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頻率計數器選型指南:解析度、通道與時基

位數/秒、單發解析度、通道數、微波輸入與時基——五個規格看懂該選哪一台

選型指南 頻率計數器時間間隔時基微波量測選型

頻率計數器選型指南:解析度、通道與時基

位數/秒、單發解析度、通道數、微波輸入與時基——五個規格看懂該選哪一台

CNT-104S 四通道同時顯示頻率量測結果
CNT-104S 四個通道平行量測:每個通道各自的頻率、統計與直方圖同時呈現。

重點摘要

選頻率計數器/計時分析儀時,先看五個規格:一、頻率解析度以「位數/秒」表示,代表 1 秒閘門時間能得到的有效位數,閘門拉長位數增加、縮短則減少(CNT-104S 與 CNT-102 為 13 digits/s,CNT-91 與 CNT-90 系列為 12 digits/s);二、單發時間解析度以 ps 計,是時間間隔量測無法靠閘門時間改善的地板(CNT-104S 優於 7 ps、CNT-102 14 ps、CNT-91 35 ps、CNT-90 70 ps、CNT-90XL 100 ps);三、通道數與是否能平行、無間隙擷取(CNT-104S 4 通道每秒 2,000 萬筆,CNT-102 2 通道每秒 100 萬筆,CNT-9x 系列則為 250,000 筆/秒);四、微波輸入上限,一般機種選配至 20 或 24 GHz,微波與脈衝 RF 量測要選 CNT-90XL(0.3 至 27、40、46 或 60 GHz);五、時基是 TCXO、OCXO、內建銣原子鐘(CNT-91R、CNT-104R)還是外接實驗室 10 MHz 參考。依用途歸納:振盪器量產測試選 CNT-104S、校準實驗室選 CNT-104R 或 CNT-91R、雷達與通訊模組選 CNT-90XL、預算有限的研發桌面選 CNT-102 或 CNT-90。

  • 13 digits/s 是 1 秒閘門的解析度,閘門越短位數越少
  • 時間間隔量測的地板是單發解析度(ps),閘門幫不上忙
  • 多路訊號要比相位,必須平行且無間隙擷取,不能多台拼湊
  • 微波與脈衝 RF 是 CNT-90XL 的專長,最高 60 GHz
  • 計數器不會比它的時基更準:有外部參考就接,沒有就選 R 版

解析度:「位數/秒」與單發時間解析度是兩件事

規格表上的「13 digits/s」不是說每次量測都給 13 位數,而是「在 1 秒閘門時間 (gate time) 下可得到 13 位有效數字」。現代計數器採用倒數計數加內插(時間戳記)的原理:在閘門時間內記錄訊號經過的週期數與起訖時刻,再以週期數除以時間求得頻率。閘門越長,累積的週期越多、起訖時刻的誤差佔比越小,位數就越多;閘門縮短為 10 ms,位數大約少兩位。CNT-104R 的閘門時間可從 50 ns 一路調到 1000 s,就是為了讓使用者在「量得快」與「量得細」之間自行取捨。

因此比較機種時,要用相同閘門時間比。CNT-104S 與 CNT-102 標示為最高 13 digits/s,CNT-91/91R、CNT-90 與 CNT-90XL 為 12 digits/s(CNT-90XL 註明是 1 秒量測時間)。顯示位數是另一回事:CNT-91 與 CNT-90XL 最多可顯示 14 位,但那是顯示器的能力,不代表量測解析度。

第二個數字是單發時間解析度 (single-shot time resolution),也就是每一個時間戳記本身的精細度:CNT-104S 與 CNT-104R 優於 7 ps,CNT-102 為 14 ps,CNT-91/91R 為 35 ps,CNT-90 為 70 ps,CNT-90XL 為 100 ps。這個數字決定了頻率解析度隨閘門時間增長的斜率,更重要的是,它是時間間隔、脈寬、上升時間這類「單次事件」量測的地板——一段 start 到 stop 的時間只發生一次,沒有閘門可以拉長,能改善的只有對重複事件取平均。如果主要工作是時間間隔與抖動,這個數字比位數/秒更該優先看。

通道數與無間隙平行擷取

傳統計數器有 A、B 兩個輸入通道,但一次只做一種量測,量完一筆、整理結果、再開始下一筆,中間有空窗。CNT-90、CNT-91/91R 與 CNT-90XL 屬於這種架構的高速版本,每秒可將 250,000 筆結果存入內部記憶體(CNT-91 可存 3.5M 筆,CNT-90 為 750k 筆),對單一訊號的頻率、週期或時間間隔統計已經綽綽有餘。

