示波器和頻率計測量頻率,哪個更準(zhǔn)？

1、示波器和頻率計測量頻率，哪個更準(zhǔn)？  兼答“一周一問”之No.002問示波器和頻率計測量頻率，哪個更準(zhǔn)？  兼答“一周一問”之No.002問高學(xué)琴深圳市鼎陽科技有限公司一周一問之No.002問示波器測量頻率準(zhǔn)不準(zhǔn)？示波器是否能夠分辨出頻率分別是74.25MHz和74.1758MHz的兩個信號？晶振的頻率穩(wěn)定度要求是5ppm，怎么用示波器測量這個指標(biāo)？ 示波器測量頻率和頻率計測量頻率在原理上有什么不同？ 在電子技術(shù)領(lǐng)域中，信號頻率的測量是我們經(jīng)常會遇到的問題，示波器和頻率計均可以實現(xiàn)頻率測量，那么究竟哪種方法的測量結(jié)果更為準(zhǔn)確呢？下面我們將就這兩種方法的測量原理和區(qū)別來做一些

2、說明：一示波器測頻率 示波器被稱為工程師的眼睛，是時域上觀察信號不可或缺的工具。現(xiàn)在普及的絕大多數(shù)是數(shù)字示波器。數(shù)字示波器的本質(zhì)是將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的采樣點，點和點通過某種方式相連組成了示波器屏幕上的波形。根據(jù)屏幕上的波形，示波器采用軟件編程的“算法”來計算波形的相關(guān)參數(shù)。 頻率是任何一臺數(shù)字示波器都具有的測量參數(shù)，是周期的倒數(shù)，表示信號在單位時間（1秒）內(nèi)變化的次數(shù),通常用f表示，基本單位是Hz，1Hz表示每秒變化一次。 數(shù)字示波器測量頻率的算法是怎么來的呢? 理解這個算法就理解了示波器測量頻率的準(zhǔn)還是不準(zhǔn)的誤差源。） 主流的數(shù)字示波器對頻率進(jìn)行測量算法是按周期的倒數(shù)來計算的。先計算

3、出周期，再計算出頻率。 示波器計算周期的算法是：計算出信號這個上升沿幅值50%的點到相鄰下一個上升沿幅值50%的點之間的時間間隔。因此，示波器要先獲得50%的點。要得到50%的點，必然需要確定幅值，那么我們就需要理解示波器測量參數(shù)的第一算法：確定高電平和低電平 峰峰值表示所有采樣樣本中的最大樣本值減去最小樣本值，這好理解，在示波器算法中也好實現(xiàn); 而幅值表示被測信號的“高電平”減去“低電平”。高電平和低電平分別在哪里？ 這就需要定義算法。這個算法的確定將不只是直接影響到“幅值”這個參數(shù)值，還將影響到絕大多數(shù)水平軸的參數(shù)值，如上升時間,下降時間，寬度，周期等，因為水平軸的參數(shù)要依賴于垂直軸的參數(shù)

4、。 不同示波器廠商給出的“高電平”和“低電平”算法可能不盡相同，但都會采用公認(rèn)的IEEE定義的算法，如圖1所示，首先對圖示中“LEFT CURSOR”(左光標(biāo))和“RIGHT CURSOR”(右光標(biāo))時間范圍內(nèi)的波形數(shù)據(jù)樣本向垂直方向做“軌跡直方圖”，從圖中看上去， 軌跡直方圖的垂直方向和原始波形的各采樣點在垂直方向的位置一一對應(yīng)，水平方向則表示在這個各位置上采集到的數(shù)據(jù)樣本點的個數(shù)。圖例中表示，有兩個位置的數(shù)據(jù)樣本出現(xiàn)的概率最高，這兩個位置就分別被確定為“高電平（圖示中表示top的位置)”和“低電平(圖示中表示base的位置)”。（詳見參考文獻(xiàn)關(guān)于數(shù)字示波器測量參數(shù)的第一算法）圖1 IEEE

5、定義的高電平和低電平算法成為其它一些參數(shù)算法的"源頭" 如圖1所示，幅值的定義是base（底部）到top（頂部）的縱軸差值。而top和base值是根據(jù)概率分布計算得來，若屏幕上樣本數(shù)不夠，一點點的過沖或下沖就可能影響到直方圖分布的最大概率狀態(tài)的確定，則會產(chǎn)生統(tǒng)計誤差。 利用鼎陽SDG5160信號源產(chǎn)生峰峰值為3V，頻率49.0258642MHz的正弦波信號，輸入到國內(nèi)首款智能示波器鼎陽SDS3034（此示波器具備AIM功能，測量結(jié)果精確；并內(nèi)置了硬件頻率計，便于對比分析）中，得到測量參數(shù)結(jié)果如圖2所示：圖2 時基檔位為200ns/div時的測量結(jié)果統(tǒng)計改變時基，測量結(jié)果如圖

