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频率计

频率计,全称频率计数器,是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器
频率计

频率计的工作原理

      当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时,则被测信号的频率f=N/T。
  在一个测量周期过程中,被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲,送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间,特定周期的窄脉冲才能通过主门,从而进入计数器进行计数,计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值,内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

频率计的应用范围

      在传统的电子测量仪器中,示波器在进行频率测量时测量精度较低,误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱,但测量速度较慢,无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化,因此,频率计拥有非常广泛的应用范围。
  在传统的生产制造企业中,频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化,用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品,确保产品质量。
  在计量实验室中,频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。
  在无线通讯测试中,频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准,还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。

有效使用安捷伦频率计数器的5项提示

计数器是一种即插即用的仪器,从外表来看相当简单。您只需把信号接到输入端,数字显示就会告诉您频率或其它参数。但要得到最好的结果,无论是对于测试速度还是测试质量,设置计数器的测量是很重要的。

选择最好的计数器
首先是选择最符合您测试需要的计数器。以下是几种适用于不同频率范围测量任务的计数器:
通用计数器 可进行频率和时间间隔, 以及一些相关参数测量。
射频频率计数器 进行达3GHz或更高的精确频率测量。
微波频率计数器 进行达40GHz或更高的精确频率测量。
时间间隔分析仪 最适合进行精确的时间间隔测量。
调制域分析仪  专用于显示调制量,如频率-时间,相位-时间和时间间隔-时间。

提示1:认识分辨率和精度的差别

    认为显示位数越多的测量结果越精确的想法也许并不正确。通常犯的一个错误就是把分辨率和精度看等同起来。它们的确相互联系,但却是不同的概念。
    计数器分辨率是指计数器能够在相近频率中检测的最小变化量。在所有其它情况均相同时(如测量时间和产品成本),位数是越多越好 ── 但您看到的显示位数必须得到精度的支持。当其它误差使计数器的分辨能力偏离真实频率时,其位数并无实际意义。也就是说计数器提供的可能是对不正确频率的非常精确读数。

    精度由随机误差和系统误差确定。随机误差是分辨率不确定度的来源,它包括:
量化误差 计数器测量时,最后一位有效数字存在±1的不确定性。产生原因是内部时钟频率和输入信号间的非相干性。
触发误差 输入信号的噪声或来自计数器输入通道的噪声都可能引起噪声毛刺触发。
时基误差 时基振荡器频率和其标称频率的不同都会直接导致测量误差。
    系统误差是测量系统读数对信号实际频率的偏离。包括老化、温度和线电压变化对时基晶体的影响。
    图 1 中比较了两台计数器计数器 A 有好的分辨率但系统误差较大,计数器 B 分辨率差但系统偏移误差较小,结果是在大多数情况下,计数器 A 显示结果的精度要比计数器 B 低。

图 1. 分辨率—精度简图。系统误差与时基使显示频率偏离实际频率。随机误差产生一个频率
范围,计数器
能区分此范围内的不同信号。

提示2:理解计数器的测量方法

    频率计数器分成两类:直接计数和倒数计数。理解这两种不同方法的影响将帮助您选择最佳的计数器并正确地使用计数器
    直接计数器简单记录已知周期(选通时间)的信号循环次数。所得到的计数直接送至计数器的读出显示。
    这种方法既简单又便宜,但也意味着直接计数器分辨率固定为Hz。例如,对于1s的选通时间,计数器能检测到的最低频率为1Hz(根据定义,1s内信号循环一次为1Hz)。因此如果您正在测量10Hz信号,对1s选通时间的预期最好分辨率为1Hz,或2位显示。对于1kHz信号和1s选通,您能得到4位。100kHz信号为6位,依此类推。图 2表明了这一关系。还应注意直接计数器的选通时间只能选为1s的十倍数或十分数,这也限制了您的测量灵活性。
    与之相反,倒数计数器测量输入信号的周期,然后将周期取倒数得到频率。鉴于其测量体系结构,对于给定的选通时间,所得到的分辨率为显示位数(而非Hz)。也就是说倒数计数器永远显示同样的分辨率位数,而与输入频率无关。注意对于特定的选通时间,您将看到按位数规定的倒数计数器分辨率,如“每秒10位”。只需查看频率分辨率指标,您就能确定是直接计数器还是倒数计数器。如果分辨率以Hz表示,就是直接计数器。如果用位∕秒表示,就是倒数计数器
    计数器行业规定的标准化测量是相对于1s选通时间。图3比较直接计数器和倒数计数器分辨率。在较低频率时,倒数计数器有明显的优势。例如对于1kHz,直接计数器给出1Hz的分辨率(4位)。而10位∕秒的倒数计数器给出1μHz(10位)的分辨率。即使精密分辨率不是您的主要要求,倒数计数器还具有速度优势:倒数计数器在1ms时得到1mHz分辨率,而直接计数器却要花整整1s,才能得到1Hz分辨率(图4)。倒数计数器也提供连续可调的选通时间(不只是十进制步进),因此您能以最少的时间得到所需要的分辨率

图 2. 直接计数器显示的位数 — 频率 (对于1s选通时间)

图 3. 比较直接计数器和倒数计数器分辨率 (对于1s选通时间)

