Effectuer des mesures de fréquence précises

Il existe deux sources d'erreur dans les mesures de fréquence :

• Erreurs dans la fréquence de l'oscillateur à cristal
• Erreur de mesure

L'erreur de mesure totale est la somme de ces deux sources, ou :

L’oscillateur à cristal que nous utilisons sur les PCI-6601 et PCI-6602 est évalué à une stabilité de 75 parties par million (ppm) sur la température. L’oscillateur à cristal que nous utilisons pour le PXI-6602 est de 200 ppm, mais lorsqu’il est dans le châssis PXI, le PXI 6602 se verrouillera automatiquement en phase sur l’horloge du fond de panier PXI, qui présente une précision de 75 ppm. Avec le verrouillage de phase activé, le PXI 6602 aura également une précision de 75 ppm.

75 ppm signifie que pour chaque million de Hertz, la fréquence peut être coupée de +/- 75 Hz. Pour une carte 6601, qui a un oscillateur 20 MHz, l'erreur due au cristal utilisé peut aller jusqu'à +/- 75Hz/1MHz*20= +/-1500 Hz. Pour la carte 6602, qui a un oscillateur 80 MHz, l'erreur est de +/- 6000 Hz.

L’oscillateur à cristal contrôlé par four (OCXO) à 10 MHz sur une carte 6608 a une stabilité de fréquence de 75 ppb sur un an. Cela signifie que la fréquence peut être coupée de 0,75 Hz en 10 MHz sur une période d’un an. Lorsque la carte 6608 se trouve dans l'emplacement 2 du châssis PXI, le logiciel NI-DAQ pilote automatiquement l'horloge 10 MHz de l'OCXO pour remplacer l'horloge du fond de panier PXI. Cela permet aux autres périphériques dotés d’un circuit de boucle d’horloge de phase de tirer parti de la précision du 6608 OCXO. Par exemple, si un PXI 6602 se trouve dans le même châssis PXI, sa base de temps de 80 MHz a maintenant l'erreur de +/- 6 Hz, contre +/- 6000 Hz. Une remarque importante ici est que pour que le PXI-6608 pilote et remplace l'horloge du fond de panier PXI, il doit se trouver dans l'emplacement 2, l'emplacement à côté du contrôleur, du châssis PXI. Si le PXI-6608 se trouve dans d'autres emplacements, l'erreur cristalline sera la même que le PXI-6602.

Pour en savoir plus sur la manière dont l'horloge PXI-6608 est partagée, reportez-vous à la Note à l'utilisateur : À propos de votre périphérique 6608. Il décrit l'OCXO et a un diagramme qui aide à démontrer comment le PXI-6608 améliore la stabilité de l'horloge de sa propre horloge de carte et de celle d'autres modules.

Les erreurs de mesure sont inhérentes aux mesures de fréquence, mais vous pouvez minimiser les effets de l'erreur de mesure en choisissant la méthode de mesure de fréquence la plus adaptée aux fréquences que vous mesurez et à la base de temps de votre périphérique NI 660x. Dans cette section, nous décrivons trois façons d’effectuer des mesures de fréquence et expliquons les effets que l’erreur de mesure peut avoir sur la précision des mesures effectuées avec chaque méthode.

Les trois méthodes de mesure de fréquence décrites ci-dessous sont :
Méthode 1 -- Mesure de période inverse
Méthode 2 -- Compter le nombre d'impulsions en temps connu
Méthode 3 -- Mesure de temps du nombre de cycles connus

Les trois VIs d'exemple joints à ce document illustrent ces trois méthodes comme suit :
Frequency 123.vi vous permet d'utiliser l'une des trois méthodes.
Le VI Frequency Method 2.vi compte les impulsions pendant une durée spécifiée (méthode 2).
Le VI Frequency Method 3.vi mesure le temps pendant un nombre spécifié de périodes (méthode 3).

