頻率是信號(hào)最核心的特征之一，但工程師常有這種困惑：為什么硬件頻率計(jì)和示波器頻率測(cè)量結(jié)果不同呢？哪個(gè)數(shù)據(jù)才更精確呢？來(lái)聽(tīng)聽(tīng)資深硬件工程師的原理剖析分享。
一、頻率測(cè)量原理
所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間(秒)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)計(jì)數(shù)，計(jì)得某周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則該信號(hào)的頻率可表達(dá)為：
f = N / T
所以測(cè)量頻率就要分別知道N和T的值，由此，測(cè)量頻率的方法一般有三種：測(cè)頻算法、測(cè)周算法以及等精度測(cè)量。ZDS示波器主要用到了測(cè)頻算法和測(cè)周算法，下面將介紹這兩種方法原理。
1、測(cè)頻算法
這種方法即已知時(shí)基信號(hào)（頻率或周期確定）做門控信號(hào)，T為已知量，然后在門控信號(hào)有效的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行輸入脈沖的計(jì)數(shù)，原理如圖1所示：
圖1 測(cè)頻原理
假設(shè)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的重復(fù)周期為1S，加到閘門的門控信號(hào)作用時(shí)間T亦準(zhǔn)確地等于1S，即閘門的開(kāi)通時(shí)間為1S。在這一段時(shí)間內(nèi)，若計(jì)數(shù)器計(jì)得N=100000個(gè)數(shù)，根據(jù)公式f = N / T，那么被測(cè)頻率就是100000Hz。
測(cè)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(cè)頻模式下的相對(duì)頻偏誤差為：
可以看到，隨著頻率的升高，相對(duì)頻偏誤差會(huì)不斷減小，因此測(cè)頻算法適用于測(cè)高頻信號(hào)。
2、測(cè)周算法
測(cè)周算法即：被測(cè)信號(hào)（頻率或周期待測(cè)）做門控信號(hào)，T為未知量，做門控信號(hào)T，然后在門控信號(hào)有效的時(shí)間段內(nèi)對(duì)時(shí)基信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)，原理如圖2所示：
圖2 測(cè)周原理
被測(cè)信號(hào)的周期T，時(shí)基信號(hào)的頻率Fclk，計(jì)數(shù)值N有如下關(guān)系：
從而得出被測(cè)信號(hào)的頻率f為：
測(cè)周模式下的相對(duì)頻偏誤差為：
Fclk/f一般遠(yuǎn)大于1，所以上面公式等價(jià)于：
隨著頻率的降低，相對(duì)頻偏誤差會(huì)不斷減小，因此測(cè)周模式適用于測(cè)低頻信號(hào)。
二、ZDS示波器頻率計(jì)架構(gòu)分析
ZDS示波器的頻率計(jì)分為硬件頻率計(jì)和參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)，它們?cè)谙到y(tǒng)中所處的位置如圖3所示：
圖3 頻率計(jì)在示波器系統(tǒng)中所處的位置
硬件頻率計(jì)是基于存儲(chǔ)之前的信號(hào)進(jìn)行的測(cè)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(jì)內(nèi)部會(huì)根據(jù)外部輸入信號(hào)的頻率自動(dòng)選擇測(cè)頻或測(cè)周算法。只要通道有信號(hào)輸入，并且信號(hào)幅值不會(huì)太小，硬件頻率計(jì)都可以將其頻率測(cè)量出來(lái)。
參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)是基于存儲(chǔ)之后的波形信號(hào)進(jìn)行的測(cè)量，受限于觸發(fā)，受限于屏幕是否有波形，因?yàn)槭静ㄆ鞯臏y(cè)量功能只對(duì)屏幕內(nèi)的波形進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，所以當(dāng)屏幕上出現(xiàn)的波形不足一個(gè)周期時(shí)，頻率信息便不會(huì)獲得。參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)是基于測(cè)周算法，先得出信號(hào)周期，然后將周期換算成頻率。
三、頻率計(jì)差別的實(shí)例分析
下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，硬件頻率計(jì)和參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)之間的差別。如圖4所示，CH1輸入一個(gè)1M的正弦波信號(hào)，然后同時(shí)打開(kāi)硬件頻率計(jì)和參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)右上角的硬件頻率計(jì)正確測(cè)出信號(hào)頻率，但是左下角的參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)并沒(méi)有測(cè)出信號(hào)頻率。造成這種差異的主要原因，參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)是基于屏幕波形的，參數(shù)測(cè)量中周期定義為兩個(gè)鄰近上升沿之間的時(shí)間，下面波形由于沒(méi)有出現(xiàn)2個(gè)鄰近的上升沿，導(dǎo)致測(cè)不到周期，進(jìn)而導(dǎo)致頻率測(cè)量不出來(lái)。
圖4 硬件頻率計(jì)和參數(shù)測(cè)量頻率計(jì)之間的差別
四、總結(jié)
利用示波器測(cè)信號(hào)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(cè)量原理，并介紹硬件頻率計(jì)和參數(shù)測(cè)量中的頻率計(jì)的差異，通過(guò)此文可以加深對(duì)ZDS示波器頻率計(jì)的認(rèn)識(shí)和理解。
