頻率計

頻率計的寫法

頻率計介紹

頻率計，全稱頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。

工作原理

當被測信號在特定時間段T內的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設置。

應用范圍

在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應用范圍。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質量。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設備的本地振蕩器進行校準。在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調制信號進行分析。

有效使用產(chǎn)品

計數(shù)器是一種即插即用的儀器，從外表來看相當簡單。您只需把信號接到輸入端，數(shù)字顯示就會告訴您頻率或其它參數(shù)。但要得到的結果，無論是對于測試速度還是測試質量，設置計數(shù)器的測量是很重要的。

選擇的計數(shù)器首先是選擇您測試需要的計數(shù)器。以下是幾種適用于不同頻率范圍測量任務的計數(shù)器:•通用計數(shù)器可進行頻率和時間間隔,以及一些相關參數(shù)測量。•射頻頻率計數(shù)器進行達3GHz或更高的精確頻率測量。•微波頻率計數(shù)器進行達40GHz或更高的精確頻率測量。•時間間隔分析儀最適合進行精確的時間間隔測量。•調制域分析儀專用于顯示調制量，如頻率-時間，相位-時間和時間間隔-時間。

提示1：認識分辨率和精度的差別

認為顯示位數(shù)越多的測量結果越精確的想法也許并不正確。通常犯的一個錯誤就是把分辨率和精度看等同起來。它們的確相互聯(lián)系，但卻是不同的概念。計數(shù)器的分辨率是指計數(shù)器能夠在相近頻率中檢測的最小變化量。在所有其它情況均相同時（如測量時間和產(chǎn)品成本），位數(shù)是越多越好──但您看到的顯示位數(shù)必須得到精度的支持。當其它誤差使計數(shù)器的分辨能力偏離真實頻率時，其位數(shù)并無實際意義。也就是說計數(shù)器提供的可能是對不正確頻率的非常精確讀數(shù)。

精度由隨機誤差和系統(tǒng)誤差確定。隨機誤差是分辨率不確定度的來源，它包括:•量化誤差計數(shù)器測量時，一位有效數(shù)字存在±1的不確定性。產(chǎn)生原因是內部時鐘頻率和輸入信號間的非相干性。•觸發(fā)誤差輸入信號的噪聲或來自計數(shù)器輸入通道的噪聲都可能引起噪聲毛刺觸發(fā)。•時基誤差時基振蕩器頻率和其標稱頻率的不同都會直接導致測量誤差。系統(tǒng)誤差是測量系統(tǒng)讀數(shù)對信號實際頻率的偏離。包括老化、溫度和線電壓變化對時基晶體的影響。圖1中比較了兩臺計數(shù)器。計數(shù)器A有好的分辨率但系統(tǒng)誤差較大，計數(shù)器B分辨率差但系統(tǒng)偏移誤差較小，結果是在大多數(shù)情況下，計數(shù)器A顯示結果的精度要比計數(shù)器B低。

圖1.分辨率—精度簡圖。系統(tǒng)誤差與時基使顯示頻率偏離實際頻率。隨機誤差產(chǎn)生一個頻率范圍，計數(shù)器不能區(qū)分此范圍內的不同信號。

