頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量功能介紹

頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量功能介紹

本文主要介紹頻率計(jì)數(shù)器基本測(cè)量功能。先給出頻率計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)介，隨后分別介紹常見(jiàn)測(cè)量功能，最后討論頻率計(jì)數(shù)器應(yīng)用。
關(guān)鍵字：頻率測(cè)量，頻率計(jì)數(shù)器

一、頻率計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)介
電子工程師經(jīng)常需要測(cè)量頻率、時(shí)間間隔、相位和對(duì)事件計(jì)數(shù)，精確的測(cè)量離不開(kāi)頻率計(jì)數(shù)器或它的同類產(chǎn)品，如電子計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器是為了對(duì)諸如原子現(xiàn)象之類的事情進(jìn)行計(jì)數(shù)而設(shè)計(jì)出來(lái)的。在發(fā)明計(jì)數(shù)器之前，頻率的測(cè)量都是用頻率計(jì)(一種精度很低的協(xié)調(diào)裝置)完成。頻率計(jì)數(shù)器是以數(shù)字方式對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量的首批儀器之一。
衡量頻率計(jì)數(shù)器主要指標(biāo)是測(cè)量范圍、測(cè)量功能、精度和穩(wěn)定性，這些也是決定價(jià)格高低的主要依據(jù)。隨著電子測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，頻率計(jì)數(shù)器日趨成熟。目前，頻率計(jì)數(shù)器已經(jīng)能輕松測(cè)量射頻、微波頻段信號(hào)。除頻率測(cè)量外，大多數(shù)頻率計(jì)數(shù)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(fù)脈沖寬度、總和、峰值電壓以及時(shí)間間隔平均等。頻率計(jì)功能延伸的最高境界就是綜合了調(diào)制域分析儀的功能。
本文從頻率計(jì)數(shù)器基本功能出發(fā)，對(duì)測(cè)量參數(shù)分別做出介紹，最后介紹頻率計(jì)數(shù)器的一些數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)功能。

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

圖1 頻率周期圖

根據(jù)頻率的不同范圍可把頻率計(jì)數(shù)器分為兩類：通用頻率計(jì)數(shù)器和微波頻率計(jì)數(shù)器。前者的測(cè)量范圍一般在1GHz以下；而微波頻率計(jì)數(shù)器提供從DC到數(shù)十GHz的高性能頻率測(cè)量，可覆蓋整個(gè)射頻、微波頻段。高頻測(cè)量是頻率計(jì)數(shù)器獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，普通示波器很難達(dá)到。頻率測(cè)量很簡(jiǎn)單，將信號(hào)接入頻率計(jì)數(shù)器輸入端后再調(diào)節(jié)功能鍵至頻率測(cè)量，屏幕即顯示當(dāng)前頻率值。單一的頻率測(cè)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(shù)，如圖1所示。大多數(shù)頻率計(jì)數(shù)器都會(huì)提供這項(xiàng)功能。信號(hào)周期的測(cè)量方法和頻率測(cè)量基本相似。
3、頻率比（f1/f2）
頻率比是對(duì)兩個(gè)頻率進(jìn)行比較，它可用來(lái)測(cè)試倍頻器或前置換算器（分頻器）的性能。在許多儀器系統(tǒng)中，兩個(gè)頻率的比值遠(yuǎn)比兩個(gè)獨(dú)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(hào)的頻率比，如圖2所示。

圖2 頻率比值

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

圖3 相位差、占空比、正負(fù)脈寬以及上升/下降時(shí)間

5、相位差（ΔΦ）
相位差又稱為相位移，是指兩個(gè)頻率相等的信號(hào)相位之差，表示兩信號(hào)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(hào)從其穩(wěn)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(duì)應(yīng)著信號(hào)從穩(wěn)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(shù)字電路測(cè)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(jù)測(cè)量出來(lái)的上升/下降時(shí)間便能顯示轉(zhuǎn)換速率(v/s)計(jì)算結(jié)果。例，圖3中測(cè)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(zhuǎn)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(hào)的主要參數(shù)。脈沖寬度通常為脈沖幅值為50％時(shí)所對(duì)應(yīng)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(xù)時(shí)間。頻率計(jì)數(shù)器一般都能測(cè)量正負(fù)脈沖寬度。
8、占空比(duty ratio)
占空比是指信號(hào)處于高低電平的時(shí)間所占信號(hào)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(hào)的占空比為50％。在其他參數(shù)相同的情況下，占空比越大，信號(hào)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(hào)抖動(dòng)的功能，此功能可準(zhǔn)確測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的時(shí)間間隔。這里有兩種測(cè)量時(shí)間間隔的方法：普通時(shí)間間隔和正負(fù)時(shí)間間隔。普通時(shí)間間隔測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的絕對(duì)時(shí)間差，即兩個(gè)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的上升沿時(shí)間差。而正負(fù)時(shí)間間隔測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相對(duì)定時(shí)，在它們之間相互前后飄移的場(chǎng)合進(jìn)行測(cè)量。這在調(diào)節(jié)定時(shí)偏移以保證兩個(gè)信號(hào)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(hào)，利用正負(fù)時(shí)間間隔時(shí)，終止沿(B)相對(duì)起始沿(A)有＋10ns和－10ns的預(yù)期結(jié)果前后變動(dòng)。利用普通時(shí)間間隔時(shí)，當(dāng)終止沿(B)向左變動(dòng)時(shí)，便會(huì)呈現(xiàn)+90ns的未預(yù)料的結(jié)果。這里應(yīng)該注意，某些計(jì)數(shù)器可以測(cè)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(fù)時(shí)間間隔之間的差別

