頻率計(jì)測(cè)量方法

圖 3. 頻率計(jì)數(shù)器方案

頻率計(jì)數(shù)器是一種測(cè)量輸入信號(hào)頻率并顯示結(jié)果的設(shè)備。有兩種測(cè)量方法：“直接法"，由于易于實(shí)現(xiàn)而長(zhǎng)期使用；以及“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(cè)量
直接法頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量輸入信號(hào)頻率在零點(diǎn)交叉的次數(shù)。如果輸入信號(hào)是正弦曲線，則計(jì)算它向下或向上穿過(guò)零點(diǎn)的次數(shù)。直接頻率計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)是可以僅使用硬件輕松實(shí)現(xiàn)。因此，這種方法長(zhǎng)期以來(lái)一直被使用，并將每秒過(guò)零點(diǎn)的次數(shù)顯示為頻率的測(cè)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(guò)打開(kāi)該時(shí)間量的時(shí)間窗口來(lái)測(cè)量時(shí)鐘穿過(guò)零點(diǎn)的次數(shù)。

測(cè)量有效位數(shù)
直接頻率計(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1 GHz，時(shí)間窗為1 秒。測(cè)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(huì)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(cè)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(cè)量值總會(huì)存在±1的量子誤差。

如果只想測(cè)量高頻信號(hào)，使用直接法頻率計(jì)數(shù)器沒(méi)有任何問(wèn)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(huì)增加一次測(cè)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(duì)輸入波形或分頻波形進(jìn)行計(jì)數(shù)。特別是在測(cè)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(mén)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(huì)是8。雖然倒數(shù)法可以在低頻范圍內(nèi)的測(cè)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)。