提示2：理解計數(shù)器的測量方法

頻率計數(shù)器分成兩類：直接計數(shù)和倒數(shù)計數(shù)。理解這兩種不同方法的影響將幫助您選擇的計數(shù)器并正確地使用計數(shù)器。直接計數(shù)器簡單記錄已知周期（選通時間）的信號循環(huán)次數(shù)。所得到的計數(shù)直接送至計數(shù)器的讀出顯示。這種方法既簡單又便宜，但也意味著直接計數(shù)器的分辨率固定為Hz。例如，對于1s的選通時間，計數(shù)器能檢測到的頻率為1Hz（根據(jù)定義，1s內信號循環(huán)一次為1Hz）。因此如果您正在測量10Hz信號，對1s選通時間的預期分辨率為1Hz，或2位顯示。對于1kHz信號和1s選通，您能得到4位。100kHz信號為6位，依此類推。圖2表明了這一關系。還應注意直接計數(shù)器的選通時間只能選為1s的十倍數(shù)或十分數(shù)，這也限制了您的測量靈活性。與之相反，倒數(shù)計數(shù)器測量輸入信號的周期，然后將周期取倒數(shù)得到頻率。鑒于其測量體系結構，對于給定的選通時間，所得到的分辨率為顯示位數(shù)（而非Hz）。也就是說倒數(shù)計數(shù)器永遠顯示同樣的分辨率位數(shù)，而與輸入頻率無關。注意對于特定的選通時間，您將看到按位數(shù)規(guī)定的倒數(shù)計數(shù)器分辨率，如“每秒10位”。只需查看頻率分辨率指標，您就能確定是直接計數(shù)器還是倒數(shù)計數(shù)器。如果分辨率以Hz表示，就是直接計數(shù)器。如果用位∕秒表示，就是倒數(shù)計數(shù)器。計數(shù)器行業(yè)規(guī)定的標準化測量是相對于1s選通時間。圖3比較直接計數(shù)器和倒數(shù)計數(shù)器的分辨率。在較低頻率時，倒數(shù)計數(shù)器有明顯的優(yōu)勢。例如對于1kHz，直接計數(shù)器給出1Hz的分辨率（4位）。而10位∕秒的倒數(shù)計數(shù)器給出1μHz（10位）的分辨率。即使精密分辨率不是您的主要要求，倒數(shù)計數(shù)器還具有速度優(yōu)勢：倒數(shù)計數(shù)器在1ms時得到1mHz分辨率，而直接計數(shù)器卻要花整整1s，才能得到1Hz分辨率（圖4）。倒數(shù)計數(shù)器也提供連續(xù)可調的選通時間（不只是十進制步進），因此您能以最少的時間得到所需要的分辨率。

圖2.直接計數(shù)器顯示的位數(shù)—頻率(對于1s選通時間)

圖3.比較直接計數(shù)器和倒數(shù)計數(shù)器的分辨率(對于1s選通時間)

圖4.這里是10位/秒倒數(shù)計數(shù)器不同分辨率所需要的選通時間

選擇也依據(jù)性價比。如果您對分辨率沒有嚴格要求，也不太關心速度，那么直接計數(shù)器就可能是經(jīng)濟的選擇。而對于快速和高分辨率測量，則應選倒數(shù)計數(shù)器。

提示3：為滿足性能要求進行定期校準

校準計數(shù)器的頻度由幾項因素決定。•時基類型•計數(shù)器在測量期間經(jīng)受的條件•測量需要多高的精度校準并非一個簡單問題，通常與計數(shù)器精度直接相關。您在顯示器上看到的測量質量取決于四個因素:1.時間不變的計數(shù)器性能因素(如提示3中討論的時基溫度穩(wěn)定性)2.時間變化的計數(shù)器性能因素(如時基的老化率）3.輸入信號純凈度和噪聲級4.計數(shù)器設置和配置第2項是校準所扮演的角色。盡管計數(shù)器是測量電信號的電子儀器，但作為每臺計數(shù)器時基心臟的石英晶體卻是一種機械元件。由于晶體是機械元件，因此在受到各種物理擾動時會改變它的振動頻率，并進而影響計數(shù)器精度。這些不同擾動的累積效應即晶體的老化，校準計數(shù)器即是對老化的補償。老化是一項容易預測和能通過校準得到補償?shù)囊蛩亍Ｄ赏ㄟ^查看計數(shù)器的老化率指標確定何時需要校準。例如:如果老化率為4×10-8∕天。在校準后的第300天，老化將在總精度計算中增加1.2×10-5的時基誤差。如果該不確定度（對于1MHz信號為±12Hz）加上其它固有誤差對您的測量是可接受的，您就不需要校準。否則就要校準。

