示波器的頻率計(jì)功能——高精度測(cè)量結(jié)果

    　無(wú)論是傳統(tǒng)的模擬示波器還是現(xiàn)代的數(shù)字示波器，測(cè)量信號(hào)頻率的功能從產(chǎn)品誕生之初就已經(jīng)具備。在早期的模擬示波器中，頻率測(cè)量過(guò)程需要工程師手動(dòng)調(diào)整水平時(shí)基、觸發(fā)等功能，使屏幕顯示1至2個(gè)周期的穩(wěn)定波形，然后通過(guò)觀察信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)占用的水平網(wǎng)格數(shù)量，再參考水平時(shí)基估計(jì)信號(hào)的周期，最后計(jì)算出頻率。

　　近些年隨著數(shù)字示波器在測(cè)量技術(shù)在精度、速度以及使用便捷性等諸多方面突飛猛進(jìn)的發(fā)展，示波器能夠自動(dòng)且快速地完成信號(hào)頻率測(cè)量，并呈現(xiàn)到屏幕上，方便工程師進(jìn)行讀取。但是在使用示波器進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)，常遇到這樣的問(wèn)題：

　　1、頻率的測(cè)量結(jié)果是對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算一個(gè)周期的時(shí)間得到的。由于不同的水平時(shí)基對(duì)應(yīng)不同的采樣率，導(dǎo)致采樣點(diǎn)間隔時(shí)間不同，因此會(huì)影響測(cè)量精度。

　　2、工程師在實(shí)際測(cè)量一個(gè)很穩(wěn)定的信號(hào)頻率時(shí)，測(cè)量結(jié)果的后幾位小數(shù)點(diǎn)會(huì)有隨機(jī)性的變化，這也是測(cè)量精度不高的表現(xiàn)。

　　那有沒(méi)有一種方法能夠使測(cè)量結(jié)果的精度很高又能夠不受示波器采樣率變化的影響呢? 今天安泰測(cè)試要給大家介紹的示波器中集成的頻率計(jì)功能。

　　頻率計(jì)

　　頻率計(jì)是一種用作測(cè)量信號(hào)周期、頻率特征的功能單元或獨(dú)立儀器，相對(duì)于示波器的通用測(cè)量功能，它具有測(cè)量精度高、測(cè)量精度不隨水平時(shí)基擋位變化的優(yōu)點(diǎn)，在高精度頻率測(cè)量的場(chǎng)景應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。

　　RIGOL旗下的多個(gè)系列示波器都集成了頻率計(jì)功能，但測(cè)量精度都停留在6位有效位數(shù)。為了滿(mǎn)足客戶(hù)更嚴(yán)苛的測(cè)量場(chǎng)景，RIGOL最新推的DS70000 示波器將頻率測(cè)量精度提升到了8位有效位數(shù)，確保在滿(mǎn)足帶寬內(nèi)的所有周期性信號(hào)的頻率都能被準(zhǔn)確測(cè)量。

　　頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)原理

　　示波器的工作過(guò)程可分為信號(hào)輸入、垂直系統(tǒng)(信號(hào)幅度調(diào)理)、采樣(模擬信號(hào)數(shù)字化)、頻率計(jì)算和結(jié)果顯示等幾部分，如下圖所示。

　　其中信號(hào)輸入、垂直系統(tǒng)、采樣屬于通用數(shù)字示波器的必備功能，頻率計(jì)算是通過(guò)直接對(duì)ADC采樣得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到信號(hào)頻率。依托具有高速ADC采樣功能的示波器，頻率計(jì)可以很輕松的獲得具有高時(shí)間分辨率(最高可達(dá)到ADC的采樣間隔時(shí)間)的采樣點(diǎn)，從而得到高精度的測(cè)量結(jié)果。

　　頻率計(jì)算過(guò)程分為以下兩個(gè)步驟：

　　1、邊沿判斷

　　示波器對(duì)周期性模擬信號(hào)進(jìn)行采樣量化后的數(shù)據(jù)與一個(gè)用戶(hù)設(shè)置的“比較電平”進(jìn)行比較，從低到高跨過(guò)此電平的跳變?yōu)椤吧仙亍保瑥母叩降涂邕^(guò)此電平的跳變?yōu)椤跋陆笛亍薄蓚€(gè)上升沿(或兩個(gè)下降沿)之間的時(shí)間間隔為當(dāng)前被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。

