頻率計數器測量功能介紹

頻率計數器測量功能介紹

本文主要介紹頻率計數器基本測量功能。先給出頻率計數器簡(jiǎn)介，隨后分別介紹常見(jiàn)測量功能，最后討論頻率計數器應用。
關(guān)鍵字：頻率測量，頻率計數器

一、頻率計數器簡(jiǎn)介
電子工程師經(jīng)常需要測量頻率、時(shí)間間隔、相位和對事件計數，精確的測量離不開(kāi)頻率計數器或它的同類(lèi)產(chǎn)品，如電子計數器和時(shí)間間隔分析儀。這些儀器為研發(fā)提供高精度和分析能力，為大批量生產(chǎn)提供高效率并為維修提供低成本和便攜性。
最早的電子計數器是為了對諸如原子現象之類(lèi)的事情進(jìn)行計數而設計出來(lái)的。在發(fā)明計數器之前，頻率的測量都是用頻率計(一種精度很低的協(xié)調裝置)完成。頻率計數器是以數字方式對信號參數進(jìn)行精密測量的首批儀器之一。
衡量頻率計數器主要指標是測量范圍、測量功能、精度和穩定性，這些也是決定價(jià)格高低的主要依據。隨著(zhù)電子測試技術(shù)的發(fā)展，頻率計數器日趨成熟。目前，頻率計數器已經(jīng)能輕松測量射頻、微波頻段信號。除頻率測量外，大多數頻率計數器還綜合了以下功能：頻率比、時(shí)間間隔、周期、上升/下降時(shí)間、相位、占空比、正/負脈沖寬度、總和、峰值電壓以及時(shí)間間隔平均等。頻率計功能延伸的最高境界就是綜合了調制域分析儀的功能。
本文從頻率計數器基本功能出發(fā)，對測量參數分別做出介紹，最后介紹頻率計數器的一些數學(xué)統計功能。

二、頻率計數器測量功能
1、頻率(f)
頻率表示單位時(shí)間波形振動(dòng)的次數，是周期的倒數，如圖1所示。頻率是最基本的測量參數。

圖1 頻率周期圖

根據頻率的不同范圍可把頻率計數器分為兩類(lèi)：通用頻率計數器和微波頻率計數器。前者的測量范圍一般在1GHz以下；而微波頻率計數器提供從DC到數十GHz的高性能頻率測量，可覆蓋整個(gè)射頻、微波頻段。高頻測量是頻率計數器獨特的優(yōu)勢，普通示波器很難達到。頻率測量很簡(jiǎn)單，將信號接入頻率計數器輸入端后再調節功能鍵至頻率測量，屏幕即顯示當前頻率值。單一的頻率測量只需要一個(gè)輸入通道即可。
2、周期(T)
周期為波形振動(dòng)一次所需要的時(shí)間，是頻率的倒數，如圖1所示。大多數頻率計數器都會(huì )提供這項功能。信號周期的測量方法和頻率測量基本相似。
3、頻率比（f1/f2）
頻率比是對兩個(gè)頻率進(jìn)行比較，它可用來(lái)測試倍頻器或前置換算器（分頻器）的性能。在許多儀器系統中，兩個(gè)頻率的比值遠比兩個(gè)獨立的頻率值有意義。例如在比率電容傳感器研發(fā)中，工程師關(guān)心的重點(diǎn)是兩個(gè)信號的頻率比，如圖2所示。

圖2 頻率比值

這時(shí)，用頻率計數器頻率比功能就能很直觀(guān)快捷顯示出兩路輸入信號頻率比。免去了測量?jì)陕沸盘栴l率后再自行計算的不便。這項功能要求頻率計數器至少有兩個(gè)通道。如果是有三路輸入信號時(shí)，可以測量任何兩路信號的頻率比。
4、時(shí)間間隔(ΔT)
時(shí)間間隔測量起始信號與終止信號之間所經(jīng)歷的時(shí)間。如圖3所示，起始信號通常接入到一個(gè)通道A，而終止信號則通常接入到另一個(gè)通道B，這種功能通常稱(chēng)為世界間隔A到B。測量的分辨率一般為100ns或更佳，有時(shí)低到皮秒(10-12)級。
高分辨率時(shí)間間隔測量在時(shí)間頻率傳遞和測量、航空航天、雷達定位、激光測距等領(lǐng)域具有十分重要的作用。這項功能同樣要求頻率計數器至少有兩個(gè)通道。