提示4：進行最精確的測量

•選擇的待命模式如果您要進行快速的測量，一種簡單方法是使用頻率計數(shù)器的自動待命模式。但在四種典型待命模式(自動、外部、時間和位)中，自動模式的精度。您可通過增加外部、時間，或位待命模式的選通時間改進分辨率和系統(tǒng)不確定度(如提示2所述，兩者都是測量誤差的組成部分)。•使用的時基和經(jīng)常進行校準時基的質量和校準的頻度將影響您的測量質量。對于大多數(shù)應用，您需要兼顧精度、時基質量和校準周期。如果購買的是較高質量的時基，就可適當延長校準周期。如果頻繁地校準，較便宜的時基就也能達到您的精度要求。時基不需要放在計數(shù)器中，可用外部精密頻率源和時基改進測量精度。•保持計數(shù)器時基溫度如我們在提示3中討論的，大多數(shù)精密頻率計數(shù)器都使用溫度補償頻率振蕩器(TCXO)或恒溫槽控制頻率振蕩器(OCXO)。保持頻率振蕩器的連續(xù)通電將避免輸出頻率的變動。振蕩器斷電，即使是很短時間的斷電，在回到穩(wěn)定頻率前也會有波動。為保證最穩(wěn)定的晶體工作:•把計數(shù)器放在不會被拔掉電源的位置，使儀器在開機模式和待機模式間交替。•在校準時基時，要把校準設備拿到計數(shù)器處，而不是相反，因此不必給儀器斷電。•保護頻率計數(shù)器免受搬移和溫度變化也將改進它的穩(wěn)定性。當您斷開計數(shù)器電源時，即使是短暫的，老化率也要按天數(shù)重新開始計算。•監(jiān)視觸發(fā)電平定時誤差在您進行定時測量(時間間隔，脈沖寬度，上升時間，下降時間，相位和占空比)時，需要考慮觸發(fā)電平定時誤差的影響。有幾項需考慮的因素:觸發(fā)電平電路的分辨率和精度，輸入信號在觸發(fā)點的斜率，以及輸入滯后帶的寬度。為減小這些影響，應在正弦波或方波信號的偏置值處觸發(fā)。這樣能得到斜率，也把滯后帶誤差減到最小。如果您進行的是偏置至偏置測量(如整個周期，兩信號間0°相位)，那么滯后窗效應可能被抵消。應注意大多數(shù)計數(shù)器都最適合0V觸發(fā)電平設置。•如有可能，把所有時基鎖定到單一時鐘兩個獨立時基間產(chǎn)生的偏離和/或抖動將增加誤差。使用獨立時基就像是觀看視頻和聲頻通道在不同的系統(tǒng)上的電影。在電影開始時，聲頻和視頻可能同步，但隨著時間推移，兩者差距越來越大。在使用現(xiàn)代測試和測量設備的應用中，這種偏離不能忽略的。

提示5：進行最快的測量

您可以配置現(xiàn)代頻率計數(shù)器，以得到每秒數(shù)百次的讀數(shù)，這對于表征隨時間變化的信號是非常有用的。應記住頻率計數(shù)器最適合測量穩(wěn)定，或慢變化的信號。還應記住為獲得精確讀數(shù)，得到一個好的讀數(shù)比平均大量讀數(shù)更好。

•把計數(shù)器設置到已知狀態(tài)在發(fā)送復位命令后，儀器返回到就緒狀態(tài)前不要發(fā)送其它命令。對于大多數(shù)儀器返回就緒狀態(tài)，程序中增加一秒的等待或延遲就足夠了。儀器有可能丟失復位時接收的命令。•設置與儀器使用數(shù)據(jù)類型一致的輸出格式這將避免后處理期間因轉換數(shù)據(jù)格式造成的延遲。•禁用所有后處理和打印操作當您禁用這些功能時，處理器就能把它的資源用于讀數(shù)和把讀數(shù)送至計算機，而不是用來響應額外的中斷，例如更新顯示。•配置預期頻率Agilent53100系列計數(shù)器能按您的測量頻率優(yōu)化配置。實際被測信號必須在您命令中提供值的10[[[[%]]]]內。•設置觸發(fā)電平當輸入信號通過命令中的電平設置值時，就建立了觸發(fā)條件。把觸發(fā)電平設置在信號的斜率處，從而把滿足觸發(fā)條件的時間量減到最小。正弦波或方波在過零時(假定為0V偏置)有的斜率。•把觸發(fā)設置為立刻讀數(shù)當儀器使用雙電平觸發(fā)時，在得到讀數(shù)前必須同時符合這兩個觸發(fā)條件。設置觸發(fā)待命條件，以立刻滿足級觸發(fā)電平。