干貨分享—頻率計數(shù)器指南

頻率計數(shù)器能夠精確測量波形為正弦波、方波、三角波、鋸齒波或其他規(guī)則重復模式的信號的頻率。這些儀器既可以測量模擬信號的頻率和定時特性，也能測量數(shù)字信號的頻率和定時特性。

你需要頻率計數(shù)器嗎？頻率計數(shù)器與示波器及其他設備的比較

示波器、頻譜分析儀和頻率計（比如老式模擬指針式儀表）等其他儀器也可以測量頻率。然而，頻率計數(shù)器的優(yōu)秀之處在于其很高的精度和準確性。其他儀器通過軟件從數(shù)字化數(shù)據(jù)中測量頻率和其他特性，而頻率計數(shù)器則使用精心設計的硬件電路直接在輸入信號上精確測量這些參數(shù)。此外，在選擇儀器時，請記住以下幾點：

• 頻率計數(shù)器即使在高達GHz的頻率下，仍能提供高精度和高分辨率的測量結(jié)果。

• 對于連續(xù)波信號，頻率計數(shù)器的測量效果更佳；而基于軟件的測量方法對脈沖信號的測量效果更好。

• 頻率計數(shù)器可以可靠地用于長期頻率測量。

• 與示波器或頻譜分析儀相比，頻率計數(shù)器使用起來更簡單、更快捷。

根據(jù)功能劃分的頻率計數(shù)器類型

主要的分類方法是根據(jù)目標行業(yè)和功能進行劃分。

1. 通用計數(shù)器：許多客戶更傾向于選擇一體化的通用計數(shù)器，而不是單純的頻率計數(shù)器，因為它除了支持頻率測量外，還具備常見的輔助測量功能，如信號定時測量。它通?？梢詼y量：

• 頻率：指單位時間內(nèi)完成的完整周期數(shù)。

• 周期：指信號完整周期的時間間隔。

• 頻率比：用于測量兩個輸入信號的頻率比。

• 時間間隔：測量兩個輸入信號事件之間的時間延遲。

• 時間間隔誤差：測量相對于預期或理想值的定時變化。

• 脈沖寬度：測量脈沖所持續(xù)的時間，通常指數(shù)字信號高電平的持續(xù)時間。

• 上升和下降時間：指數(shù)字信號從低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換到高電平狀態(tài)以及從高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換回低電平狀態(tài)所需的時間。

• 相位角：測量兩個輸入信號之間的相位差。

• 占空比：指信號（通常是方波）在一個完整周期內(nèi)處于高電平的百分比。

• 電壓：報告信號的最大、最小和峰峰值電壓。

• 信號功率：部分通用計數(shù)器內(nèi)置功率計，可報告信號功率。

此外，這些儀器還支持更高級的統(tǒng)計和分析功能，例如：

（1）繪制直方圖，以查看頻率測量值的分布情況，檢測穩(wěn)定性或噪聲問題。

（2）繪制頻率趨勢圖，檢測頻率漂移等問題。

（3）統(tǒng)計頻率測量值，檢測信號抖動。

（4）對頻率讀數(shù)進行累計計量。

（5）計算阿倫偏差，用于衡量頻率穩(wěn)定性。

2. 射頻計數(shù)器：射頻（RF）計數(shù)器，也稱為微波頻率計數(shù)器，在射頻工程中應用廣泛。其可測量的頻率范圍從幾千赫茲（kHz）到幾百兆赫茲（MHz），甚至高達幾十吉赫茲（GHz）。例如，是德科技（Keysight）53230A 通用計數(shù)器 / 定時器基礎型號的測量上限為 350MHz，而高級型號的測量上限可達 15GHz。由于數(shù)字電路元件（如觸發(fā)器）的速度太慢，無法跟上 GHz 頻段無線電信號的高速轉(zhuǎn)換，因此射頻計數(shù)器的構造有所不同。所以，射頻計數(shù)器會使用預分頻器或其他降頻組件，先將輸入信號的頻率降低到 MHz 范圍。