圖3 相位差、占空比、正負脈寬以及上升/下降時(shí)間

5、相位差（ΔΦ）
相位差又稱(chēng)為相位移，是指兩個(gè)頻率相等的信號相位之差，表示兩信號再時(shí)間上的超前或滯后關(guān)系。如圖3所示，A、B兩個(gè)通道之間的相位差為72度。
6、上升/下降時(shí)間（tr）
上升時(shí)間通常定義為信號從其穩態(tài)最大值的10％到90％所用的時(shí)間，如圖3所示。同樣，下降時(shí)間對應著(zhù)信號從穩態(tài)最大值的90％到10％所用的時(shí)間。上升/下降時(shí)間和脈寬在數字電路測量中特別有用。若上升時(shí)間和下降時(shí)間的觸發(fā)點(diǎn)已知，根據測量出來(lái)的上升/下降時(shí)間便能顯示轉換速率(v/s)計算結果。例，圖3中測量到上升時(shí)間為0.1μs，兩個(gè)觸發(fā)點(diǎn)的電平相差0.8V，轉換速率為8V/μs。
7、脈沖寬度(tw)
脈沖寬度、脈沖幅度以及脈沖形狀是脈沖信號的主要參數。脈沖寬度通常為脈沖幅值為50％時(shí)所對應前后兩個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間差。如圖3所示，脈沖寬度用來(lái)表示脈沖能量作用的持續時(shí)間。頻率計數器一般都能測量正負脈沖寬度。
8、占空比(duty ratio)
占空比是指信號處于高低電平的時(shí)間所占信號總時(shí)間的比率，也可表述為單個(gè)脈寬占周期的比例。圖3中，正脈沖的寬度和周期的比值為42％，也就是占空比為42％。方波信號的占空比為50％。在其他參數相同的情況下，占空比越大，信號所攜帶的能量越高。
9、時(shí)間間隔平均()
時(shí)間間隔平均是一種能給出高分辨率且可用于濾出信號抖動(dòng)的功能，此功能可準確測量?jì)陕沸盘柕臅r(shí)間間隔。這里有兩種測量時(shí)間間隔的方法：普通時(shí)間間隔和正負時(shí)間間隔。普通時(shí)間間隔測量?jì)蓚€(gè)信號的絕對時(shí)間差，即兩個(gè)信號相對應的上升沿時(shí)間差。而正負時(shí)間間隔測量?jì)蓚€(gè)信號之間的相對定時(shí)，在它們之間相互前后飄移的場(chǎng)合進(jìn)行測量。這在調節定時(shí)偏移以保證兩個(gè)信號之間重合一致時(shí)非常有用。
下面簡(jiǎn)要介紹這兩種方法的差別。如圖4所示，A、B為兩路脈沖信號，利用正負時(shí)間間隔時(shí)，終止沿(B)相對起始沿(A)有＋10ns和－10ns的預期結果前后變動(dòng)。利用普通時(shí)間間隔時(shí)，當終止沿(B)向左變動(dòng)時(shí)，便會(huì )呈現+90ns的未預料的結果。這里應該注意，某些計數器可以測量低到大約0~－5ns的普通時(shí)間間隔。

