一文了解ZDS示波器頻率計架構(gòu)分析

本文導(dǎo)讀

一、頻率測量原理

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間(秒)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時間間隔T內(nèi)計數(shù)，計得某周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)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：測頻算法、測周算法以及等精度測量。ZDS示波器主要用到了測頻算法和測周算法，下面將介紹這兩種方法原理。

1、測頻算法

這種方法即已知時基信號（頻率或周期確定）做門控信號，T為已知量，然后在門控信號有效的時間段內(nèi)進行輸入脈沖的計數(shù)，原理如圖1所示：

圖1 測頻原理

假設(shè)時間基準(zhǔn)信號的重復(fù)周期為1S，加到閘門的門控信號作用時間T亦準(zhǔn)確地等于1S，即閘門的開通時間為1S。在這一段時間內(nèi)，若計數(shù)器計得N=100000個數(shù)，根據(jù)公式f = N / T，那么被測頻率就是100000Hz。

測頻方法的結(jié)果是精確到Hz的，由于異步采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，因此測頻算法適用于測高頻信號。

2、測周算法

測周算法即：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，然后在門控信號有效的時間段內(nèi)對時基信號脈沖計數(shù)，原理如圖2所示：

圖2 測周原理

被測信號的周期T，時基信號的頻率Fclk，計數(shù)值N有如下關(guān)系：

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一般遠大于1，所以上面公式等價于：

隨著頻率的降低，相對頻偏誤差會不斷減小，因此測周模式適用于測低頻信號。

二、ZDS示波器頻率計架構(gòu)分析

ZDS示波器的頻率計分為硬件頻率計和參數(shù)測量頻率計，它們在系統(tǒng)中所處的位置如圖3所示：

圖3 頻率計在示波器系統(tǒng)中所處的位置

硬件頻率計是基于存儲之前的信號進行的測量，它不受采樣率控制，不受屏幕是否有波形限制。硬件頻率計內(nèi)部會根據(jù)外部輸入信號的頻率自動選擇測頻或測周算法。只要通道有信號輸入，并且信號幅值不會太小，硬件頻率計都可以將其頻率測量出來。

參數(shù)測量頻率計是基于存儲之后的波形信號進行的測量，受限于觸發(fā)，受限于屏幕是否有波形，因為示波器的測量功能只對屏幕內(nèi)的波形進行測量統(tǒng)計，所以當(dāng)屏幕上出現(xiàn)的波形不足一個周期時，頻率信息便不會獲得。參數(shù)測量頻率計是基于測周算法，先得出信號周期，然后將周期換算成頻率。

三、頻率計差別的實例分析

下面通過一個例子來說明，硬件頻率計和參數(shù)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，然后同時打開硬件頻率計和參數(shù)測量頻率計，我們發(fā)現(xiàn)右上角的硬件頻率計正確測出信號頻率，但是左下角的參數(shù)測量頻率計并沒有測出信號頻率。造成這種差異的主要原因，參數(shù)測量頻率計是基于屏幕波形的，參數(shù)測量中周期定義為兩個鄰近上升沿之間的時間，下面波形由于沒有出現(xiàn)2個鄰近的上升沿，導(dǎo)致測不到周期，進而導(dǎo)致頻率測量不出來。

圖4 硬件頻率計和參數(shù)測量頻率計之間的差別

四、總結(jié)

利用示波器測信號頻率是用戶經(jīng)常用到的功能，本文主要介紹了ZDS示波器頻率測量原理，并介紹硬件頻率計和參數(shù)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(rèn)識和理解。