什么是頻率計(jì)數(shù)器？頻率計(jì)數(shù)器的使用及原理

什么是頻率計(jì)數(shù)器？

圖1 電信號波形的三個(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(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)器測量輸入信號頻率在零點(diǎn)交叉的次數(shù)。如果輸入信號是正弦曲線，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(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)。