本文導讀

頻率是信號最核心的特徵之一，但工程師常有這種困惑：為什麼硬體頻率計和示波器頻率測量結果不同呢？哪個資料才更精確呢？來聽聽資深硬體工程師的原理剖析分享。

 

一、頻率測量原理

 
所謂“頻率”，就是週期性信號在單位時間(秒)內變化的次數。若在一定的時間間隔T內計數，計得某週期性信號的重複變化次數為N，則該信號的頻率可表達為：
f = N / T
 
所以測量頻率就要分別知道N和T的值，由此，測量頻率的方法一般有三種：測頻演算法、測周演算法以及等精度測量。ZDS示波器主要用到了測頻演算法和測周演算法，下面將介紹這兩種方法原理。
 

1、測頻演算法

 
這種方法即已知時基信號（頻率或週期確定）做門控信號，T為已知量，然後在門控信號有效的時間段內進行輸入脈衝的計數，原理如圖1所示：
   

假設時間基準信號的重複週期為1S，加到閘門的門控信號作用時間T亦準確地等於1S，即閘門的開通時間為1S。在這一段時間內，若計數器計得N=100000個數，根據公式f = N / T，那麼被測頻率就是100000Hz。
 
測頻方法的結果是精確到Hz的，由於非同步採樣造成的頻率量化誤差為±1Hz，因此測頻模式下的相對頻偏誤差為：  
可以看到，隨著頻率的升高，相對頻偏誤差會不斷減小，因此測頻演算法適用於測高頻信號。
 

2、測周演算法

 
測周演算法即：被測信號（頻率或周期待測）做門控信號，T為未知量，做門控信號T，然後在門控信號有效的時間段內對時基信號脈衝計數，原理如圖2所示：
   

被測信號的週期T，時基信號的頻率Fclk，計數值N有如下關係：

 
從而得出被測信號的頻率f為：  
測周模式下的相對頻偏誤差為：

 
Fclk/f一般遠大於1，所以上面公式等價於：

 
隨著頻率的降低，相對頻偏誤差會不斷減小，因此測周模式適用於測低頻信號。
 

二、ZDS示波器頻率計架構分析

 
ZDS示波器的頻率計分為硬體頻率計和參數測量頻率計，它們在系統中所處的位置如圖3所示：
   

硬體頻率計是基於存儲之前的信號進行的測量，它不受取樣速率控制，不受螢幕是否有波形限制。硬體頻率計內部會根據外部輸入信號的頻率自動選擇測頻或測周演算法。只要通道有信號輸入，並且信號幅值不會太小，硬體頻率計都可以將其頻率測量出來。
 
參數測量頻率計是基於存儲之後的波形信號進行的測量，受限於觸發，受限於螢幕是否有波形，因為示波器的測量功能只對螢幕內的波形進行測量統計，所以當螢幕上出現的波形不足一個週期時，頻率資訊便不會獲得。參數測量頻率計是基於測周演算法，先得出信號週期，然後將週期換算成頻率。
 

三、頻率計差別的實例分析

 
下面通過一個例子來說明，硬體頻率計和參數測量頻率計之間的差別。如圖4所示，CH1輸入一個1M的正弦波信號，然後同時打開硬體頻率計和參數測量頻率計，我們發現右上角的硬體頻率計正確測出信號頻率，但是左下角的參數測量頻率計並沒有測出信號頻率。造成這種差異的主要原因，參數測量頻率計是基於螢幕波形的，參數測量中週期定義為兩個鄰近上升沿之間的時間，下面波形由於沒有出現2個鄰近的上升沿，導致測不到週期，進而導致頻率測量不出來。
   

四、總結

 
利用示波器測信號頻率是使用者經常用到的功能，本文主要介紹了ZDS示波器頻率測量原理，並介紹硬體頻率計和參數測量中的頻率計的差異，通過此文可以加深對ZDS示波器頻率計的認識和理解。