頻率計數(shù)器簡介

最早的電子計數(shù)器是為了對諸如原子現(xiàn)象之類的事情進行計數(shù)而設計出來的。在發(fā)明計數(shù)器之前，頻率的測量都是用頻率計(一種精度很低的協(xié)調裝置)完成。頻率計數(shù)器是以數(shù)字方式對信號參數(shù)進行精密測量的首批儀器之一。

衡量頻率計數(shù)器主要指標是測量范圍、測量功能、精度和穩(wěn)定性，這些也是決定價格高低的主要依據(jù)。隨著電子測試技術的發(fā)展，頻率計數(shù)器日趨成熟。頻率計數(shù)器能方便的測量射頻、微波頻段信號。除頻率測量外，大多數(shù)頻率計數(shù)器還綜合了以下功能:頻率比、時間間隔、周期、上升/下降時間、相位、占空比、正/負脈沖寬度、總和、峰值電壓以及時間間隔平均等。頻率計功能延伸的最高境界就是綜合了調制域分析儀的功能。

本文從頻率計數(shù)器基本功能出發(fā)，對測量參數(shù)分別做出介紹，最后介紹頻率計數(shù)器的一些數(shù)學統(tǒng)計功能。

頻率(f)

頻率表示單位時間波形振動的次數(shù)，是周期的倒數(shù)，如圖1所示。頻率是最基本的測量參數(shù)。

圖1 頻率周期圖

根據(jù)頻率的不同范圍可把頻率計數(shù)器分為兩類:通用頻率計數(shù)器和微波頻率計數(shù)器。前者的測量范圍一般在1GHz以下;而微波頻率計數(shù)器提供從DC到數(shù)十GHz的高性能頻率測量，可覆蓋整個射頻、微波頻段。高頻測量是頻率計數(shù)器獨特的優(yōu)勢，普通示波器很難達到。頻率測量很簡單，將信號接入頻率計數(shù)器輸入端后再調節(jié)功能鍵至頻率測量，屏幕即顯示當前頻率值。單一的頻率測量只需要一個輸入通道即可。

周期(T)

周期為波形振動一次所需要的時間，是頻率的倒數(shù)，如圖1所示。大多數(shù)頻率計數(shù)器都會提供這項功能。信號周期的測量方法和頻率測量基本相似。

頻率比(f1/f2)

頻率比是對兩個頻率進行比較，它可用來測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，兩個頻率的比值遠比兩個獨立的頻率值有意義。例如在比率電容傳感器研發(fā)中，工程師關心的重點是兩個信號的頻率比，如圖2所示。

圖2 頻率比值

這時，用頻率計數(shù)器頻率比功能就能很直觀快捷顯示出兩路輸入信號頻率比。免去了測量兩路信號頻率后再自行計算的不便。這項功能要求頻率計數(shù)器至少有兩個通道。如果是有三路輸入信號時，可以測量任何兩路信號的頻率比。

時間間隔(ΔT)

時間間隔測量起始信號與終止信號之間所經歷的時間。如圖3所示，起始信號通常接入到一個通道A，而終止信號則通常接入到另一個通道B，這種功能通常稱為世界間隔A到B。測量的分辨率一般為100ns或更佳，有時低到皮秒(10-12)級。 高分辨率時間間隔測量在時間頻率傳遞和測量、航空航天、雷達定位、激光測距等領域具有十分重要的作用。這項功能同樣要求頻率計數(shù)器至少有兩個通道。

圖3 相位差、占空比、正負脈寬以及上升/下降時間

相位差(ΔΦ)

相位差又稱為相位移，是指兩個頻率相等的信號相位之差，表示兩信號再時間上的超前或滯后關系。如圖3所示，A、B兩個通道之間的相位差為72度。

上升/下降時間(tr)

上升時間通常定義為信號從其穩(wěn)態(tài)最大值的10%到90%所用的時間，如圖3所示。同樣，下降時間對應著信號從穩(wěn)態(tài)最大值的90%到10%所用的時間。上升/下降時間和脈寬在數(shù)字電路測量中特別有用。若上升時間和下降時間的觸發(fā)點已知，根據(jù)測量出來的上升/下降時間便能顯示轉換速率(v/s)計算結果。例，圖3中測量到上升時間為0.1μs，兩個觸發(fā)點的電平相差0.8V，轉換速率為8V/μs。

脈沖寬度(tw)

脈沖寬度、脈沖幅度以及脈沖形狀是脈沖信號的主要參數(shù)。脈沖寬度通常為脈沖幅值為50%時所對應前后兩個點之間的時間差。如圖3所示，脈沖寬度用來表示脈沖能量作用的持續(xù)時間。頻率計數(shù)器一般都能測量正負脈沖寬度。

占空比(duty ratio)

占空比是指信號處于高\低電平的時間所占信號總時間的比率，也可表述為單個脈寬占周期的比例。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，信號所攜帶的能量越高。

時間間隔平均

時間間隔平均是一種能給出高分辨率且可用于濾出信號抖動的功能，此功能可準確測量兩路信號的時間間隔。這里有兩種測量時間間隔的方法:普通時間間隔和正負時間間隔。普通時間間隔測量兩個信號的絕對時間差，即兩個信號相對應的上升沿時間差。而正負時間間隔測量兩個信號之間的相對定時，在它們之間相互前后飄移的場合進行測量。這在調節(jié)定時偏移以保證兩個信號之間重合一致時非常有用。

