第七节 频率计
现代测量中，频率测量一般不再采用模拟式测量仪表。模拟式测量仪表，如电动系频率表、铁磁电动系频率表（只要变化量在其灵敏度范围内），对输入的每一个变化都有相应的指针偏转角与之对应；而数字式测量仪表的指示同输入量间的关系则是“离散的”，即“不连续的”，输入量的变化在仪器最小的一个单位内时，只有一个输出值与之对应。这是它们的主要区别。数字式测量仪表同模拟式测量仪表相比，有以下优点：
（1）测量精度高
数字式仪表比模拟式仪表的测量精度提高了许多，有的甚至提高了几个数量级，其主要原因是：
①数字显示器件对测量精度没有限制
由于采用数字显示，因而彻底摆脱了模拟式仪表中指针、表头、标尺、刻度盘等表示装置的分辨力和视差对测量精度的影响，并且在技术允许范围内测量单位越小，精度可越高。
②时间（或频率）的数字测量精度高
高速数字电路的发展，使时间—数字的转换精度和分辨率已达1ns。因此，如果其他模拟量能高精度地转换成时间，那么它们也就可能获得高精度的数字测量。
③数字信号不易受噪声和干扰的影响
在数字式仪表中转换、传输、存储、运算等处理的都是数字信号，即脉冲与二进制逻辑电平信号。由于表示数字量“0”和“1”的两种逻辑电平明显地不同，因此在处理过程中不易因外界的某些干扰影响而出错，也不会因元件存在的某些误差而影响精度。
（2）自动化程度高
仪表的数字化是自动化的基础。事实上，在仪表数字化的过程中就伴随着仪表的自动化。数字仪表利用数字电路的各种逻辑功能很容易实现自动重复测量、自动转换极性、自动选择量程、自动调节（如自动调零、自动调节触发电平等）、自动校准、测量结果自动显示、记录、判断等。更重要的是，数字式仪表很容易同计算机结合，特别是在计算机技术高速度发展的今天，这种结合使测量仪器自动化又有了新的飞跃。目前，电子测量仪器的自动化主要体现在微处理器与仪表相结合构成“智能”仪器，以及微型或小型计算机控制的自动测试系统。
（3）测量速度快
数字式仪表实现了测量自动化，不但操作简便，而且大大加快了测量速度。由于数字式测量仪表具有这些优点，所以应用越来越广泛。
一、电子计数器
1.电子计数器的分类
电子计数器测试功能很多，用途甚广，但归纳起来主要有如下三大功能：
（1）对信号次数计数——累加计数。
（2）在已知的标准时间内对未知信号计数——频率测量。
（3）在未知的待测时间内对标准时间信号计数——时间测量。
电子计数器按功能可划分为如下四大类：
（1）通用计数器，是一种具有多种测量功能、多种用途的“万能”计数器。它可测量频率、周期、多周期平均、时间间隔、累加计数、计时等；配上转换器、传感器还可测量其他众多电量和非电量。
（2）频率计数器，是专门用来测量高频和微波频率的计数器，其功能限于测频和计数，测频范围很宽。
（3）时间计数器，是以时间测量为基础的计数器。这类计数器都在不同程度上采用了计算机技术，其测量时分辨力和准确度很高，已达10～12s的量级。
（4）特种计数器，是具有特种功能的计数器，包括可逆计数器、预置计数器、序列计数器、差值计数器等。
2.基本计数测量法
（1）计数法测频率
单位时间内信号周期性变化的次数即为该信号的变化频率，频率的数字测量法就是以此为依据的，其测量原理如图1-30所示。
图1-30 频率测量原理图
测量时被测信号经整形送到受控门（与门）1输入端，但能否送到计数器计数则要看与门是否打开，即与门的另一个输入端2端是否为“1”。显然2端输入为“1”的持续时间就为双稳态触发器某稳态的持续时间，也即计数触发信号——单位时间信号的周期T0。计数器累加计数即是在T0时间内计被测信号周期数。不难看出，若计数器的累计数为N，则被测信号的频率为
fx=N/T0
若T0的单位为s，则被测频率fx的单位就为Hz。单位时间信号周期越长，精度越高，测量的准确度就越高。
（2）计数法测周期
周期测量实际为频率测量的逆过程，即在被测信号的周期Tx内，累计标准时间信号的周期数，其测量原理如图1-31所示。
显然，若计数器累计数为N，则被测周期Tx为
Tx=N×T0
图1-31 周期测量原理
T0所用单位就为被测周期Tx的单位，且标准时间信号周期越短，精度越高，测量的准确度越高。
（3）计数法测相位差
周期与时间差如图1-32所示，相位差测量是基于时间tx的测量进行的，从图中可见，若已知两被测信号的周期Tx、两信号时间差tx，则两信号间的相位差为
