 80-MHz-Zeitbasis ist diese Abweichung sogar noch geringer.

Wenn die zu messende Frequenz stattdessen 5 MHz betrug und dieselbe 20-MHz-Quellfrequenz verwendet wurde, sollte der Zähler den Zählwert 4 ausgeben. Aufgrund des Messfehlers kann der Zählwert +/- 1 lauten, so dass Sie auch mit einem Zählwert von 3 oder 5 rechnen können. Mathematik führt zu folgenden Ergebnissen:

Sie sehen, dass eine Differenz von einem Zählerwert mit zunehmender Frequenz zu einem größeren Abtastfehler führt. Selbst bei einer 80-MHz-Zeitbasis hätten wir immer noch eine erhebliche Abweichung von der tatsächlichen Frequenz:

Zur Berechnung des Messfehlers mit dieser Frequenzmessmethode haben wir folgende Formel:



Weitere Informationen finden Sie in den Berechnungen unten.

METHODE 2: Impulsanzahl in bekannter Zeit zählen
Beispiel: Frequenzmethode 2.vi oder Frequenz 123.vi beim Durchführen von Frequenzmessungen mit Geräten des Typs NI 660x.

Das Verfahren 1 funktioniert, solange die Frequenz des zu messenden Signals deutlich langsamer als die bekannte Quellfrequenz ist. Wenn sich die Frequenz des zu messenden Signals der Frequenz der Quellfrequenz annähert, erhöht sich der Messfehler. Um die Genauigkeit der Frequenzmessung für höhere unbekannte Frequenzen zu verbessern, können wir diese zweite Messmethode verwenden, die Anzahl der Impulse in bekannter Zeit zu zählen. In dieser Konfiguration zählt der Zähler die Anzahl der unbekannten hohen Frequenzen während einer Periode des bekannten Signals. Die Frequenz kann berechnet werden, indem der Zählerstand mit der Frequenz des unbekannten Signals multipliziert wird.

Im vorherigen Beispiel beträgt die zu messende Frequenz 5 MHz. Der Zähler zählt während einer Periode bekannter Frequenz steigende Flanken von 5 MHz. Angenommen, wir wählen diese Frequenz zu 10 Hz und sie wird von einer perfekten Zeitbasis (ohne Quarzoszillatorfehler) erzeugt. Das bedeutet, dass wir während der zwei aufeinanderfolgenden Flanken der bekannten Frequenz, die 0,1 Sekunden beträgt, 500.000 Flanken zählen sollten. Da wir das Phasenverhältnis zwischen unseren 10-Hz- und 5-MHz-Signalen immer noch nicht kontrollieren können, bleibt ein Messfehler von +/- 1 Zählwert. Wenn wir rechnen, erhalten wir folgende Ergebnisse:

Wenn Sie dieses Messergebnis mit dem Ergebnis vergleichen, das mit der vorherigen Messmethode berechnet wurde, sehen wir, dass die Abweichung stark reduziert ist. Die Abweichung kann durch Verwendung eines niederfrequenteren bekannten Signals weiter verbessert werden. Wiederholen wir die Berechnung mit einer bekannten Frequenz von 1 Hz:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Verwendung von zwei Zählern eine genauere Frequenzmessung für höhere Frequenzen erzielt werden kann. Je größer die Periode des bekannten Signals zum Gaten der Zählung ist, desto kleiner ist der Messfehler. Der Messfehler für diese Messmethode:



Weitere Informationen finden Sie in den Berechnungen unten.

METHODE 3: Messen der bekannten Periodenanzahl
Beispiel: Frequenzmethode 3.vi oder Frequenz 123.vi beim Durchführen von Frequenzmessungen mit Geräten des Typs NI 660x.

Bisher haben wir zwei Messmethoden besprochen: Inverse Periodendauer und Impulsanzahl in bekannter Zeit. Die inverse Periodenmessung eignet sich für Messungen mit niedrigerer Frequenz, während die zweite Messmethode mit höheren Frequenzsignalen eine höhere Genauigkeit erzielen kann. Wenn Ihre Anwendung jedoch die Messung eines pulsweitenmodulierten Signals umfasst und der Frequenzbereich sowohl niedrige als auch hohe Frequenzen umfasst, kann diese dritte Messmethode in Betracht gezogen werden.

Ähnlich wie bei Messmethode 2 werden auch bei dieser Messmethode zwei Zähler verwendet. Mit dem ersten Zähler wird die Frequenz des zu messenden Signals heruntergeteilt, und mit dem zweiten Zähler wird die Periodendauer der herunterteilbaren Frequenz gemessen. Die tatsächliche Frequenz kann berechnet werden, indem die resultierende Frequenzmessung mit dem Wert heruntergeteilt wird. Bei dieser Frequenzmethode gilt: Je größer der Wert, desto langsamer die resultierende Frequenz und genauer das Messergebnis.

Die Berechnung des Messfehlers für diese Messmethode ähnelt Methode 1:



Weitere Informationen finden Sie in den Berechnungen unten.

Die beste Methode hängt von der Art der Frequenz ab, die Sie messen möchten. Die Periodenmessung ist die einfachste Methode und erfordert nur einen Zähler. Mit zunehmender Frequenz steigt jedoch der Messfehler. Die zweite und dritte Messmethode verwenden beide 2 Zähler. Die zweite Methode (Gate eines Zählers für eine bekannte Zeit und Zählen der Flankenanzahl) ist allgemeiner und eignet sich nicht für niedrigere Frequenzen, es sei denn, Sie verwenden sehr lange Gate-Zeiten, um diese niedrigeren Frequenzen zu messen.

Die dritte Methode bietet eine höhere Genauigkeit bei gleicher Messdauer, ist jedoch nicht so allgemein gehalten, da Sie angeben müssen, wie viele Perioden lang eine Messung durchgeführt werden soll. Es ist wichtig zu wissen, welche Frequenz Sie bei dieser Methode erwarten. Bei einem 10-MHz-Signal verwenden Sie beispielsweise 10 Millionen Perioden für eine Dauer von einer Sekunde. Bei einem 1-MHz-Signal werden 10 Millionen Perioden für eine Messung benötigt. Um diese Messung an einem 1-MHz-Signal in einer Sekunde durchzuführen, sollten Sie die Messung über eine Million Perioden durchführen.

Fk = bekannte Quellfrequenz
Fx = die Frequenz, die gemessen werden soll, wenn kein Fehler vorliegt
Fm= gemessene Frequenz

Messfehlerberechnung für Messmethode 1:
Fk >> Fx





Nach Vereinfachung:


Zur Berechnung des Messfehlers:

Wenn Fm=Fx: Fehler=0
Wenn Fm>Fx:

Wenn Fm<Fx:




Messfehlerberechnung für Messmethode 2:

Fk << Fx


Zur Berechnung der Frequenz:

Nach Vereinfachung:
Fm=Fx - Fk, oder FK, oder Fx, oder Fx + Fk

Zur Berechnung des Messfehlers:


Messfehlerberechnung für Messmethode 3:

Fk &gt;> Fx/x

Die Berechnung des Messfehlers ist identisch mit Methode 1. Der einzige Unterschied besteht darin, dass wir nun die zu messende Frequenz Fx durch einen ganzzahligen Wert x dividieren müssen: