頻率計(jì)

頻率計(jì)的寫(xiě)法

頻率計(jì)介紹

頻率計(jì)，全稱(chēng)頻率計(jì)數(shù)器，是一種專(zhuān)門(mén)對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。

工作原理

當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。在一個(gè)測(cè)量周期過(guò)程中，被測(cè)周期信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過(guò)放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門(mén)的一個(gè)輸入端。主門(mén)的另外一個(gè)輸入端為時(shí)基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門(mén)脈沖。在閘門(mén)脈沖開(kāi)啟主門(mén)的期間，特定周期的窄脈沖才能通過(guò)主門(mén)，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來(lái)完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。

應(yīng)用范圍

在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測(cè)量頻率并顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜，但測(cè)量速度較慢，無(wú)法實(shí)時(shí)快速的跟蹤捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此，頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計(jì)被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)測(cè)試中。頻率計(jì)能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶(hù)通過(guò)使用頻率計(jì)能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中，頻率計(jì)被用來(lái)對(duì)各種電子測(cè)量設(shè)備的本地振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn)。在無(wú)線(xiàn)通訊測(cè)試中，頻率計(jì)既可以被用來(lái)對(duì)無(wú)線(xiàn)通訊基站的主時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以被用來(lái)對(duì)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的跳頻信號(hào)和頻率調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分析。

有效使用產(chǎn)品

計(jì)數(shù)器是一種即插即用的儀器，從外表來(lái)看相當(dāng)簡(jiǎn)單。您只需把信號(hào)接到輸入端，數(shù)字顯示就會(huì)告訴您頻率或其它參數(shù)。但要得到的結(jié)果，無(wú)論是對(duì)于測(cè)試速度還是測(cè)試質(zhì)量，設(shè)置計(jì)數(shù)器的測(cè)量是很重要的。

選擇的計(jì)數(shù)器首先是選擇您測(cè)試需要的計(jì)數(shù)器。以下是幾種適用于不同頻率范圍測(cè)量任務(wù)的計(jì)數(shù)器:•通用計(jì)數(shù)器可進(jìn)行頻率和時(shí)間間隔,以及一些相關(guān)參數(shù)測(cè)量。•射頻頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行達(dá)3GHz或更高的精確頻率測(cè)量。•微波頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行達(dá)40GHz或更高的精確頻率測(cè)量。•時(shí)間間隔分析儀最適合進(jìn)行精確的時(shí)間間隔測(cè)量。•調(diào)制域分析儀專(zhuān)用于顯示調(diào)制量，如頻率-時(shí)間，相位-時(shí)間和時(shí)間間隔-時(shí)間。

提示1：認(rèn)識(shí)分辨率和精度的差別

認(rèn)為顯示位數(shù)越多的測(cè)量結(jié)果越精確的想法也許并不正確。通常犯的一個(gè)錯(cuò)誤就是把分辨率和精度看等同起來(lái)。它們的確相互聯(lián)系，但卻是不同的概念。計(jì)數(shù)器的分辨率是指計(jì)數(shù)器能夠在相近頻率中檢測(cè)的最小變化量。在所有其它情況均相同時(shí)（如測(cè)量時(shí)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(dāng)其它誤差使計(jì)數(shù)器的分辨能力偏離真實(shí)頻率時(shí)，其位數(shù)并無(wú)實(shí)際意義。也就是說(shuō)計(jì)數(shù)器提供的可能是對(duì)不正確頻率的非常精確讀數(shù)。

精度由隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差確定。隨機(jī)誤差是分辨率不確定度的來(lái)源，它包括:•量化誤差計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)，一位有效數(shù)字存在±1的不確定性。產(chǎn)生原因是內(nèi)部時(shí)鐘頻率和輸入信號(hào)間的非相干性。•觸發(fā)誤差輸入信號(hào)的噪聲或來(lái)自計(jì)數(shù)器輸入通道的噪聲都可能引起噪聲毛刺觸發(fā)。•時(shí)基誤差時(shí)基振蕩器頻率和其標(biāo)稱(chēng)頻率的不同都會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量誤差。系統(tǒng)誤差是測(cè)量系統(tǒng)讀數(shù)對(duì)信號(hào)實(shí)際頻率的偏離。包括老化、溫度和線(xiàn)電壓變化對(duì)時(shí)基晶體的影響。圖1中比較了兩臺(tái)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器A有好的分辨率但系統(tǒng)誤差較大，計(jì)數(shù)器B分辨率差但系統(tǒng)偏移誤差較小，結(jié)果是在大多數(shù)情況下，計(jì)數(shù)器A顯示結(jié)果的精度要比計(jì)數(shù)器B低。

圖1.分辨率—精度簡(jiǎn)圖。系統(tǒng)誤差與時(shí)基使顯示頻率偏離實(shí)際頻率。隨機(jī)誤差產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍，計(jì)數(shù)器不能區(qū)分此范圍內(nèi)的不同信號(hào)。

提示2：理解計(jì)數(shù)器的測(cè)量方法

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

圖2.直接計(jì)數(shù)器顯示的位數(shù)—頻率(對(duì)于1s選通時(shí)間)

圖3.比較直接計(jì)數(shù)器和倒數(shù)計(jì)數(shù)器的分辨率(對(duì)于1s選通時(shí)間)

圖4.這里是10位/秒倒數(shù)計(jì)數(shù)器不同分辨率所需要的選通時(shí)間

選擇也依據(jù)性?xún)r(jià)比。如果您對(duì)分辨率沒(méi)有嚴(yán)格要求，也不太關(guān)心速度，那么直接計(jì)數(shù)器就可能是經(jīng)濟(jì)的選擇。而對(duì)于快速和高分辨率測(cè)量，則應(yīng)選倒數(shù)計(jì)數(shù)器。

提示3：為滿(mǎn)足性能要求進(jìn)行定期校準(zhǔn)

校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的頻度由幾項(xiàng)因素決定。•時(shí)基類(lèi)型•計(jì)數(shù)器在測(cè)量期間經(jīng)受的條件•測(cè)量需要多高的精度校準(zhǔn)并非一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題，通常與計(jì)數(shù)器精度直接相關(guān)。您在顯示器上看到的測(cè)量質(zhì)量取決于四個(gè)因素:1.時(shí)間不變的計(jì)數(shù)器性能因素(如提示3中討論的時(shí)基溫度穩(wěn)定性)2.時(shí)間變化的計(jì)數(shù)器性能因素(如時(shí)基的老化率）3.輸入信號(hào)純凈度和噪聲級(jí)4.計(jì)數(shù)器設(shè)置和配置第2項(xiàng)是校準(zhǔn)所扮演的角色。盡管計(jì)數(shù)器是測(cè)量電信號(hào)的電子儀器，但作為每臺(tái)計(jì)數(shù)器時(shí)基心臟的石英晶體卻是一種機(jī)械元件。由于晶體是機(jī)械元件，因此在受到各種物理擾動(dòng)時(shí)會(huì)改變它的振動(dòng)頻率，并進(jìn)而影響計(jì)數(shù)器精度。這些不同擾動(dòng)的累積效應(yīng)即晶體的老化，校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器即是對(duì)老化的補(bǔ)償。老化是一項(xiàng)容易預(yù)測(cè)和能通過(guò)校準(zhǔn)得到補(bǔ)償?shù)囊蛩?。您可通過(guò)查看計(jì)數(shù)器的老化率指標(biāo)確定何時(shí)需要校準(zhǔn)。例如:如果老化率為4×10-8∕天。在校準(zhǔn)后的第300天，老化將在總精度計(jì)算中增加1.2×10-5的時(shí)基誤差。如果該不確定度（對(duì)于1MHz信號(hào)為±12Hz）加上其它固有誤差對(duì)您的測(cè)量是可接受的，您就不需要校準(zhǔn)。否則就要校準(zhǔn)。

提示4：進(jìn)行最精確的測(cè)量

•選擇的待命模式如果您要進(jìn)行快速的測(cè)量，一種簡(jiǎn)單方法是使用頻率計(jì)數(shù)器的自動(dòng)待命模式。但在四種典型待命模式(自動(dòng)、外部、時(shí)間和位)中，自動(dòng)模式的精度。您可通過(guò)增加外部、時(shí)間，或位待命模式的選通時(shí)間改進(jìn)分辨率和系統(tǒng)不確定度(如提示2所述，兩者都是測(cè)量誤差的組成部分)。•使用的時(shí)基和經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)基的質(zhì)量和校準(zhǔn)的頻度將影響您的測(cè)量質(zhì)量。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，您需要兼顧精度、時(shí)基質(zhì)量和校準(zhǔn)周期。如果購(gòu)買(mǎi)的是較高質(zhì)量的時(shí)基，就可適當(dāng)延長(zhǎng)校準(zhǔn)周期。如果頻繁地校準(zhǔn)，較便宜的時(shí)基就也能達(dá)到您的精度要求。時(shí)基不需要放在計(jì)數(shù)器中，可用外部精密頻率源和時(shí)基改進(jìn)測(cè)量精度。•保持計(jì)數(shù)器時(shí)基溫度如我們?cè)谔崾?中討論的，大多數(shù)精密頻率計(jì)數(shù)器都使用溫度補(bǔ)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(dòng)。振蕩器斷電，即使是很短時(shí)間的斷電，在回到穩(wěn)定頻率前也會(huì)有波動(dòng)。為保證最穩(wěn)定的晶體工作:•把計(jì)數(shù)器放在不會(huì)被拔掉電源的位置，使儀器在開(kāi)機(jī)模式和待機(jī)模式間交替。•在校準(zhǔn)時(shí)基時(shí)，要把校準(zhǔn)設(shè)備拿到計(jì)數(shù)器處，而不是相反，因此不必給儀器斷電。•保護(hù)頻率計(jì)數(shù)器免受搬移和溫度變化也將改進(jìn)它的穩(wěn)定性。當(dāng)您斷開(kāi)計(jì)數(shù)器電源時(shí)，即使是短暫的，老化率也要按天數(shù)重新開(kāi)始計(jì)算。•監(jiān)視觸發(fā)電平定時(shí)誤差在您進(jìn)行定時(shí)測(cè)量(時(shí)間間隔，脈沖寬度，上升時(shí)間，下降時(shí)間，相位和占空比)時(shí)，需要考慮觸發(fā)電平定時(shí)誤差的影響。有幾項(xiàng)需考慮的因素:觸發(fā)電平電路的分辨率和精度，輸入信號(hào)在觸發(fā)點(diǎn)的斜率，以及輸入滯后帶的寬度。為減小這些影響，應(yīng)在正弦波或方波信號(hào)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(jìn)行的是偏置至偏置測(cè)量(如整個(gè)周期，兩信號(hào)間0°相位)，那么滯后窗效應(yīng)可能被抵消。應(yīng)注意大多數(shù)計(jì)數(shù)器都最適合0V觸發(fā)電平設(shè)置。•如有可能，把所有時(shí)基鎖定到單一時(shí)鐘兩個(gè)獨(dú)立時(shí)基間產(chǎn)生的偏離和/或抖動(dòng)將增加誤差。使用獨(dú)立時(shí)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(kāi)始時(shí)，聲頻和視頻可能同步，但隨著時(shí)間推移，兩者差距越來(lái)越大。在使用現(xiàn)代測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用中，這種偏離不能忽略的。

提示5：進(jìn)行最快的測(cè)量

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

•把計(jì)數(shù)器設(shè)置到已知狀態(tài)在發(fā)送復(fù)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(duì)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(fù)位時(shí)接收的命令。•設(shè)置與儀器使用數(shù)據(jù)類(lèi)型一致的輸出格式這將避免后處理期間因轉(zhuǎn)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(dāng)您禁用這些功能時(shí)，處理器就能把它的資源用于讀數(shù)和把讀數(shù)送至計(jì)算機(jī)，而不是用來(lái)響應(yīng)額外的中斷，例如更新顯示。•配置預(yù)期頻率Agilent53100系列計(jì)數(shù)器能按您的測(cè)量頻率優(yōu)化配置。實(shí)際被測(cè)信號(hào)必須在您命令中提供值的10[[[[%]]]]內(nèi)。•設(shè)置觸發(fā)電平當(dāng)輸入信號(hào)通過(guò)命令中的電平設(shè)置值時(shí)，就建立了觸發(fā)條件。把觸發(fā)電平設(shè)置在信號(hào)的斜率處，從而把滿(mǎn)足觸發(fā)條件的時(shí)間量減到最小。正弦波或方波在過(guò)零時(shí)(假定為0V偏置)有的斜率。•把觸發(fā)設(shè)置為立刻讀數(shù)當(dāng)儀器使用雙電平觸發(fā)時(shí)，在得到讀數(shù)前必須同時(shí)符合這兩個(gè)觸發(fā)條件。設(shè)置觸發(fā)待命條件，以立刻滿(mǎn)足級(jí)觸發(fā)電平。