圖4 普通時(shí)間間隔和正負時(shí)間間隔之間的差別

10、累計(count)
累計是對事件的簡(jiǎn)單計數。它在對電子事件或物理事件計數或自動(dòng)測試需要數字化結果的場(chǎng)合十分有用。計數器在對事件數進(jìn)行累加和顯示同時(shí)，門(mén)電路開(kāi)通。某些情況下，這個(gè)功能稱(chēng)為累計計數。
累計有時(shí)會(huì )有些變化。在正常測量情況下，為了將計數讀入計算單元，門(mén)電路一開(kāi)始必須關(guān)閉。這意味著(zhù)在讀入時(shí)可能丟失一些計數。某些計數器具有連續累計功能，能夠在將計數讀入計算單元的同時(shí)仍然進(jìn)行計數。少數頻率計數器還具有向上-向下計數的能力。一個(gè)通道內的事件引起計數增加，但第二個(gè)通道的事件引起計數減少。比如，在比較兩個(gè)需要相互比較的獨立軸桿旋轉時(shí)，應用此功能就會(huì )很方便。
三、頻率計數器的數學(xué)功能
1、標度和偏置
設定標度和偏置并打開(kāi)數學(xué)功能后，顯示數值將按以下公式定義：
顯示結果＝測量結果×標度＋偏置設定
使用這種功能，能夠讓屏幕上顯示對用戶(hù)更有意義的頻率值，在實(shí)際應用中往往比較方便。此功能的數學(xué)處理原理形象表述在圖5中。其中，1為原始采樣數據，2為經(jīng)過(guò)數學(xué)運算后的數據。
2、統計功能
可以用來(lái)統計和顯示當前輸入數據的標準偏差，并能選擇統計次數。標準偏差是描述信號一致性好環(huán)的參數。標準偏差越大，表示信號幅值相差比較大，一致性差；而較小的標準偏差表示信號的幅值都很接近，信號波動(dòng)小。
標準偏差可用以下公式描述：

其中，S為樣本標準偏差。i從1到n，是總和，是樣本均值。
3、極限
可以為輸入信號設置頻率上下限，只捕獲范圍內的數據。從圖5中能看出，3中設定極限后，根據設定的極限對2中的數據進(jìn)行篩選，得到4中的數據。當用戶(hù)需要過(guò)濾掉一定范圍外的信號時(shí)，這個(gè)功能提供了很大的幫助。

圖5 數學(xué)運算和極限處理示意圖

四、頻率計數器應用
頻率計數器功能是根據其應用來(lái)設計的。頻率計數器最常見(jiàn)的應用是確定發(fā)射機和接收機的特性。發(fā)射機的頻率必須進(jìn)行檢驗和校準，才能符合有關(guān)規章制度的要求。頻率計數器能對輸出頻率和一些關(guān)鍵的內部頻率點(diǎn)(如本振)進(jìn)行測量，查明無(wú)線(xiàn)電發(fā)射時(shí)候是否滿(mǎn)足技術(shù)指標。
頻率計數器的另一些應用包括計算機領(lǐng)域，在此領(lǐng)域中的數據通信、微處理器和顯示器中都使用了高性能時(shí)鐘。對性能要求不高的應用領(lǐng)域包括對機電產(chǎn)品進(jìn)行測量。頻率計數器的早期應用之一是作為信號發(fā)生器的一部分。在信號發(fā)生器信號輸出之前，先通過(guò)頻率計數器部件測量該信號，測量到的結果被轉換為模擬信號用于反饋控制信號發(fā)生器的頻率，直到達到所需要的數值，從而能得到穩定的信號輸出。目前，很多信號發(fā)生器中都集成了頻率計數器的簡(jiǎn)單功能。例如OI1842信號發(fā)生器也集成了測量范圍為0.1Hz～50MHz的頻率計功能。
五、總結
隨著(zhù)頻率計數器計數發(fā)展，頻率計數器的功能不斷延伸。頻率計數器即具有了時(shí)域、頻域的功能，更具有了調制域和統計域的儀器測試功能。例如，HM8123可編程多功能計數器就具有最小、最大，平均，標準偏差等統計功能。
在測試技術(shù)日新月異的今天，頻率計數器功能也在不斷完善和豐富來(lái)滿(mǎn)足不同測試領(lǐng)域的需求。面對不同功能不同規格的儀器，工程師需要根據自己的需要來(lái)選擇符合自己的儀器，這樣才能為測試工作帶來(lái)最大的效率。

參考文獻
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【4】北京海洋興業(yè)科技發(fā)展有限公司, 頻率計基礎知識.