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什么是頻率計(jì)數(shù)器?
圖1 電信號(hào)波形的三個(gè)參數(shù)
頻率計(jì)數(shù)器是一種測量電子電路中產(chǎn)生的頻率的數(shù)字設(shè)備。
電信號(hào)可以使用三個(gè)參數(shù)來表示:頻率、幅度和相位。另外,周期可以通過頻率的倒數(shù)來確定,頻率測量是電信號(hào)基本測量中的一個(gè)重要參數(shù)。
通用計(jì)數(shù)器是一種除頻率計(jì)數(shù)外還具有多種功能的計(jì)數(shù)器,例如占空比測量、脈沖上升時(shí)間和時(shí)間間隔。
頻率計(jì)數(shù)器的使用
頻率計(jì)數(shù)器與電流表和電壓表一樣,被用作電信號(hào)測量中的基本測量儀器。盡管有些產(chǎn)品可作為獨(dú)立的頻率計(jì)數(shù)器使用,但許多具有頻率計(jì)數(shù)器功能的產(chǎn)品已被開發(fā)為具有多種功能的設(shè)備的一部分,例如數(shù)字萬用表、示波器和光譜分析儀。
頻率計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)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(shù)十 MHz 的頻率計(jì)數(shù)器套件。原因是直接頻率計(jì)沒有復(fù)雜的運(yùn)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(shè)備的場所特別有用。然而,雖然它具有易于使用的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是不適合需要高頻或大量有效數(shù)字的應(yīng)用。
大多數(shù)套件都是基于 LSI 的,因此您無法了解其所有結(jié)構(gòu),但您可以感受一下。
頻率計(jì)原理
頻率計(jì)數(shù)器由波形整形電路、門電路、晶體振蕩器和計(jì)數(shù)電路組成。
1、波形整形電路
輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成“脈沖串"。
2. 晶振
生成具有固定時(shí)間寬度的脈沖。產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間窗(門時(shí)間)來測量脈沖串,該時(shí)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(jì)算時(shí)間窗口中包含的脈沖數(shù)量來測量原始信號(hào)的頻率。頻率測量的分辨率由晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)間窗口的時(shí)間寬度決定。例如,如果時(shí)間窗口為1秒,則可以以1Hz為單位顯示,如果時(shí)間窗口為0.1秒,則為10Hz,分辨率與時(shí)間的時(shí)間寬度的倒數(shù)成正比窗戶。
在頻率計(jì)數(shù)器中,大多數(shù)誤差發(fā)生在脈沖串生成時(shí)。特別是,如果輸入信號(hào)包含噪聲,脈沖的上升可能會(huì)變得不穩(wěn)定,或者可能會(huì)生成不應(yīng)該存在的額外脈沖。 (見圖2-c)
防止錯(cuò)誤的一種方法是重復(fù)測量并平均噪聲分量。這可以減少生成脈沖串時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。
頻率計(jì)測量方法
頻率計(jì)數(shù)器是一種測量輸入信號(hào)頻率并顯示結(jié)果的設(shè)備。有兩種測量方法:“直接法",由于易于實(shí)現(xiàn)而長期使用;“倒數(shù)法",雖然成本較高,但可以獲得較高的有效位數(shù)。
1. 直接法
零點(diǎn)交叉測量
直接法頻率計(jì)數(shù)器測量輸入信號(hào)頻率在零點(diǎn)交叉的次數(shù)。如果輸入信號(hào)是正弦曲線,則計(jì)算它向下或向上穿過零點(diǎn)的次數(shù)。直接頻率計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)是它可以僅使用硬件輕松實(shí)現(xiàn)。因此,這種方法長期以來一直被使用,并將每秒過零點(diǎn)的次數(shù)顯示為頻率的測量值。
直接法頻率計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)是在內(nèi)部創(chuàng)建精確的參考時(shí)鐘,并通過打開該時(shí)間量的時(shí)間窗口來測量時(shí)鐘穿過零點(diǎn)的次數(shù)。
測量有效位數(shù)
直接法頻率計(jì)數(shù)器的有效位數(shù)由時(shí)間窗的時(shí)間寬度和輸入頻率決定,例如輸入頻率為1GHz,時(shí)間窗為1秒,測量值為1x10^9,有效位數(shù)為1。即10位。當(dāng)輸入頻率為1kHz時(shí),有效位數(shù)為4位,分辨率均為1Hz。
這里,增加時(shí)間窗寬度會(huì)提高分辨率,例如,如果時(shí)間窗寬度設(shè)置為100秒,則1kHz時(shí)有效位數(shù)為6位,分辨率為0.01Hz。但一次測量至少需要100秒是不現(xiàn)實(shí)的,工作效率顯著降低。另外,需要了解的是,測量值總會(huì)存在±1的量子誤差。
如果只想測量高頻信號(hào),使用直接法頻率計(jì)數(shù)器沒有任何問題,但為了提高直接法的精度,需要增加時(shí)間窗寬度。然而,使用直接法時(shí),增加時(shí)間窗寬度也會(huì)增加一次測量所需的時(shí)間,其缺點(diǎn)是效率極低。在這些情況下,可以選擇倒數(shù)頻率計(jì)數(shù)器。
2.倒數(shù)法
倒數(shù)頻率計(jì)數(shù)器使用內(nèi)部參考時(shí)鐘對(duì)輸入波形或分頻波形進(jìn)行計(jì)數(shù)。特別是在測量低頻時(shí),它具有能夠獲得大量有效數(shù)字的優(yōu)點(diǎn)。倒數(shù)頻率計(jì)數(shù)器的有效位數(shù)由內(nèi)部參考時(shí)鐘和門控時(shí)間決定,具有不受輸入頻率影響的特點(diǎn)。
例如,如果內(nèi)部參考時(shí)鐘為 10 MHz,選通時(shí)間為 1 秒,則有效位數(shù)為 7;如果內(nèi)部參考時(shí)鐘為 10 秒,選通時(shí)間為 10 秒,則有效位數(shù)為 7。將會(huì)是8。雖然倒數(shù)法可以在低頻范圍內(nèi)的測量中獲得大量的有效位數(shù),但由于計(jì)數(shù)器本身的操作復(fù)雜,因此具有價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。