CNT-104S 與 CNT-102 是另一種架構:所有通道平行、連續、無間隙 (gapless) 地為每一個觸發邊緣打上時間戳記。CNT-104S 有 4 個平行輸入通道(至 400 MHz),每通道取樣間隔 50 ns,總量測速度每秒 2,000 萬筆;CNT-102 為 2 通道,每秒 100 萬筆;兩者的區塊模式都可達每秒 170,000 筆。因為所有通道共用同一個時基與同一條時間軸,通道之間的相位、時間差與同時性本來就成立,不需要事後對齊。

什麼時候需要平行通道?凡是「必須確定兩件事是不是同時發生」的場合:多路振盪器同時量產測試、兩個時脈之間的相位漂移追蹤、分配放大器多路輸出的偏斜、1 個 start 對多個 stop 的飛行時間量測(CNT-104S 支援 1 start 對 3 stop)。如果你現在的做法是用多台計數器各盯一路,再想辦法把時間軸對起來,那多通道機種就是用來取代這個做法的。反之,工作以單一訊號為主時,CNT-9x 系列的架構完全夠用,而且介面(USB、GPIB)與現有 ATE 程式相容性更高。

微波輸入與脈衝 RF

標準通道到 400 MHz 涵蓋了絕大多數時脈與參考訊號。再往上要靠選配的微波通道:CNT-91/91R 可選 3、8、14 或 20 GHz,CNT-90 可選 3、8、15 或 20 GHz,CNT-102 最高 24 GHz(3 / 10 / 15 / 20 / 24 GHz 可選),CNT-104S 的 Channel C 基礎硬體為 3 GHz 或 10 GHz,其中 10 GHz 版本可用軟體升級到 15 / 20 / 24 GHz——這對「先買基本、日後升級」的預算規劃很實用。

超過 24 GHz,或需要量脈衝 RF,就是 CNT-90XL 的領域。它的輸入 C 依機型涵蓋 0.3 至 27、40、46 或 60 GHz,0.3 至 18 GHz 靈敏度 -33 dBm,並可同時量測功率(-35 dBm 至 +10 dBm;典型準確度至 27 GHz 優於 1 dBm)。選項 28 加入脈衝 RF 量測:脈寬 30 ns 至 1 秒、解析度 200 ps rms,可直接量雷達或通訊模組的脈內載波頻率、脈寬與脈衝重複間隔,不必先解調。

選型時注意兩點:微波通道通常是單一通道(CNT-104S 例外,可與 4 個 400 MHz 通道並用),以及微波量測時的頻率解析度仍受時基與閘門時間支配,載波頻率高並不會讓相對解析度變差,但絕對頻率誤差(Hz)會隨載波頻率等比放大,時基品質更顯重要。

時基:TCXO、OCXO、銣原子鐘,還是外部 10 MHz

計數器不會比它的時基 (time base) 更準。閘門再長、位數再多,若時基本身偏了 1×10⁻⁷,10 MHz 訊號讀值就偏 1 Hz。因此時基是選型時最容易被低估、也最影響量測不確定度的項目。

常見等級由低到高:TCXO(溫補晶體,CNT-102 標配,1 ppm/year);OCXO(恆溫晶體,CNT-91 與 CNT-90 可選 0.01 ppm/month 或 0.003 ppm/month,CNT-90XL 選項 30/90 與 40/90 同為這兩級;CNT-104S 提供 TCXO 與兩級 OCXO;CNT-102 的 OCXO 也分兩種精度等級);內建銣原子振盪器(CNT-91R,以及 CNT-104R 內建 10 MHz 銣鐘,頻率校準準確度優於 1×10⁻¹¹,搭配 GNSS 選購模組 24 小時平均可達 1×10⁻¹²)。

判斷方式很簡單:實驗室如果已經有可溯源的 10 MHz 參考源(例如 FTR-210R 或 6688/6689 分配出來的訊號),把它接到計數器的外部參考輸入,內建時基等級就退居次要,選 OCXO 即可;如果計數器要單機出差、上車、進客戶現場,或本身就是實驗室最準的東西,就選內建銣鐘的 R 版本。分配與參考源的規劃請見〈實驗室時頻參考與溯源:GNSS 鎖定銣鐘與獨立參考源〉

