無論是傳統(tǒng)的模擬示波器還是現(xiàn)代的數(shù)字示波器，測量信號頻率的功能從產(chǎn)品誕生之日起就具備了。早期的模擬示波器，測頻過程需要工程師手動調(diào)節(jié)水平時(shí)基、觸發(fā)等功能使得屏幕上呈現(xiàn)出1~2個周期的穩(wěn)定波形后，通過觀察該信號一個周期內(nèi)占據(jù)的水平格數(shù)，再參考水平時(shí)基估算出信號周期，最終得到頻率。

近些年隨著數(shù)字示波器在測量技術(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，示波器能夠自動且快速地完成信號頻率測量，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)行頻率測量時(shí)，常遇到這樣的問題：

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

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

那有沒有一種方法能夠使測量結(jié)果的精度很高，又能夠不受示波器采樣率變化的影響呢？

有！今天來給大家介紹示波器的頻率計(jì)功能。

頻率計(jì)

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

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

頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)原理

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

其中信號輸入、垂直系統(tǒng)、采樣屬于通用數(shù)字示波器的功能，頻率計(jì)算是通過直接對ADC采樣得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到信號頻率。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量結(jié)果。

頻率計(jì)算過程分為以下兩個步驟：

1、邊沿判斷

示波器對周期性模擬信號進(jìn)行采樣量化后的數(shù)據(jù)與一個用戶設(shè)置的“比較電平"進(jìn)行比較，從低到高跨過此電平的跳變?yōu)椤吧仙?，從高到低跨過此電平的跳變?yōu)椤跋陆笛?。兩個上升沿（或兩個下降沿）之間的時(shí)間間隔為當(dāng)前被測信號的一個周期。

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

解決上述問題的方法，就是在原有比較器的基礎(chǔ)上再增加一個比較電平，只有同時(shí)跨過兩個比較電平的跳變才被判定為“有效沿"。兩個比較電平之間的區(qū)域?yàn)椤斑t滯區(qū)間"，區(qū)間越大對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，用戶可根據(jù)實(shí)際情況決定是否使用。

2、統(tǒng)計(jì)/計(jì)算

測頻法

一段時(shí)間內(nèi)，被測信號有效信號周期個數(shù)為，這段時(shí)間內(nèi)被測信號上升沿（或下降沿）的個數(shù)減1。用這段時(shí)間除以周期個數(shù)可以得到信號一個周期的時(shí)間，從而得到信號頻率。這“一段時(shí)間"我們稱之為“閘門時(shí)間"。通常情況下，閘門時(shí)間內(nèi)并不能包含整數(shù)個信號周期，簡單進(jìn)行除法計(jì)算會存在較大的誤差。在實(shí)際計(jì)算過程中，還需要將閘門時(shí)間內(nèi)的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間去掉，僅用整數(shù)倍信號周期的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

如下圖所示，設(shè)閘門時(shí)間為Tg（9個參考時(shí)鐘），閘門時(shí)間內(nèi)上升沿的個數(shù)為N（3個），閘門使能時(shí)刻到第一個被測信號的上升沿時(shí)間為Ts（1個參考時(shí)鐘），閘門結(jié)束時(shí)刻距離最后一個被測信號的上升沿時(shí)間為Te（1個參考時(shí)鐘）。

信號周期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

測周法

直接測量被測信號的一個周期的時(shí)間，叫做測周法。測周法沒有閘門時(shí)間的概念，系統(tǒng)僅需要測量兩個上升沿之間的時(shí)間直接得到信號的周期，再通過取倒數(shù)得到信號的頻率。如下圖所示，可直接得到被測信號的周期Tc。

頻率F的計(jì)算公式為:Fs =1/Tc

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

通常高頻信號適合采用測頻法，低頻信號適合采用測周法。在實(shí)際應(yīng)用中用戶不需要關(guān)心到底應(yīng)該采用哪種測量方法，系統(tǒng)會根據(jù)被測信號的頻率特性自動選擇合適的測量方法。

頻率計(jì)的性能指標(biāo)

有效位數(shù)

有效位數(shù)是指從測量結(jié)果的左起第一個非0后的所有位數(shù)。

DS70000系列示波器超高的20GSa/s采樣速率實(shí)現(xiàn)了采樣點(diǎn)間隔時(shí)間分辨率小至50Ps，其內(nèi)部集成的頻率計(jì)依托更小的ΔT誤差和更精確的測量算法，使得測量結(jié)果達(dá)到了8位有效位數(shù)的精度。在實(shí)際應(yīng)用中用戶可以根據(jù)實(shí)際情況在3bits~8bits有效位數(shù)范圍內(nèi)自由設(shè)置。

測量時(shí)間

測量時(shí)間是指能夠重新獲取一次有效測量結(jié)果所需要的時(shí)間。

對于測頻法，測量時(shí)間等效于閘門時(shí)間。DS70000系列示波器能夠在1s內(nèi)的測量時(shí)間提供最大8位有效位數(shù)的結(jié)果，兼顧了測量速度和測量精度。

對于測周法，測量時(shí)間取決于被測信號的周期，被測信號的周期越大測量時(shí)間越長，比如測量一個0.1Hz信號，測量時(shí)間為10s。

測量誤差

測量誤差主要來自數(shù)字量化誤差、邊沿誤判導(dǎo)致的誤差、參考時(shí)鐘精度導(dǎo)致的誤差等。

頻率計(jì)的統(tǒng)計(jì)功能

DS70000系列示波器的頻率計(jì)還集成了統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)結(jié)果包括自測量功能開啟后測量結(jié)果中的最大值、最小值和平均值。用戶通過觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以清晰地知道在測量的這段時(shí)間內(nèi)測量結(jié)果是否存在過大、過小等異常問題。

頻率計(jì)的統(tǒng)計(jì)功能

如何使用頻率計(jì)

正確使用頻率計(jì)功能能夠讓您快速、準(zhǔn)確地獲取結(jié)果，下面以DS70000為例，介紹一下該如何使用示波器的頻率計(jì)功能。

總結(jié)

RIGOL 自主研發(fā)的DS70000 系列數(shù)字示波器，依賴于RIGOL工程師潛心十年打造的UltraVisonIII 硬件平臺，搭載著自主研制的“鳳凰座"芯片組，實(shí)現(xiàn)了20GSa/s超高采樣率；依托該平臺輕松實(shí)現(xiàn)了高達(dá)8位有效位數(shù)的高精度頻率計(jì)。DS70000系列數(shù)字示波器多種人性化的設(shè)計(jì)，相信一定會為您帶來超高品質(zhì)的體驗(yàn)。

DS70000系列數(shù)字示波器

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