3. 計數(shù)定時器：這類計數(shù)器也被稱為時間間隔分析儀，是為精確測量時間間隔而優(yōu)化設計的。

4. 調(diào)制域計數(shù)器：這類計數(shù)器專門用于分析調(diào)制信號，在調(diào)制信號中，載波信號是周期性的，但這種周期性模式會被頻率調(diào)制方案所掩蓋。

根據(jù)外形劃分的頻率計數(shù)器類型

頻率計數(shù)器還可以根據(jù)外形和接口分為：

• 臺式儀器

• 手持式儀器

• 模塊化測試設備的硬件模塊

• ASIC的嵌入式模塊

• FPGA中的邏輯模塊

在任何需要進行高精度頻率和定時測量的地方，都會用到不同類型的頻率計數(shù)器，以下這些行業(yè)便是如此。

• 電子元件制造：精確的頻率和定時測量對于振蕩器、鎖相環(huán)、時鐘模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器電路、分頻器等多種電子元件的質(zhì)量控制至關重要。在這些行業(yè)中，頻率計數(shù)器被用作測試設備。

• 國防：射頻計數(shù)器用于關鍵雷達和聲納系統(tǒng)的質(zhì)量控制。

• 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）：像全球定位系統(tǒng)這樣的 GNSS 衛(wèi)星星座，在很大程度上依賴于精確的定時和頻率特性。

• 電信系統(tǒng)：同樣，在 5G 基站等無線通信設備中，頻率計數(shù)器用于實現(xiàn)精確的定時和頻率特性。

頻率是指單位時間內(nèi)信號完成的完整周期數(shù)。頻率測量方法主要有兩種。

• 直接頻率測量技術：第一種方法稱為直接頻率測量技術，它只需在一個固定的時間間隔（稱為閘門時間）內(nèi)對完成的周期數(shù)進行計數(shù)。其工作原理如下：一個稱為時基的高精度時鐘負責選通，即測量在固定閘門時間間隔內(nèi)完成的周期數(shù)。然后，它將測量到的周期數(shù)除以閘門時間，從而得出頻率。這種方法存在一些明顯的缺點：閘門時間不一定與信號周期重合，這可能導致周期數(shù)測量不準確；對于低頻信號，每個周期可能持續(xù)較長時間，計數(shù)器需要設置較長的閘門時間才能準確測量周期數(shù)。

• 倒數(shù)測量技術：另一種更好的方法是倒數(shù)測量技術。與直接頻率測量技術不同，倒數(shù)測量技術不是在固定閘門時間內(nèi)對完成的周期數(shù)進行計數(shù)，而是等待固定（內(nèi)部配置）數(shù)量的周期完成，然后使用高精度的內(nèi)部或外部時基精確測量完成這些周期所需的時間，這個時間就是閘門時間。最后，它通過將周期數(shù)除以測量得到的閘門時間來計算頻率，之所以稱為倒數(shù)測量技術，是因為它先測量每個周期的時間，然后取其倒數(shù)來計算頻率。倒數(shù)測量技術的優(yōu)點包括：無論輸入頻率是赫茲還是吉赫茲，都能獲得相同位數(shù)的頻率分辨率；在極低和很高頻率下都具有很高的準確性。不過，采用倒數(shù)測量技術的頻率計數(shù)器制造成本更高。

頻率計數(shù)器的高精度得益于其組成組件，具體如下。

1. 精密時基：時基是一個內(nèi)部時鐘和選通電路，用于根據(jù)測量技術精確測量周期或定時。它通常是以下晶體振蕩器電路之一：

   
   

• 室溫晶體振蕩器：使用簡單的石英晶體，在常溫下能保持相當穩(wěn)定的頻率，適用于非關鍵用途。

• 溫度補償晶體振蕩器：通過補償因工作條件或環(huán)境變化導致的溫度波動，能夠保持穩(wěn)定的頻率。

• 恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）：也稱為高穩(wěn)定性恒溫時基，這種振蕩器被放置在一個小型恒溫箱內(nèi)，通過保持恒定的溫度來實現(xiàn)很高的穩(wěn)定性和準確性。時基容易受到老化和溫度效應導致的時基誤差影響。為了長期保持最高的穩(wěn)定性和準確性，必須進行細致的維護和定期校準。

