無論是傳統(tǒng)的模擬示波器還是現代的數字示波器，測量信號頻率的功能從產品誕生之日起就具備了。早期的模擬示波器，測頻過程需要工程師手動調節(jié)水平時基、觸發(fā)等功能使得屏幕上呈現出1~2個周期的穩(wěn)定波形后，通過觀察該信號一個周期內占據的水平格數，再參考水平時基估算出信號周期，最終得到頻率。

近些年隨著數字示波器在測量技術在精度、速度以及使用便捷性等諸多方面突飛猛進的發(fā)展，示波器能夠自動且快速地完成信號頻率測量，并呈現到屏幕上，方便工程師進行讀取。但是在使用示波器進行頻率測量時，常遇到這樣的問題：

1、頻率的測量結果是對采樣后的數據經過計算一個周期的時間得到的。由于不同的水平時基對應不同的采樣率，導致采樣點間隔時間不同，因此會影響測量精度。

2、工程師在實際測量一個很穩(wěn)定的信號頻率時，測量結果的后幾位小數點會有隨機性的變化，這也是測量精度不高的表現。

那有沒有一種方法能夠使測量結果的精度很高，又能夠不受示波器采樣率變化的影響呢？

有！今天來給大家介紹示波器的頻率計功能。

頻率計

頻率計是一種用作測量信號周期、頻率特征的功能單元或獨立儀器，相對于示波器的通用測量功能，它具有測量精度高、測量精度不隨水平時基擋位變化的優(yōu)點，在高精度頻率測量的場景應用中發(fā)揮著重要的作用。

RIGOL旗下的多個系列示波器都集成了頻率計功能，但測量精度都停留在6位有效位數。為了滿足客戶更嚴苛的測量場景，RIGOL最新推的DS70000 示波器將頻率測量精度提升到了8位有效位數，確保在滿足帶寬內的所有周期性信號的頻率都能被準確測量。

頻率計實現原理

示波器的工作過程可分為信號輸入、垂直系統(tǒng)（信號幅度調理）、采樣（模擬信號數字化）、頻率計算和結果顯示等幾部分，如下圖所示。

其中信號輸入、垂直系統(tǒng)、采樣屬于通用數字示波器的功能，頻率計算是通過直接對ADC采樣得到的原始數據進行處理和分析，得到信號頻率。依托具有高速ADC采樣功能的示波器，頻率計可以很輕松的獲得具有高時間分辨率（最高可達到ADC的采樣間隔時間）的采樣點，從而得到高精度的測量結果。

頻率計算過程分為以下兩個步驟：

1、邊沿判斷

示波器對周期性模擬信號進行采樣量化后的數據與一個用戶設置的“比較電平"進行比較，從低到高跨過此電平的跳變?yōu)椤吧仙?，從高到低跨過此電平的跳變?yōu)椤跋陆笛?。兩個上升沿（或兩個下降沿）之間的時間間隔為當前被測信號的一個周期。

正確識別信號中的邊沿是頻率計能夠得到正確結果的前提和關鍵。在實際應用場景中，真實的信號往往自帶一些噪聲，如果不對這些噪聲進行處理，就會造成邊沿的錯誤判斷，影響最終的測量結果。如下圖所示，圓圈標記的位置因為一個毛刺的存在導致了在該位置出現了兩個上升沿。

解決上述問題的方法，就是在原有比較器的基礎上再增加一個比較電平，只有同時跨過兩個比較電平的跳變才被判定為“有效沿"。兩個比較電平之間的區(qū)域為“遲滯區(qū)間"，區(qū)間越大對噪聲的抑制能力越強，反之則越小，這也是大家在觸發(fā)系統(tǒng)中經常聽到的觸發(fā)靈敏度的概念。RIGOL所有系列的數字示波器都支持噪聲抑制功能，用戶可根據實際情況決定是否使用。

2、統(tǒng)計/計算

測頻法

一段時間內，被測信號有效信號周期個數為，這段時間內被測信號上升沿（或下降沿）的個數減1。用這段時間除以周期個數可以得到信號一個周期的時間，從而得到信號頻率。這“一段時間"我們稱之為“閘門時間"。通常情況下，閘門時間內并不能包含整數個信號周期，簡單進行除法計算會存在較大的誤差。在實際計算過程中，還需要將閘門時間內的起始時間和結束時間去掉，僅用整數倍信號周期的時間進行計算。

如下圖所示，設閘門時間為Tg（9個參考時鐘），閘門時間內上升沿的個數為N（3個），閘門使能時刻到第一個被測信號的上升沿時間為Ts（1個參考時鐘），閘門結束時刻距離最后一個被測信號的上升沿時間為Te（1個參考時鐘）。

信號周期Tc的計算公式為：Tc= (Tg – Ts – Te)/(N-1)

頻率F的計算公式為：F = 1/Tc

測周法

直接測量被測信號的一個周期的時間，叫做測周法。測周法沒有閘門時間的概念，系統(tǒng)僅需要測量兩個上升沿之間的時間直接得到信號的周期，再通過取倒數得到信號的頻率。如下圖所示，可直接得到被測信號的周期Tc。

頻率F的計算公式為:Fs =1/Tc

無論是測頻法還是測周法都需要有一個參考時鐘，它保證了測量結果的精度。測量不同頻率的信號、選擇不同擋位的時基，都不會影響和改變頻率計的測量精度，這就是等精度頻率計。

通常高頻信號適合采用測頻法，低頻信號適合采用測周法。在實際應用中用戶不需要關心到底應該采用哪種測量方法，系統(tǒng)會根據被測信號的頻率特性自動選擇合適的測量方法。

頻率計的性能指標

有效位數

有效位數是指從測量結果的左起第一個非0后的所有位數。

DS70000系列示波器超高的20GSa/s采樣速率實現了采樣點間隔時間分辨率小至50Ps，其內部集成的頻率計依托更小的ΔT誤差和更精確的測量算法，使得測量結果達到了8位有效位數的精度。在實際應用中用戶可以根據實際情況在3bits~8bits有效位數范圍內自由設置。

測量時間

測量時間是指能夠重新獲取一次有效測量結果所需要的時間。

對于測頻法，測量時間等效于閘門時間。DS70000系列示波器能夠在1s內的測量時間提供最大8位有效位數的結果，兼顧了測量速度和測量精度。

對于測周法，測量時間取決于被測信號的周期，被測信號的周期越大測量時間越長，比如測量一個0.1Hz信號，測量時間為10s。

測量誤差

測量誤差主要來自數字量化誤差、邊沿誤判導致的誤差、參考時鐘精度導致的誤差等。

頻率計的統(tǒng)計功能

DS70000系列示波器的頻率計還集成了統(tǒng)計功能，統(tǒng)計結果包括自測量功能開啟后測量結果中的最大值、最小值和平均值。用戶通過觀察統(tǒng)計結果可以清晰地知道在測量的這段時間內測量結果是否存在過大、過小等異常問題。

頻率計的統(tǒng)計功能

如何使用頻率計

正確使用頻率計功能能夠讓您快速、準確地獲取結果，下面以DS70000為例，介紹一下該如何使用示波器的頻率計功能。

總結

RIGOL 自主研發(fā)的DS70000 系列數字示波器，依賴于RIGOL工程師潛心十年打造的UltraVisonIII 硬件平臺，搭載著自主研制的“鳳凰座"芯片組，實現了20GSa/s超高采樣率；依托該平臺輕松實現了高達8位有效位數的高精度頻率計。DS70000系列數字示波器多種人性化的設計，相信一定會為您帶來超高品質的體驗。

DS70000系列數字示波器

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