量測速度、記憶體與分析軟體

統計與抖動分析吃的是樣本數,因此量測速度與記憶體深度直接決定你能不能「看見」偶發事件。CNT-9x 系列每秒 250,000 筆、記憶體 750k(CNT-90)到 3.5M(CNT-91)筆;CNT-104S 每秒 2,000 萬筆,CNT-104R 內部記憶體最多 32M 樣本。若透過 GPIB 即時傳回電腦,速度會受匯流排限制(CNT-91 最高 4,000 results/s,CNT-90 為 2,000 筆/秒),所以高速擷取都是先存到內部記憶體再批次讀出;CNT-104S 與 CNT-102 標配 Gbit 乙太網路並內建 Web 伺服器,整合到自動測試系統時不需要額外介面卡。

CNT-9x 系列本身以數值顯示為主,要看「頻率隨時間怎麼變」需要 TimeView 軟體:自由執行取樣最高 250 kSa/s,重複取樣等效速率最高 100 MSa/s(最小延遲 10 ns),時間戳記解析度 35 ps rms(CNT-91/91R)或 70 ps rms(CNT-90/90XL),可將 1.9M(CNT-91/91R)或 375k(CNT-90/90XL)筆結果做成頻率/時間、相位/時間、直方圖與 FFT 圖。訂購時注意版本對應:TimeView 2(Option 29/90)支援 CNT-90、CNT-90XL、CNT-91、CNT-91R,TimeView 3(Option 29/91)只支援 CNT-91/91R。

CNT-104S 與 CNT-102 則把調變域分析內建在大尺寸彩色觸控螢幕上,圖形與數值並呈,FM、FSK、BPSK、PWM、PPM 等調變都可以直接觀察,不需另購軟體。這也是兩種架構在總持有成本上的差異之一。

頻率隨時間變化的調變域示意圖
圖 1 調變域分析:把每一個週期的頻率對時間畫出來,看見數值顯示看不到的變化。

依用途的決策路徑

振盪器、時脈模組量產測試:重點是產能與通道間一致性。CNT-104S 的 4 個平行通道可同時測 4 顆 DUT,機架選配 (option 22/05) 可在 19 吋 2U 空間放 8 台,等於 32 路並行,透過 Gbit 乙太網路集中控制;若每站只需 2 路,CNT-102 同樣 13 digits/s、14 ps,是更經濟的選擇。

校準實驗室:重點是溯源與不確定度。CNT-104R 內建 10 MHz 銣鐘,頻率校準準確度優於 1×10⁻¹¹,搭配 GNSS 選購模組時時間校準不確定度優於 10 ns rms 至 UTC,一機可同時比對 4 路受校件;傳統路線則是 CNT-91R(內建銣鐘、35 ps、12 digits/s、GPIB)。不論哪一台,都應接到實驗室的 10 MHz 參考源。

雷達、通訊模組與微波元件測試:需要量載波頻率、功率與脈衝參數,選 CNT-90XL,依需求選 27、40、46 或 60 GHz 版本並加選項 28(脈衝 RF)。若載波在 24 GHz 以下、同時要看基頻時脈,CNT-104S 加 Channel C 也能勝任。

研發桌面、預算有限:CNT-102 提供旗艦級的 13 digits/s 與無間隙 2 通道擷取,內建圖形分析;若必須相容既有 GPIB 程式或需要免市電作業,CNT-90(電池選項 90 Wh,可達 4.5 小時以上)仍是務實的選擇。三個共通提醒:確認最高輸入頻率是否超過 400 MHz、確認實驗室有沒有外部 10 MHz 參考、以及時間間隔工作為主時把單發解析度放在位數/秒之前。

名詞解釋

閘門時間 (Gate Time)
計數器累積週期數以求頻率的時間長度。閘門越長,頻率解析度的位數越多;「13 digits/s」即 1 秒閘門下的有效位數。
單發時間解析度 (Single-shot Time Resolution)
單一時間戳記的精細度,以 ps 表示。它是時間間隔、脈寬等單次事件量測的地板,無法靠拉長閘門改善。
無間隙量測 (Gapless Measurement)
對訊號每一個觸發邊緣連續打時間戳記,量測與量測之間沒有空窗,因此不會漏掉任何週期,是連續抖動與多通道相位分析的前提。
時基 (Time Base)
計數器內部的參考振盪器,等級由 TCXO、OCXO 到銣原子鐘;也可改接外部 10 MHz 參考。計數器的頻率準確度不會優於其時基。
調變域分析 (Modulation Domain Analysis)
以頻率(或相位、時間間隔)對時間作圖,觀察訊號如何隨時間變化,而不是只給一個平均值;可用 TimeView 或 CNT-104S/CNT-102 內建功能完成。

相關量測設備

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