2. 輸入放大器、衰減器和預分頻器：這些組件用于調(diào)整輸入信號，使其與計數(shù)器電路相匹配。它們可以放大微弱信號、衰減強信號、阻擋高頻噪聲，并實現(xiàn)阻抗匹配。射頻計數(shù)器必須確保將高輸入信號頻率降低，以便下游數(shù)字電路能夠跟上信號的轉(zhuǎn)換速度。因此，它們會使用高速預分頻器、傳輸振蕩器或外差式轉(zhuǎn)換器。

3. 觸發(fā)或比較器電路：觸發(fā)電路用于精確確定輸入波形每個周期的起始和結(jié)束時刻。

4. 計數(shù)電路：實際的周期計數(shù)和時間測量就在這個電路中進行。它由數(shù)字邏輯電路組成，包含觸發(fā)器和與非門等組件，每當輸入信號超過觸發(fā)電平時，這些組件就會被激活。

5. 微處理器：微處理器用于控制頻率計數(shù)器的操作、存儲和傳輸數(shù)據(jù)、進行統(tǒng)計分析及其他分析，以及與用戶或其他設備進行通信。

6. 電源：頻率計數(shù)器使用的是高品質(zhì)電源，其紋波和噪聲極低。

7. 接口電路和與其他設備的外部接口：大多數(shù)現(xiàn)代頻率計數(shù)器可以通過以下輸入 / 輸出接口與個人計算機和自動化測試設備連接：

   
   

• 通用接口總線（GPIB）：這是一種用于將可編程儀器連接到計算機的硬件和數(shù)據(jù)交換標準，它包含可編程儀器標準命令（SCPI），該標準為每類儀器規(guī)定了一組命令和語義。

• 通用串行總線（USB）：頻率計數(shù)器可以將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?USB 存儲設備。

• RS - 232：這種串行總線可用于以自定義二進制格式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。

• 儀器 LAN 擴展（LXI - C）：這是一種基于以太網(wǎng)的 SCPI 協(xié)議，支持通過瀏覽器對儀器進行控制。

8. 顯示電路：如果頻率計數(shù)器是獨立式儀器，通常會配備液晶顯示器（LCD）和顯示電路，用于顯示測量結(jié)果、分析結(jié)果以及直方圖等圖形輸出。

在選擇頻率計數(shù)器時，需要關注以下關鍵規(guī)格：

• 輸入通道數(shù)量

• 每個通道的頻率范圍和最大頻率

• 頻率分辨率，以數(shù)字位數(shù)表示頻率測量的精度

• 時間分辨率，指單次測量中可測量的兩個事件之間的最小時間差，通常以納秒或皮秒為單位

• 相位分辨率，以度為單位

• 時基誤差、時基老化系數(shù)（以每年ppm或ppb為單位）以及時基不確定度

• 數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠拷涌诘乃俾?/p>

實現(xiàn)高精度和準確性的技巧

遵循以下技巧，可使用頻率計數(shù)器進行精確測量：

• 避免使用自動觸發(fā)模式，因為該模式的準確性很低。使用外部觸發(fā)、時間觸發(fā)或數(shù)字觸發(fā)等其他觸發(fā)模式，可以提高時間分辨率和系統(tǒng)不確定度，從而降低整體測量誤差。

• 始終保持時基通電，使其處于預熱狀態(tài)。與定期斷電相比，這樣可以將年老化率提高一個數(shù)量級。

• 盡可能使用優(yōu)秀的時基。高穩(wěn)定性恒溫時基無需頻繁校準，對于穩(wěn)定性較差的時基，建議定期校準。

• 尤其在信號存在噪聲的情況下，要注意觸發(fā)電平和觸發(fā)電平定時誤差。

• 將所有時基鎖定到同一個時鐘，以避免因獨立時基導致的信號抖動。

• 設置觸發(fā)電平，使其在信號斜率最大的點與信號相交，以盡量縮短觸發(fā)條件的響應時間。

• 不要將觸發(fā)帶寬設置得過窄，以免噪聲被誤判為過零信號。

我們在接下來介紹的頻率計數(shù)器產(chǎn)品中采用了上述所有措施。