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什么是頻率計數器?
圖1 電信號波形的三個參數
頻率計數器是一種測量電子電路中產生的頻率的數字設備。
電信號可以使用三個參數來表示:頻率、幅度和相位。另外,周期可以通過頻率的倒數來確定,頻率測量是電信號基本測量中的一個重要參數。
通用計數器是一種除頻率計數外還具有多種功能的計數器,例如占空比測量、脈沖上升時間和時間間隔。
頻率計數器的使用
頻率計數器與電流表和電壓表一樣,被用作電信號測量中的基本測量儀器。盡管有些產品可作為獨立的頻率計數器使用,但許多具有頻率計數器功能的產品已被開發(fā)為具有多種功能的設備的一部分,例如數字萬用表、示波器和光譜分析儀。
頻率計數器的特點是其原理極其簡單。由于可以自己制作,因此還提供套件。許多公司都出售頻率為數十 MHz 的頻率計數器套件。原因是直接頻率計沒有復雜的運算。
此外,一些多功能測試儀配備了可以測量頻率的范圍,并且由于這些類型易于操作,因此它們在我無法攜帶大型測量設備的場所特別有用。然而,雖然它具有易于使用的優(yōu)點,但缺點是不適合需要高頻或大量有效數字的應用。
大多數套件都是基于 LSI 的,因此您無法了解其所有結構,但您可以感受一下。
頻率計原理
頻率計數器由波形整形電路、門電路、晶體振蕩器和計數電路組成。
1、波形整形電路
輸入信號被轉換成“脈沖串"。
2. 晶振
生成具有固定時間寬度的脈沖。產生一個時間窗(門時間)來測量脈沖串,該時間窗作為測量頻率的窗口。 (見圖2-a、圖2-b)
3. 測量電路
我們通過計算時間窗口中包含的脈沖數量來測量原始信號的頻率。頻率測量的分辨率由晶體振蕩器產生的時間窗口的時間寬度決定。例如,如果時間窗口為1秒,則可以以1Hz為單位顯示,如果時間窗口為0.1秒,則為10Hz,分辨率與時間的時間寬度的倒數成正比窗戶。
在頻率計數器中,大多數誤差發(fā)生在脈沖串生成時。特別是,如果輸入信號包含噪聲,脈沖的上升可能會變得不穩(wěn)定,或者可能會生成不應該存在的額外脈沖。 (見圖2-c)
防止錯誤的一種方法是重復測量并平均噪聲分量。這可以減少生成脈沖串時發(fā)生的錯誤。
頻率計測量方法
頻率計數器是一種測量輸入信號頻率并顯示結果的設備。有兩種測量方法:“直接法",由于易于實現而長期使用;“倒數法",雖然成本較高,但可以獲得較高的有效位數。
1. 直接法
零點交叉測量
直接法頻率計數器測量輸入信號頻率在零點交叉的次數。如果輸入信號是正弦曲線,則計算它向下或向上穿過零點的次數。直接頻率計數器的優(yōu)點是它可以僅使用硬件輕松實現。因此,這種方法長期以來一直被使用,并將每秒過零點的次數顯示為頻率的測量值。
直接法頻率計數器的特點是在內部創(chuàng)建精確的參考時鐘,并通過打開該時間量的時間窗口來測量時鐘穿過零點的次數。
測量有效位數
直接法頻率計數器的有效位數由時間窗的時間寬度和輸入頻率決定,例如輸入頻率為1GHz,時間窗為1秒,測量值為1x10^9,有效位數為1。即10位。當輸入頻率為1kHz時,有效位數為4位,分辨率均為1Hz。
這里,增加時間窗寬度會提高分辨率,例如,如果時間窗寬度設置為100秒,則1kHz時有效位數為6位,分辨率為0.01Hz。但一次測量至少需要100秒是不現實的,工作效率顯著降低。另外,需要了解的是,測量值總會存在±1的量子誤差。
如果只想測量高頻信號,使用直接法頻率計數器沒有任何問題,但為了提高直接法的精度,需要增加時間窗寬度。然而,使用直接法時,增加時間窗寬度也會增加一次測量所需的時間,其缺點是效率極低。在這些情況下,可以選擇倒數頻率計數器。
2.倒數法
倒數頻率計數器使用內部參考時鐘對輸入波形或分頻波形進行計數。特別是在測量低頻時,它具有能夠獲得大量有效數字的優(yōu)點。倒數頻率計數器的有效位數由內部參考時鐘和門控時間決定,具有不受輸入頻率影響的特點。
例如,如果內部參考時鐘為 10 MHz,選通時間為 1 秒,則有效位數為 7;如果內部參考時鐘為 10 秒,選通時間為 10 秒,則有效位數為 7。將會是8。雖然倒數法可以在低頻范圍內的測量中獲得大量的有效位數,但由于計數器本身的操作復雜,因此具有價格昂貴的缺點。