干貨分享—頻率計數器指南

頻率計數器能夠精確測量波形為正弦波、方波、三角波、鋸齒波或其他規則重復模式的信號的頻率。這些儀器既可以測量模擬信號的頻率和定時特性，也能測量數字信號的頻率和定時特性。

你需要頻率計數器嗎？頻率計數器與示波器及其他設備的比較

示波器、頻譜分析儀和頻率計（比如老式模擬指針式儀表）等其他儀器也可以測量頻率。然而，頻率計數器的優秀之處在于其很高的精度和準確性。其他儀器通過軟件從數字化數據中測量頻率和其他特性，而頻率計數器則使用精心設計的硬件電路直接在輸入信號上精確測量這些參數。此外，在選擇儀器時，請記住以下幾點：

• 頻率計數器即使在高達GHz的頻率下，仍能提供高精度和高分辨率的測量結果。

• 對于連續波信號，頻率計數器的測量效果更佳；而基于軟件的測量方法對脈沖信號的測量效果更好。

• 頻率計數器可以可靠地用于長期頻率測量。

• 與示波器或頻譜分析儀相比，頻率計數器使用起來更簡單、更快捷。

根據功能劃分的頻率計數器類型

主要的分類方法是根據目標行業和功能進行劃分。

1. 通用計數器：許多客戶更傾向于選擇一體化的通用計數器，而不是單純的頻率計數器，因為它除了支持頻率測量外，還具備常見的輔助測量功能，如信號定時測量。它通常可以測量：

• 頻率：指單位時間內完成的完整周期數。

• 周期：指信號完整周期的時間間隔。

• 頻率比：用于測量兩個輸入信號的頻率比。

• 時間間隔：測量兩個輸入信號事件之間的時間延遲。

• 時間間隔誤差：測量相對于預期或理想值的定時變化。

• 脈沖寬度：測量脈沖所持續的時間，通常指數字信號高電平的持續時間。

• 上升和下降時間：指數字信號從低電平狀態轉換到高電平狀態以及從高電平狀態轉換回低電平狀態所需的時間。

• 相位角：測量兩個輸入信號之間的相位差。

• 占空比：指信號（通常是方波）在一個完整周期內處于高電平的百分比。

• 電壓：報告信號的最大、最小和峰峰值電壓。

• 信號功率：部分通用計數器內置功率計，可報告信號功率。

此外，這些儀器還支持更高級的統計和分析功能，例如：

（1）繪制直方圖，以查看頻率測量值的分布情況，檢測穩定性或噪聲問題。

（2）繪制頻率趨勢圖，檢測頻率漂移等問題。

（3）統計頻率測量值，檢測信號抖動。

（4）對頻率讀數進行累計計量。

（5）計算阿倫偏差，用于衡量頻率穩定性。

2. 射頻計數器：射頻（RF）計數器，也稱為微波頻率計數器，在射頻工程中應用廣泛。其可測量的頻率范圍從幾千赫茲（kHz）到幾百兆赫茲（MHz），甚至高達幾十吉赫茲（GHz）。例如，是德科技（Keysight）53230A 通用計數器 / 定時器基礎型號的測量上限為 350MHz，而高級型號的測量上限可達 15GHz。由于數字電路元件（如觸發器）的速度太慢，無法跟上 GHz 頻段無線電信號的高速轉換，因此射頻計數器的構造有所不同。所以，射頻計數器會使用預分頻器或其他降頻組件，先將輸入信號的頻率降低到 MHz 范圍。

3. 計數定時器：這類計數器也被稱為時間間隔分析儀，是為精確測量時間間隔而優化設計的。

4. 調制域計數器：這類計數器專門用于分析調制信號，在調制信號中，載波信號是周期性的，但這種周期性模式會被頻率調制方案所掩蓋。

根據外形劃分的頻率計數器類型

頻率計數器還可以根據外形和接口分為：

• 臺式儀器

• 手持式儀器

• 模塊化測試設備的硬件模塊

• ASIC的嵌入式模塊

• FPGA中的邏輯模塊

在任何需要進行高精度頻率和定時測量的地方，都會用到不同類型的頻率計數器，以下這些行業便是如此。

• 電子元件制造：精確的頻率和定時測量對于振蕩器、鎖相環、時鐘模塊、模數轉換器、定時器電路、分頻器等多種電子元件的質量控制至關重要。在這些行業中，頻率計數器被用作測試設備。

• 國防：射頻計數器用于關鍵雷達和聲納系統的質量控制。

• 全球導航衛星系統（GNSS）：像全球定位系統這樣的 GNSS 衛星星座，在很大程度上依賴于精確的定時和頻率特性。

• 電信系統：同樣，在 5G 基站等無線通信設備中，頻率計數器用于實現精確的定時和頻率特性。

頻率是指單位時間內信號完成的完整周期數。頻率測量方法主要有兩種。

• 直接頻率測量技術：第一種方法稱為直接頻率測量技術，它只需在一個固定的時間間隔（稱為閘門時間）內對完成的周期數進行計數。其工作原理如下：一個稱為時基的高精度時鐘負責選通，即測量在固定閘門時間間隔內完成的周期數。然后，它將測量到的周期數除以閘門時間，從而得出頻率。這種方法存在一些明顯的缺點：閘門時間不一定與信號周期重合，這可能導致周期數測量不準確；對于低頻信號，每個周期可能持續較長時間，計數器需要設置較長的閘門時間才能準確測量周期數。