MÉTHODE 1 : Mesure de période inverse
La méthode la plus simple est la mesure de période. Vous pouvez mesurer la période en comptant les fronts montants ou descendants d'une fréquence source connue entre les deux fronts montants ou descendants consécutifs de la fréquence inconnue. En prenant la fréquence de la source connue et en divisant par le comptage, vous pouvez calculer la période du signal inconnu. Typiquement, l'une des bases de temps internes, 20 MHz ou 80 MHz, est utilisée, mais la source d'horloge externe peut également être utilisée tant qu'elle est inférieure ou égale à la fréquence source maximale supportée par le matériel.

Ce type de mesure convient aux mesures basse fréquence. Supposons que votre signal à mesurer est une fréquence parfaite de 50 kHz et que vous le mesurez en utilisant une base de temps interne de 20 MHz. En supposant que la base de temps de 20 MHz est parfaite, autrement dit que l’oscillateur à cristal utilisé pour générer la base de temps de 20 MHz est parfait, vous devriez compter 400 fronts entre deux fronts montants ou descendants consécutifs du signal parfait de 50 kHz. Cependant, comme nous ne pouvons pas contrôler la relation de phase entre les deux signaux, le comptage peut être décalé de +/- 1. C'est ce qu'on appelle l'erreur de mesure. Ainsi, le compteur renverra 399, 400 ou 401. Faire des mathématiques donne les résultats suivants :

L'écart par rapport à la fréquence réelle (50 kHz) résultant de l'erreur de mesure n'est pas trop significatif. En fait, si une base de temps de 80 MHz est utilisée, cet écart sera encore plus faible.

Si la fréquence à mesurer était plutôt de 5 MHz, en utilisant la même fréquence source de 20 MHz, le compteur devrait renvoyer un compte de 4. En raison de l'erreur de mesure, le compte pourrait être +/- 1, vous pouvez donc également vous attendre à un compte de 3 ou 5. Faire des calculs donne les résultats suivants :

Vous pouvez voir qu’une différence d’un comptage produit une erreur d’échantillonnage plus grande lorsque la fréquence à mesurer augmente. Même avec une base de temps de 80 MHz, nous aurions toujours un écart significatif par rapport à la fréquence réelle :

Pour calculer l'erreur de mesure en utilisant cette méthode de mesure de fréquence, nous avons la formule suivante :



Consultez les calculs ci-dessous pour plus de détails.

MÉTHODE 2 : Compter le nombre d'impulsions en temps connu
Exemple : Frequency Method 2.vi ou Frequency 123.vi à Effectuer des mesures de fréquence avec des périphériques NI 660x.

La méthode 1 fonctionne bien tant que la fréquence du signal à mesurer est nettement plus lente que la fréquence source connue. Lorsque la fréquence du signal à mesurer augmente pour s'approcher de la fréquence source, l'erreur de mesure augmente. Pour améliorer la précision de la mesure de fréquence pour une fréquence inconnue plus élevée, nous pouvons utiliser cette deuxième méthode de mesure, compter le nombre d’impulsions en temps connu. Dans cette configuration, le compteur comptera le nombre de fréquences hautes inconnues pendant une période de signal connu. La fréquence peut être calculée en multipliant le compte par la fréquence du signal inconnu.

Pour reprendre l'exemple précédent, la fréquence à mesurer est 5 MHz. Le compteur comptera les fronts montants des 5 MHz pendant une période de fréquence connue. En supposant que nous sélectionnions cette fréquence à 10 Hz et qu’elle soit générée à partir d’une base de temps parfaite (sans erreur d’oscillateur à cristal). Cela signifie que pendant les deux fronts consécutifs de la fréquence connue, qui est de 0,1 seconde, nous devrions compter 500 000 fronts. Comme nous ne pouvons toujours pas contrôler la relation de phase entre nos signaux 10 Hz et 5 MHz, nous aurons toujours une erreur de mesure de +/- 1 compte. Faire le calcul nous donnera les résultats suivants :

Comparez ce résultat de mesure au résultat calculé par la méthode de mesure précédente, nous voyons que l’écart est très réduit. La déviation peut être améliorée en utilisant un signal connu à plus basse fréquence. Refaisons le calcul en utilisant la fréquence connue de 1 Hz :

En résumé, en utilisant deux compteurs, vous pouvez obtenir une mesure de fréquence plus précise pour les fréquences plus élevées. Plus la période du signal connu utilisé pour déclencher le comptage est grande, plus l'erreur de mesure est petite. L'erreur de mesure pour cette méthode de mesure :



Consultez les calculs ci-dessous pour plus de détails.