下面簡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，利用正負時間間隔時，終止沿(B)相對起始沿(A)有+10ns和-10ns的預期結果前后變動。利用普通時間間隔時，當終止沿(B)向左變動時，便會呈現(xiàn)+90ns的未預料的結果。這里應該注意，某些計數(shù)器可以測量低到大約0~-5ns的普通時間間隔。 圖4 普通時間間隔和正負時間間隔之間的差別

累計(count)

累計是對事件的簡單計數(shù)。它在對電子事件或物理事件計數(shù)或自動測試需要數(shù)字化結果的場合十分有用。計數(shù)器在對事件數(shù)進行累加和顯示同時，門電路開通。某些情況下，這個功能稱為累計計數(shù)。

累計有時會有些變化。在正常測量情況下，為了將計數(shù)讀入計算單元，門電路一開始必須關閉。這意味著在讀入時可能丟失一些計數(shù)。某些計數(shù)器具有連續(xù)累計功能，能夠在將計數(shù)讀入計算單元的同時仍然進行計數(shù)。少數(shù)頻率計數(shù)器還具有向上-向下計數(shù)的能力。一個通道內的事件引起計數(shù)增加，但第二個通道的事件引起計數(shù)減少。比如，在比較兩個需要相互比較的獨立軸桿旋轉時，應用此功能就會很方便。

頻率計數(shù)器功能是根據(jù)其應用來設計的。頻率計數(shù)器最常見的應用是確定發(fā)射機和接收機的特性。發(fā)射機的頻率必須進行檢驗和校準，才能符合有關規(guī)章制度的要求。頻率計數(shù)器能對輸出頻率和一些關鍵的內部頻率點(如本振)進行測量，查明無線電發(fā)射時候是否滿足技術指標。

頻率計數(shù)器的另一些應用包括計算機領域，在此領域中的數(shù)據(jù)通信、微處理器和顯示器中都使用了高性能時鐘。對性能要求不高的應用領域包括對機電產品進行測量。頻率計數(shù)器的早期應用之一是作為信號發(fā)生器的一部分。在信號發(fā)生器信號輸出之前，先通過頻率計數(shù)器部件測量該信號，測量到的結果被轉換為模擬信號用于反饋控制信號發(fā)生器的頻率，直到達到所需要的數(shù)值，從而能得到穩(wěn)定的信號輸出。很多信號發(fā)生器中都集成了頻率計數(shù)器的簡單功能。例如OI1842信號發(fā)生器也集成了測量范圍為0.1Hz~50MHz的頻率計功能。

電子頻率計數(shù)器簡稱頻率計數(shù)器 ,根據(jù)頻率的不同范圍可把頻率計數(shù)器分為兩類:通用頻率計數(shù)器和微波頻率計數(shù)器。前者的測量范圍一般在1GHz以下;而微波頻率計數(shù)器提供從DC到數(shù)十GHz的高性能頻率測量，可覆蓋整個射頻、微波頻段。

1、高頻測量是頻率計數(shù)器獨特的優(yōu)勢，普通示波器很難達到。頻率測量很簡單，將信號接入頻率計數(shù)器輸入端后再調節(jié)功能鍵至頻率測量，屏幕即顯示當前頻率值。單一的頻率測量只需要一個輸入通道即可。

2、頻率計數(shù)器周期為波形振動一次所需要的時間，是頻率的倒數(shù)，如圖1所示。大多數(shù)頻率計數(shù)器都會提供這項功能。信號周期的測量方法和頻率測量基本相似。

3、頻率計數(shù)器頻率比是對兩個頻率進行比較，它可用來測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，兩個頻率的比值遠比兩個獨立的頻率值有意義。例如在比率電容傳感器研發(fā)中，工程師關心的重點是兩個信號的頻率比。

4、頻率計數(shù)器統(tǒng)計功能:可以用來統(tǒng)計和顯示當前輸入數(shù)據(jù)的標準偏差，并能選擇統(tǒng)計次數(shù)。標準偏差是描述信號一致性好環(huán)的參數(shù)。標準偏差越大，表示信號幅值相差比較大，一致性差;而較小的標準偏差表示信號的幅值都很接近，信號波動小。

電子頻率計數(shù)器 - 應用領域

1、頻率計數(shù)器功能是根據(jù)其應用來設計的。頻率計數(shù)器最常見的應用是確定發(fā)射機和接收機的特性。發(fā)射機的頻率必須進行檢驗和校準，才能符合有關規(guī)章制度的要求。頻率計數(shù)器能對輸出頻率和一些關鍵的內部頻率點(如本振)進行測量，查明無線電發(fā)射時候是否滿足技術指標。

2、頻率計數(shù)器的另一些應用包括計算機領域，在此領域中的數(shù)據(jù)通信、微處理器和顯示器中都使用了高性能時鐘。對性能要求不高的應用領域包括對機電產品進行測量。

3、頻率計數(shù)器的早期應用之一是作為信號發(fā)生器的一部分。在信號發(fā)生器信號輸出之前，先通過頻率計數(shù)器部件測量該信號，測量到的結果被轉換為模擬信號用于反饋控制信號發(fā)生器的頻率，直到達到所需要的數(shù)值，從而能得到穩(wěn)定的信號輸出。很多信號發(fā)生器中都集成了頻率計數(shù)器的簡單功能。例如OI1842信號發(fā)生器也集成了測量范圍為0.1Hz~50MHz的頻率計功能。