6、3所示：圖3 時基檔位為10ns/div時的測量結(jié)果統(tǒng)計 觀察圖片可以發(fā)現(xiàn)，在時基檔位為200ns/div時，樣本數(shù)為96，測量結(jié)果為49.02618MHz，更接近信號源輸入頻率49.0258642MHz，而時基檔位為10ns/div時，樣本數(shù)僅僅為4，測量結(jié)果49.02037MHz，偏離相對來說更大。 由于周期的測量結(jié)果依賴于樣本數(shù)的多少，因而時基不同時，得到的頻率和周期會有一定的誤差。而硬件頻率計測量并不依賴于這些算法，所以我們可以觀察到，在時基變化的過程中，硬件頻率計的測量結(jié)果為49.026MHz,幾乎是沒有變化的。 不得不承認(rèn)，軟件算法測量頻率在技術(shù)上是存在一定缺陷的，這是所有數(shù)字示波

7、器共有的；但通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，利用SDS3000系列獨創(chuàng)的AIM（All In One Time Measurement一次性測量屏幕上所有波形參數(shù)）功能進(jìn)行測量，誤差并不太大。 還有一種情況是當(dāng)我們通過信號源SDG5160產(chǎn)生一個如圖4所示的掃頻信號 并輸入到示波器，測量結(jié)果如圖5所示 ：圖4 信號源SDG5162輸出方波掃頻信號圖5 非規(guī)則信號的頻率測量結(jié)果 圖5是我們通過鼎陽SDS3034示波器觀察到的波形情況，測量出的最小周期為117.4000us，最大周期為310.2998us，這是對屏幕上所有波形參數(shù)結(jié)果的統(tǒng)計。頻率“Mean”值為5.778KHz,顯然結(jié)果并不符合設(shè)定。但硬件頻率

8、計測量出來的頻率為5.012KHz，幾乎與設(shè)定的中心頻率一致，這主要是因為硬件頻 率計測頻只是對波形脈沖個數(shù)的計數(shù)，并不關(guān)注波形細(xì)節(jié)，那么下面我們來具體了解一下頻率計的工作原理:二頻率計測頻率 在傳統(tǒng)的信號分析中，示波器測量頻率時精度較低，受制于諸多因素，隨機(jī)誤差較大，頻率計受的制約比較小，精度高、誤差小，其測量頻率一般有三種方法，分別是直接測頻法、測周期法、等精度測頻法。1. 直接測頻法： 由時基振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時基信號經(jīng)過分頻作為閘門觸發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)參考，信號經(jīng)過整形之后變?yōu)槊}沖進(jìn)入閘門，依靠閘門觸發(fā)器對脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)閘門寬度為1s時直接從計數(shù)器讀出的數(shù)就是被測信號的頻率，即每一秒閘門中有多

9、少個脈沖通過，并不關(guān)注這些脈沖信號來到的早晚和規(guī)律（亦即信號波形細(xì)節(jié)），其原理圖如圖6所示：圖6 直接側(cè)頻法原理框圖 直接測頻法的實質(zhì)就是記錄在確定閘門開啟時間T內(nèi)待測信號經(jīng)過整流后的脈沖個數(shù)N，通過這兩項數(shù)據(jù)可計算待測頻率fx：fx=N/T （1）圖7 待測信號計數(shù)過程閘門的開啟時刻與脈沖進(jìn)入之間的時間關(guān)系是沒法確定的，在圖中我們可以看出，相同的閘門開啟時間T內(nèi)，計數(shù)脈沖的個數(shù)可能是7也可能是8，存在著±1的計數(shù)誤差，這是頻率量化時帶來的誤差，故又稱為量化誤差，其表示為，相對誤差表示為： 這種測量方法中閘門開啟時間T為確定值，測量的精度主要取決于計數(shù)誤差。對于1s 的閘門，

10、77;1 計數(shù)誤差為±1Hz，其相對誤差為（±1/fx）*100%，可見，頻率越大， 相對誤差越小。所以此種方法更適用于測量高頻信號，而非低頻信號。2. 測周期法： 利用被測信號經(jīng)過整形電路的脈沖信號作為閘門觸發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)參考，對標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)閘門寬度剛好是一個被測信號周期Tc時直接從計數(shù)器讀出的數(shù)值（也就是標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖的個數(shù)）就是被測信號的周期值。圖片8 此法的實質(zhì)是在待測信號的一個周期Tc（確定值）內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)時基信號脈沖個數(shù) N,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（T為標(biāo)準(zhǔn)時基周期）： N的絕對誤差為±1，其相對誤差與直接測頻法類似，表示為： 相對誤差隨著被測信號周期T