MÉTHODE 3 : Mesure de temps du nombre de cycles connus
Exemple : Frequency Method 3.vi ou Frequency 123.vi à Effectuer des mesures de fréquence avec des périphériques NI 660x.

Jusqu’à présent, nous avons discuté de deux méthodes de mesure, la période inverse et le nombre d’impulsions en temps connu. La méthode de mesure de période inverse convient aux mesures de basse fréquence tandis que la deuxième méthode de mesure peut atteindre une plus grande précision avec des signaux de plus haute fréquence. Cependant, si votre application implique la mesure d’un signal modulé en largeur d’impulsion et que la gamme de fréquences couvre à la fois les basses et les hautes fréquences, cette troisième méthode de mesure peut être envisagée.

Tout comme la méthode de mesure 2, compter le nombre d'impulsions en temps connu, cette méthode de mesure utilise également deux compteurs. Le premier compteur sert à diviser la fréquence du signal à mesurer, puis le second compteur sert à mesurer la période de la fréquence de division. La fréquence réelle peut être calculée en multipliant la mesure de fréquence résultante par la valeur de division. Avec cette méthode de fréquence, plus la valeur de division est grande, plus la fréquence résultante est lente et plus le résultat de la mesure est précis.

Le calcul de l'erreur de mesure pour cette méthode de mesure est semblable à la méthode 1 :



Consultez les calculs ci-dessous pour plus de détails.

La meilleure méthode dépendra du type de fréquence que vous souhaitez mesurer. La mesure de période est la méthode la plus simple et ne nécessite qu'un compteur ; cependant, lorsque les fréquences augmentent, l'erreur de mesure augmente. Les deuxième et troisième méthodes de mesure utilisent toutes deux 2 compteurs. La seconde méthode (initialiser un compteur pendant une durée connue et compter le nombre de fronts) est plus générique et ne convient pas aux fréquences plus basses, sauf si vous utilisez des temps de initialisation très longs pour mesurer ces fréquences plus basses.

La troisième méthode offre une meilleure précision pour le même temps de mesure, mais n'est pas aussi générique, car vous devez spécifier le nombre de cycles sur lesquels effectuer une mesure. Il est important de savoir quelle fréquence vous pensez mesurer avec cette méthode. Par exemple, pour un signal de 10 MHz, vous utiliserez 10 millions de cycles pour une durée de mesure d'une seconde. Pour un signal de 1 MHz, l'utilisation de 10 millions de cycles nécessitera 10 secondes pour une mesure. Pour effectuer cette mesure sur un signal de 1 MHz en une seconde, vous voudrez effectuer la mesure sur 1 million de cycles.

Fk = fréquence source connue
Fx = fréquence à mesurer s'il n'y a pas d'erreur
Fm= fréquence mesurée

Calcul de l'erreur de mesure pour la méthode de mesure 1 :
Fk >> Fx





Après simplification :


Pour calculer l'erreur de mesure :

Si Fm=Fx : Erreur=0
Si Fm>Fx :

Si Fm<Fx :




Calcul de l'erreur de mesure pour la méthode de mesure 2 :

Fk << Fx


Calculer la fréquence :

Après simplification :
Fm=Fx - Fk, ou FK, ou Fx, ou Fx + Fk

Pour calculer l'erreur de mesure :


Calcul de l'erreur de mesure pour la méthode de mesure 3 :

Fk &gt;> Fx/x

Le calcul de l'erreur de mesure est identique à la méthode 1. La seule différence est que nous devons maintenant diviser la fréquence à mesurer, Fx, par une valeur entière x :