10、累計(jì)(count)
累計(jì)是對(duì)事件的簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)。它在對(duì)電子事件或物理事件計(jì)數(shù)或自動(dòng)測(cè)試需要數(shù)字化結(jié)果的場(chǎng)合十分有用。計(jì)數(shù)器在對(duì)事件數(shù)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)功能稱為累計(jì)計(jì)數(shù)。
累計(jì)有時(shí)會(huì)有些變化。在正常測(cè)量情況下，為了將計(jì)數(shù)讀入計(jì)算單元，門(mén)電路一開(kāi)始必須關(guān)閉。這意味著在讀入時(shí)可能丟失一些計(jì)數(shù)。某些計(jì)數(shù)器具有連續(xù)累計(jì)功能，能夠在將計(jì)數(shù)讀入計(jì)算單元的同時(shí)仍然進(jìn)行計(jì)數(shù)。少數(shù)頻率計(jì)數(shù)器還具有向上-向下計(jì)數(shù)的能力。一個(gè)通道內(nèi)的事件引起計(jì)數(shù)增加，但第二個(gè)通道的事件引起計(jì)數(shù)減少。比如，在比較兩個(gè)需要相互比較的獨(dú)立軸桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)用此功能就會(huì)很方便。
三、頻率計(jì)數(shù)器的數(shù)學(xué)功能
1、標(biāo)度和偏置
設(shè)定標(biāo)度和偏置并打開(kāi)數(shù)學(xué)功能后，顯示數(shù)值將按以下公式定義：
顯示結(jié)果＝測(cè)量結(jié)果×標(biāo)度＋偏置設(shè)定
使用這種功能，能夠讓屏幕上顯示對(duì)用戶更有意義的頻率值，在實(shí)際應(yīng)用中往往比較方便。此功能的數(shù)學(xué)處理原理形象表述在圖5中。其中，1為原始采樣數(shù)據(jù)，2為經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算后的數(shù)據(jù)。
2、統(tǒng)計(jì)功能
可以用來(lái)統(tǒng)計(jì)和顯示當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并能選擇統(tǒng)計(jì)次數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)偏差是描述信號(hào)一致性好環(huán)的參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，表示信號(hào)幅值相差比較大，一致性差；而較小的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示信號(hào)的幅值都很接近，信號(hào)波動(dòng)小。
標(biāo)準(zhǔn)偏差可用以下公式描述：

其中，S為樣本標(biāo)準(zhǔn)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(hào)設(shè)置頻率上下限，只捕獲范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。從圖5中能看出，3中設(shè)定極限后，根據(jù)設(shè)定的極限對(duì)2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到4中的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶需要過(guò)濾掉一定范圍外的信號(hào)時(shí)，這個(gè)功能提供了很大的幫助。

圖5 數(shù)學(xué)運(yùn)算和極限處理示意圖

四、頻率計(jì)數(shù)器應(yīng)用
頻率計(jì)數(shù)器功能是根據(jù)其應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)的。頻率計(jì)數(shù)器最常見(jiàn)的應(yīng)用是確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的特性。發(fā)射機(jī)的頻率必須進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，才能符合有關(guān)規(guī)章制度的要求。頻率計(jì)數(shù)器能對(duì)輸出頻率和一些關(guān)鍵的內(nèi)部頻率點(diǎn)(如本振)進(jìn)行測(cè)量，查明無(wú)線電發(fā)射時(shí)候是否滿足技術(shù)指標(biāo)。
頻率計(jì)數(shù)器的另一些應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，在此領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)通信、微處理器和顯示器中都使用了高性能時(shí)鐘。對(duì)性能要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域包括對(duì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量。頻率計(jì)數(shù)器的早期應(yīng)用之一是作為信號(hào)發(fā)生器的一部分。在信號(hào)發(fā)生器信號(hào)輸出之前，先通過(guò)頻率計(jì)數(shù)器部件測(cè)量該信號(hào)，測(cè)量到的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)用于反饋控制信號(hào)發(fā)生器的頻率，直到達(dá)到所需要的數(shù)值，從而能得到穩(wěn)定的信號(hào)輸出。目前，很多信號(hào)發(fā)生器中都集成了頻率計(jì)數(shù)器的簡(jiǎn)單功能。例如OI1842信號(hào)發(fā)生器也集成了測(cè)量范圍為0.1Hz～50MHz的頻率計(jì)功能。
五、總結(jié)
隨著頻率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)發(fā)展，頻率計(jì)數(shù)器的功能不斷延伸。頻率計(jì)數(shù)器即具有了時(shí)域、頻域的功能，更具有了調(diào)制域和統(tǒng)計(jì)域的儀器測(cè)試功能。例如，HM8123可編程多功能計(jì)數(shù)器就具有最小、最大，平均，標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)功能。
在測(cè)試技術(shù)日新月異的今天，頻率計(jì)數(shù)器功能也在不斷完善和豐富來(lái)滿足不同測(cè)試領(lǐng)域的需求。面對(duì)不同功能不同規(guī)格的儀器，工程師需要根據(jù)自己的需要來(lái)選擇符合自己的儀器，這樣才能為測(cè)試工作帶來(lái)最大的效率。

參考文獻(xiàn)
【1】(美)庫(kù)姆斯著, 張倫等譯. 電子儀器手冊(cè)(第三版).科學(xué)出版社.2006.5.
【2】Agilent, 53131A 通用計(jì)數(shù)器操作指南.
【3】Hameg, Products 2007.
【4】北京海洋興業(yè)科技發(fā)展有限公司, 頻率計(jì)基礎(chǔ)知識(shí).