11、c的增大而降低，故此法適于測低頻（周期大）而不適于測高頻（周期小）的信號。 等精度測頻：等精度測頻方法也是利用閘門對被測信號脈沖計數(shù)，是直接側(cè)頻法的延伸，不過其閘門開啟時間不是確定的值，而是利用了一定方式使得閘門時間始終為待測信號周期的整數(shù)倍，因此，有效避免了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生的±1誤差，不會出現(xiàn)高頻精度高，低頻精度差的現(xiàn)象，達(dá)到了在整個測試頻段的等精度測量。其測頻原理如圖9所示。圖9 等精度測頻原理 圖中的兩個計數(shù)器（相當(dāng)于兩個閘門，分別是被測閘門Nx和標(biāo)準(zhǔn)閘門Ns）同時對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖進(jìn)行計數(shù)。在整個測量過程中，首先給出預(yù)制閘門開啟信號（預(yù)置閘門上升沿），此時兩個計數(shù)器

12、并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，計數(shù)器才真正開始計數(shù)。其測量過程如圖10所示：圖10 信號測量過程 預(yù)置閘門關(guān)閉信號（下降沿）到時，計數(shù)器并不立即停止計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程。從圖8中可以看出，實際閘門時間與預(yù)置閘門時間1并不相等，設(shè)在一次實際閘門時間中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx，對時基信號的計數(shù)值為Ns，被測信號頻率為fx，標(biāo)準(zhǔn)時基頻率為fs，則有： 由于fx計數(shù)的起始和停止時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在閘門時間內(nèi)對fx的計數(shù)Nx無誤差（=NxTx）。若忽略時基信號頻率fs本身的誤差（晶振產(chǎn)生的誤差），此時等精度測頻的主要誤差來源

13、于對標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)的誤差()，相對誤差為：=|Ns|/Ns1/Ns=1/(·fs) (6) 由上式可以看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門開啟時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率fs有關(guān),說明了在整個頻段的測量精度是等同的。三結(jié)語 一般來說，軟件測量結(jié)果是通過對當(dāng)前屏幕顯示的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行運算得來的，通常只能提供4位左右的有效數(shù)字，測量精度也被限制在4位左右。而硬件頻率計則是用硬件電路直接對被測信號邊沿進(jìn)行計數(shù)從而得到精確的頻率結(jié)果，因此硬件頻率計的頻率測量精度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軟件測頻法。 但如果就憑借這樣簡單的推測就認(rèn)為硬件法一定優(yōu)于軟件法也是不確切的，一旦信號中有許多噪聲疊加時，因為

14、其觸發(fā)沒有規(guī)律可言，硬件頻率計的顯示結(jié)果會不斷地跳動，無法捕捉其真實測量結(jié)果。而此時運用軟件法從采集存儲器當(dāng)中截取出來的波形，由于采樣的波形經(jīng)過了濾波，噪聲對其的影響相對較小，測量結(jié)果相對準(zhǔn)確一些。我們可以通過信號源SDG5162設(shè)置一個峰峰值為40mv，頻率為1KHz的小信號，由于其在傳輸過程中疊加了大量的噪聲，所以送顯示波器SDS3034發(fā)現(xiàn)如圖11所示的現(xiàn)象：圖11 幅值為40MV的小信號測量結(jié)果 由圖可以看出，軟件法的測量結(jié)果為1.0000006KHz，而萬用表項中內(nèi)置的硬件頻率計測量結(jié)果為15.483KHz。硬件測量的錯誤結(jié)果是由疊加噪聲的誤觸發(fā)引起的，其圖12所示：圖12 有噪聲干擾和無噪聲干擾的測量對比 從圖中可以看出，噪聲引起的一些毛刺被誤認(rèn)為是信號的上升沿和下降沿，整流時脈沖個數(shù)發(fā)生了變化，從而引起計數(shù)誤差。所以在測量的時候，用戶需要根據(jù)實際情況來選擇合適的測量方式進(jìn)行測量。 目前市面上大多數(shù)頻率計是采用的10位或者12位/秒的頻率分辨率，測量精度較高，測量頻率范圍廣。而示波器測量頻率往往受到其本身帶寬、采樣率等方面的制約，使得它所能