無(wú)論是傳統(tǒng)的模擬示波器還是現(xiàn)代的數(shù)字示波器，測(cè)量信號(hào)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(cè)頻過(guò)程需要工程師手動(dòng)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(gè)周期的穩(wěn)定波形后，通過(guò)觀察該信號(hào)一個(gè)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(hào)周期，最終得到頻率。
近些年隨著數(shù)字示波器在測(cè)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(dòng)且快速地完成信號(hào)頻率測(cè)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(cè)量時(shí)，常遇到這樣的問(wèn)題：
1、頻率的測(cè)量結(jié)果是對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算一個(gè)周期的時(shí)間得到的。由于不同的水平時(shí)基對(duì)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(huì)影響測(cè)量精度。
2、工程師在實(shí)際測(cè)量一個(gè)很穩(wěn)定的信號(hào)頻率時(shí)，測(cè)量結(jié)果的后幾位小數(shù)點(diǎn)會(huì)有隨機(jī)性的變化，這也是測(cè)量精度不高的表現(xiàn)。
那有沒(méi)有一種方法能夠使測(cè)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！今天小普來(lái)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(cè)量信號(hào)周期、頻率特征的功能單元或獨(dú)立儀器，相對(duì)于示波器的通用測(cè)量功能，它具有測(cè)量精度高、測(cè)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(cè)量的場(chǎng)景應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。
RIGOL旗下的多個(gè)系列示波器都集成了頻率計(jì)功能，但測(cè)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(cè)量場(chǎng)景，RIGOL最新推的DS70000 示波器將頻率測(cè)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(hào)的頻率都能被準(zhǔn)確測(cè)量。
頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)原理
示波器的工作過(guò)程可分為信號(hào)輸入、垂直系統(tǒng)（信號(hào)幅度調(diào)理）、采樣（模擬信號(hào)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(hào)輸入、垂直系統(tǒng)、采樣屬于通用數(shù)字示波器的必備功能，頻率計(jì)算是通過(guò)直接對(duì)ADC采樣得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到信號(hào)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(cè)量結(jié)果。
頻率計(jì)算過(guò)程分為以下兩個(gè)步驟：
1、邊沿判斷
示波器對(duì)周期性模擬信號(hào)進(jìn)行采樣量化后的數(shù)據(jù)與一個(gè)用戶設(shè)置的“比較電平”進(jìn)行比較，從低到高跨過(guò)此電平的跳變?yōu)椤吧仙亍保瑥母叩降涂邕^(guò)此電平的跳變?yōu)椤跋陆笛亍薄蓚€(gè)上升沿（或兩個(gè)下降沿）之間的時(shí)間間隔為當(dāng)前被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。
正確識(shí)別信號(hào)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(chǎng)景中，真實(shí)的信號(hào)往往自帶一些噪聲，如果不對(duì)這些噪聲進(jìn)行處理，就會(huì)造成邊沿的錯(cuò)誤判斷，影響最終的測(cè)量結(jié)果。如下圖所示，圓圈標(biāo)記的位置因?yàn)橐粋€(gè)毛刺的存在導(dǎo)致了在該位置出現(xiàn)了兩個(gè)上升沿。
解決上述問(wèn)題的方法，就是在原有比較器的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)比較電平，只有同時(shí)跨過(guò)兩個(gè)比較電平的跳變才被判決為“有效沿”。兩個(gè)比較電平之間的區(qū)域?yàn)椤斑t滯區(qū)間”，區(qū)間越大對(duì)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(tīng)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(cè)頻法
一段時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)有效信號(hào)周期個(gè)數(shù)為，這段時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)上升沿（或下降沿）的個(gè)數(shù)減1。用這段時(shí)間除以周期個(gè)數(shù)可以得到信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間，從而得到信號(hào)頻率。這“一段時(shí)間”我們稱之為“閘門(mén)時(shí)間”。通常情況下，閘門(mén)時(shí)間內(nèi)并不能包含整數(shù)個(gè)信號(hào)周期，簡(jiǎn)單進(jìn)行除法計(jì)算會(huì)存在較大的誤差。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，還需要將閘門(mén)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(hào)周期的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。
如下圖所示，設(shè)閘門(mén)時(shí)間為T(mén)g（9個(gè)參考時(shí)鐘），閘門(mén)時(shí)間內(nèi)上升沿的個(gè)數(shù)為N（3個(gè)），閘門(mén)使能時(shí)刻到第一個(gè)被測(cè)信號(hào)的上升沿時(shí)間為T(mén)s（1個(gè)參考時(shí)鐘），閘門(mén)結(jié)束時(shí)刻距離最后一個(gè)被測(cè)信號(hào)的上升沿時(shí)間為T(mén)e（1個(gè)參考時(shí)鐘）。
信號(hào)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(cè)周法
直接測(cè)量被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期的時(shí)間，叫做測(cè)周法。測(cè)周法沒(méi)有閘門(mén)時(shí)間的概念，系統(tǒng)僅需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)上升沿之間的時(shí)間直接得到信號(hào)的周期，再通過(guò)取倒數(shù)得到信號(hào)的頻率。如下圖所示，可直接得到被測(cè)信號(hào)的周期Tc。
頻率F的計(jì)算公式為:Fs =1/Tc
無(wú)論是測(cè)頻法還是測(cè)周法都需要有一個(gè)參考時(shí)鐘，它保證了測(cè)量結(jié)果的精度。測(cè)量不同頻率的信號(hào)、選擇不同擋位的時(shí)基，都不會(huì)影響和改變頻率計(jì)的測(cè)量精度，這就是等精度頻率計(jì)。
通常高頻信號(hào)適合采用測(cè)頻法，低頻信號(hào)適合采用測(cè)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(cè)量方法，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率特性自動(dòng)選擇合適的測(cè)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(cè)量結(jié)果的左起第一個(gè)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(cè)量算法，使得測(cè)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(cè)量時(shí)間
測(cè)量時(shí)間是指能夠重新獲取一次有效測(cè)量結(jié)果所需要的時(shí)間。
對(duì)于測(cè)頻法，測(cè)量時(shí)間等效于閘門(mén)時(shí)間。DS70000系列示波器能夠在1s內(nèi)的測(cè)量時(shí)間提供最大8位有效位數(shù)的結(jié)果，兼顧了測(cè)量速度和測(cè)量精度。
對(duì)于測(cè)周法，測(cè)量時(shí)間取決于被測(cè)信號(hào)的周期，被測(cè)信號(hào)的周期越大測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，比如測(cè)量一個(gè)0.1Hz信號(hào)，測(cè)量時(shí)間為10s。
測(cè)量誤差
測(cè)量誤差主要來(lái)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(cè)量功能開(kāi)啟后測(cè)量結(jié)果中的最大值、最小值和平均值。用戶通過(guò)觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以清晰地知道在測(cè)量的這段時(shí)間內(nèi)測(cè)量結(jié)果是否存在過(guò)大、過(guò)小等異常問(wèn)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(tái)，搭載著自主研制的“鳳凰座”芯片組，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的20GSa/s超高采樣率；依托該平臺(tái)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(huì)為您帶來(lái)超高品質(zhì)的體驗(yàn)。
DS70000系列數(shù)字示波器