图 4. 这里是10位/秒倒数计数器不同分辨率所需要的选通时间

    选择也依据性价比。如果您对分辨率没有严格要求,也不太关心速度,那么直接计数器就可能是经济的选择。而对于快速和高分辨率测量,则应选倒数计数器

提示3:为满足性能要求进行定期校准

    校准计数器的频度由几项因素决定。
• 时基类型
计数器在测量期间经受的条件
• 测量需要多高的精度
    校准并非一个简单问题,通常与计数器精度直接相关。您在显示器上看到的测量质量取决于四个因素:
1. 时间不变的计数器性能因素(如提示 3 中讨论的时基温度稳定性)
2. 时间变化的计数器性能因素(如时基的老化率)
3. 输入信号纯净度和噪声级
4. 计数器设置和配置
    第2项是校准所扮演的角色。尽管计数器是测量电信号的电子仪器,但作为每台计数器时基心脏的石英晶体却是一种机械元件。由于晶体是机械元件,因此在受到各种物理扰动时会改变它的振动频率,并进而影响计数器精度。这些不同扰动的累积效应即晶体的老化,校准计数器即是对老化的补偿。
    老化是一项容易预测和能通过校准得到补偿的因素。您可通过查看计数器的老化率指标确定何时需要校准。
    例如: 如果老化率为 4×10-8∕天。在校准后的第300天,老化将在总精度计算中增加1.2×10-5的时基误差。如果该不确定度(对于1 MHz信号为±12 Hz)加上其它固有误差对您的测量是可接受的,您就不需要校准。否则就要校准。

提示4:进行最精确的测量

选择最好的待命模式
    如果您要进行快速的测量,一种简单方法是使用频率计数器的自动待命模式。但在四种典型待命模式(自动、外部、时间和位)中,自动模式的精度最低。您可通过增加外部、时间,或位待命模式的选通时间改进分辨率和系统不确定度(如提示 2 所述,两者都是测量误差的组成部分)。
使用最好的时基和经常进行校准
    时基的质量和校准的频度将影响您的测量质量。对于大多数应用,您需要兼顾精度、时基质量和校准周期。如果购买的是较高质量的时基,就可适当延长校准周期。如果频繁地校准,较便宜的时基就也能达到您的精度要求。时基不需要放在计数器中,可用外部精密频率源和时基改进测量精度。
保持计数器时基温度
    如我们在提示 3 中讨论的,大多数精密频率计数器都使用温度补偿频率振荡器(TCXO)或恒温槽控制频率振荡器(OCXO)。保持频率振荡器的连续通电将避免输出频率的变动。振荡器断电,即使是很短时间的断电,在回到稳定频率前也会有波动。为保证最稳定的晶体工作:
• 把计数器放在不会被拔掉电源的位置,使仪器在开机模式和待机模式间交替。
• 在校准时基时,要把校准设备拿到计数器处,而不是相反,因此不必给仪器断电。
• 保护频率计数器免受搬移和温度变化也将改进它的稳定性。
    当您断开计数器电源时,即使是短暂的,老化率也要按天数重新开始计算。
监视触发电平定时误差
    在您进行定时测量(时间间隔,脉冲宽度,上升时间,下降时间,相位和占空比)时,需要考虑触发电平定时误差的影响。有几项需考虑的因素: 触发电平电路的分辨率和精度,输入信号在触发点的斜率,以及输入滞后带的宽度。
    为减小这些影响,应在正弦波或方波信号的偏置值处触发。这样能得到最大斜率,也把滞后带误差减到最小。如果您进行的是偏置至偏置测量(如整个周期,两信号间 0°相位),那么滞后窗效应可能被抵消。应注意大多数计数器都最适合 0 V 触发电平设置。
如有可能,把所有时基锁定到单一时钟
    两个独立时基间产生的偏离和/或抖动将增加误差。使用独立时基就像是观看视频和声频通道在不同的系统上的电影。在电影开始时,声频和视频可能同步,但随着时间推移,两者差距越来越大。在使用现代测试和测量设备的应用中,这种偏离不能忽略的。

提示5:进行最快的测量

    您可以配置现代频率计数器,以得到每秒数百次的读数,这对于表征随时间变化的信号是非常有用的。应记住频率计数器最适合测量稳定,或慢变化的信号。还应记住为获得精确读数,得到一个好的读数比平均大量读数更好。

计数器设置到已知状态
在发送复位命令后,仪器返回到就绪状态前最好不要发送其它命令。对于大多数仪器返回就绪状态,程序中增加一秒的等待或延迟就足够了。仪器有可能丢失复位时接收的命令。
设置与仪器使用数据类型一致的输出格式
这将避免后处理期间因转换数据格式造成的延迟。
禁用所有后处理和打印操作
当您禁用这些功能时,处理器就能把它的资源用于读数和把读数送至计算机,而不是用来响应额外的中断,例如更新显示。
配置预期频率
Agilent 53100 系列计数器能按您的测量频率优化配置。实际被测信号必须在您命令中提供值的10[[[[%]]]] 内。
设置触发电平
当输入信号通过命令中的电平设置值时,就建立了触发条件。把触发电平设置在信号的最大斜率处,从而把满足触发条件的时间量减到最小。正弦波或方波在过零时(假定为 0V 偏置)有最大的斜率。
把触发设置为立刻读数
当仪器使用双电平触发时,在得到读数前必须同时符合这两个触发条件。设置触发待命条件,以立刻满足第一级触发电平。

 

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