• 倒數測量技術：另一種更好的方法是倒數測量技術。與直接頻率測量技術不同，倒數測量技術不是在固定閘門時間內對完成的周期數進行計數，而是等待固定（內部配置）數量的周期完成，然后使用高精度的內部或外部時基精確測量完成這些周期所需的時間，這個時間就是閘門時間。最后，它通過將周期數除以測量得到的閘門時間來計算頻率，之所以稱為倒數測量技術，是因為它先測量每個周期的時間，然后取其倒數來計算頻率。倒數測量技術的優點包括：無論輸入頻率是赫茲還是吉赫茲，都能獲得相同位數的頻率分辨率；在極低和很高頻率下都具有很高的準確性。不過，采用倒數測量技術的頻率計數器制造成本更高。

頻率計數器的高精度得益于其組成組件，具體如下。

1. 精密時基：時基是一個內部時鐘和選通電路，用于根據測量技術精確測量周期或定時。它通常是以下晶體振蕩器電路之一：

   
   

• 室溫晶體振蕩器：使用簡單的石英晶體，在常溫下能保持相當穩定的頻率，適用于非關鍵用途。

• 溫度補償晶體振蕩器：通過補償因工作條件或環境變化導致的溫度波動，能夠保持穩定的頻率。

• 恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）：也稱為高穩定性恒溫時基，這種振蕩器被放置在一個小型恒溫箱內，通過保持恒定的溫度來實現很高的穩定性和準確性。時基容易受到老化和溫度效應導致的時基誤差影響。為了長期保持最高的穩定性和準確性，必須進行細致的維護和定期校準。

2. 輸入放大器、衰減器和預分頻器：這些組件用于調整輸入信號，使其與計數器電路相匹配。它們可以放大微弱信號、衰減強信號、阻擋高頻噪聲，并實現阻抗匹配。射頻計數器必須確保將高輸入信號頻率降低，以便下游數字電路能夠跟上信號的轉換速度。因此，它們會使用高速預分頻器、傳輸振蕩器或外差式轉換器。

3. 觸發或比較器電路：觸發電路用于精確確定輸入波形每個周期的起始和結束時刻。

4. 計數電路：實際的周期計數和時間測量就在這個電路中進行。它由數字邏輯電路組成，包含觸發器和與非門等組件，每當輸入信號超過觸發電平時，這些組件就會被激活。

5. 微處理器：微處理器用于控制頻率計數器的操作、存儲和傳輸數據、進行統計分析及其他分析，以及與用戶或其他設備進行通信。

6. 電源：頻率計數器使用的是高品質電源，其紋波和噪聲極低。

7. 接口電路和與其他設備的外部接口：大多數現代頻率計數器可以通過以下輸入 / 輸出接口與個人計算機和自動化測試設備連接：

   
   

• 通用接口總線（GPIB）：這是一種用于將可編程儀器連接到計算機的硬件和數據交換標準，它包含可編程儀器標準命令（SCPI），該標準為每類儀器規定了一組命令和語義。

• 通用串行總線（USB）：頻率計數器可以將測量數據傳輸到 USB 存儲設備。

• RS - 232：這種串行總線可用于以自定義二進制格式將數據傳輸到計算機。

• 儀器 LAN 擴展（LXI - C）：這是一種基于以太網的 SCPI 協議，支持通過瀏覽器對儀器進行控制。

8. 顯示電路：如果頻率計數器是獨立式儀器，通常會配備液晶顯示器（LCD）和顯示電路，用于顯示測量結果、分析結果以及直方圖等圖形輸出。

在選擇頻率計數器時，需要關注以下關鍵規格：

• 輸入通道數量

• 每個通道的頻率范圍和最大頻率

• 頻率分辨率，以數字位數表示頻率測量的精度

• 時間分辨率，指單次測量中可測量的兩個事件之間的最小時間差，通常以納秒或皮秒為單位

• 相位分辨率，以度為單位

• 時基誤差、時基老化系數（以每年ppm或ppb為單位）以及時基不確定度

• 數據傳輸到外部接口的速率

實現高精度和準確性的技巧

遵循以下技巧，可使用頻率計數器進行精確測量：

• 避免使用自動觸發模式，因為該模式的準確性很低。使用外部觸發、時間觸發或數字觸發等其他觸發模式，可以提高時間分辨率和系統不確定度，從而降低整體測量誤差。

• 始終保持時基通電，使其處于預熱狀態。與定期斷電相比，這樣可以將年老化率提高一個數量級。

• 盡可能使用優秀的時基。高穩定性恒溫時基無需頻繁校準，對于穩定性較差的時基，建議定期校準。

• 尤其在信號存在噪聲的情況下，要注意觸發電平和觸發電平定時誤差。

• 將所有時基鎖定到同一個時鐘，以避免因獨立時基導致的信號抖動。

• 設置觸發電平，使其在信號斜率最大的點與信號相交，以盡量縮短觸發條件的響應時間。

• 不要將觸發帶寬設置得過窄，以免噪聲被誤判為過零信號。

我們在接下來介紹的頻率計數器產品中采用了上述所有措施。