　　正確識(shí)別信號(hào)中的邊沿是頻率計(jì)能夠得到正確結(jié)果的前提和關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，真實(shí)的信號(hào)往往自帶一些噪聲，如果不對(duì)這些噪聲進(jìn)行處理，就會(huì)造成邊沿的錯(cuò)誤判斷，影響最終的測(cè)量結(jié)果。如下圖所示，圓圈標(biāo)記的位置因?yàn)橐粋€(gè)毛刺的存在導(dǎo)致了在該位置出現(xiàn)了兩個(gè)上升沿。

　　解決上述問(wèn)題的方法，就是在原有比較器的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)比較電平，只有同時(shí)跨過(guò)兩個(gè)比較電平的跳變才被判決為“有效沿”。兩個(gè)比較電平之間的區(qū)域?yàn)椤斑t滯區(qū)間”，區(qū)間越大對(duì)噪聲的抑制能力越強(qiáng)，反之則越小，這也是大家在觸發(fā)系統(tǒng)中經(jīng)常聽(tīng)到的觸發(fā)靈敏度的概念。RIGOL所有系列的數(shù)字示波器都支持噪聲抑制功能，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況決定是否使用。

　　2、統(tǒng)計(jì)/計(jì)算

　　測(cè)頻法

　　一段時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)有效信號(hào)周期個(gè)數(shù)為，這段時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)上升沿(或下降沿)的個(gè)數(shù)減1。用這段時(shí)間除以周期個(gè)數(shù)可以得到信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間，從而得到信號(hào)頻率。這“一段時(shí)間”我們稱(chēng)之為“閘門(mén)時(shí)間”。通常情況下，閘門(mén)時(shí)間內(nèi)并不能包含整數(shù)個(gè)信號(hào)周期，簡(jiǎn)單進(jìn)行除法計(jì)算會(huì)存在較大的誤差。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，還需要將閘門(mén)時(shí)間內(nèi)的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間去掉，僅用整數(shù)倍信號(hào)周期的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

　　如下圖所示，設(shè)閘門(mén)時(shí)間為T(mén)g(9個(gè)參考時(shí)鐘)，閘門(mén)時(shí)間內(nèi)上升沿的個(gè)數(shù)為N(3個(gè))，閘門(mén)使能時(shí)刻到第一個(gè)被測(cè)信號(hào)的上升沿時(shí)間為T(mén)s(1個(gè)參考時(shí)鐘)，閘門(mén)結(jié)束時(shí)刻距離最后一個(gè)被測(cè)信號(hào)的上升沿時(shí)間為T(mén)e(1個(gè)參考時(shí)鐘)。

　　信號(hào)周期Tc的計(jì)算公式為：Tc= (Tg – Ts – Te)/(N-1)

　　頻率F的計(jì)算公式為：F = 1/Tc

　　測(cè)周法

　　直接測(cè)量被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期的時(shí)間，叫做測(cè)周法。測(cè)周法沒(méi)有閘門(mén)時(shí)間的概念，系統(tǒng)僅需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)上升沿之間的時(shí)間直接得到信號(hào)的周期，再通過(guò)取倒數(shù)得到信號(hào)的頻率。如下圖所示，可直接得到被測(cè)信號(hào)的周期Tc。

　　頻率F的計(jì)算公式為:Fs =1/Tc

　　無(wú)論是測(cè)頻法還是測(cè)周法都需要有一個(gè)參考時(shí)鐘，它保證了測(cè)量結(jié)果的精度。測(cè)量不同頻率的信號(hào)、選擇不同擋位的時(shí)基，都不會(huì)影響和改變頻率計(jì)的測(cè)量精度，這就是等精度頻率計(jì)。

　　通常高頻信號(hào)適合采用測(cè)頻法，低頻信號(hào)適合采用測(cè)周法。在實(shí)際應(yīng)用中用戶(hù)不需要關(guān)心到底應(yīng)該采用哪種測(cè)量方法，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率特性自動(dòng)選擇合適的測(cè)量方法。

　　以上就是安泰測(cè)試為大家?guī)?lái)的示波器的頻率計(jì)功能大家學(xué)會(huì)了嗎?如您使用中還有其他問(wèn)題，歡迎登錄安泰測(cè)試nfrol.com