未知时间间隔tx的测量原理如图1-33所示。仍是累计标准信号的周期数，但门控双稳转变为“1”态由被测信号UX1触发，而恢复“0”态则由UX2触发，显然受控门打开时间为两信号整形脉冲后沿间隔时间，即tx。若计数器累计数为N，则
tx=N·T
图1-32 周期与时间差示意图
图1-33 计数法测相位差原理图
所以可以说周期测量为相位差测量的一个特例。
二、CN3165型频率计
CN3165型频率计是一种带有微处理器的高精度数字频率计，其测量范围可从1Hz至1000MHz，所测频率和周期的数值通过八位数码显示出来。该频率计具有工作稳定、测量精度高范围广使用方便灵活的特点。
1.技术指标
（1）输入特性
仪表有A、B两个测量端。
①测量端A
频率测量范围：不隔直耦合时为0.1Hz～80MHz；隔直耦合时为30Hz～80MHz。灵敏度：0.1～50Hz、15mV；0.1～80MHz、25mV；50～80MHz、25mV。
动态范围：0.1～50MHz时为15mV～2V，其他为25mV～2V。
耦合方式：AC/DC。
滤波：可选择使用≤100kHz的低通滤波器，此功能仅测量端A有。
输入阻抗：1MΩ∥40pF。
衰减：×1，×20两挡。
触发方式：自动和手动。
触发电平：自动时，为预置值；手动时，为-2.5～+2.5V可调。
最大输入：250V（直流成分加交流成分峰值）。
周期测量范围：10ns～10s。
②测量端B
频率测量范围：50Hz～1GHz。
灵敏度：≤650MHz、20mV；650MHz～1GHz、70mV。
耦合方式：隔直耦合。
输入阻抗：50Ω。
最大允许输入电压：3V。
（2）时间基准
频率：10MHz。
频率偏移率：每月10-6。
温度系数：0℃～40℃，不大于10-5。
精确度：≤5×10-5。
精度误差：≤5×10-5。
线性变化范围：线性电压在±10％变化范围内时≤10-7。
闸门时间：从60ms～10s连续可变，也可是输入信号的一个周期（任意大小）。
（3）显示
①频率：8位LED，0.3s刷新。
②指数：1位LED，0.3s刷新。
③单位：Hz、s。
④符号：“-”。
⑤工作指示：OVFL（溢出）、闸门时间、触发电平。
（4）工作环境
①一般使用范围：15℃～35℃、湿度≤80％。
②适用范围：0℃～50℃、湿度≤85％。
（5）电源
（110±11）V、60Hz或（220±22）V、50Hz。
2.使用方法
（1）面板布置
CN3165型频率计面板布置如图1-34所示，面板上各部件的名称及作用见表1-10。
表1-10 CN3165型频率计面板部件名称及作用
续上表
图1-34 CN3165型频率计面板布置
（2）使用步骤
①电源自检
a.在打开仪器电源前需保证电源电压与仪器要求的电压相符（仪器设定电压标在其背面）。
b.设置所有按钮开关在弹出位置。
c.设置闸门时间在“MIN”位置。
d.置触发电平控制在“AUTO”位置。
e.检查所有的LED显示（数码、小数点、溢出、符号、单位、指数），从00000000至99999999连续检查。
②一般频率（30Hz～20MHz）测量时的自检和测量步骤
a.将电源开关置“ON”位置。
b.按压【FREQ A】【AC/DC】按钮；开关置于“AC”位置。
c.置GATE TIME于“MIN”（≈60ms）。
d.触发电平控制于“AUTO”位置。
e.通过测量电缆将10MHz、1V（峰—峰值）的方波输入至A输入端。
f.查TRIG LED和GATE LED是否频繁闪烁。
g.观察数码发光二极管是否显示10MHz。
h.旋转GATE TIME至中间位置（闸门时间≈1s），检查GATE LED是否每秒闪烁一次。
i.当频率至少以1位数变化时，观察DATA LED的显示分辨率。
j.转GATETIME控制至“MIN”。
k.微调TRIG LEVEL离开“AUTO”位置（接近-2.5V），检查TRIG LED是否在灭灯状态，GATE LED是否也处在灭灯状态，如果触发电平置于不适当的位置，测量将不能正常进行。
l.顺时针旋转TRIG LEVEL至TRIG LED频繁闪烁，检查GATE LED是否同样闪烁，并且测量正在进行，未中断。
m.将检测信号换成被测信号，从数码发光二极管即可读出被测信号频率值。
③低频测量（0.1～30Hz）
a.将TRIG LEVEL置于“AUTO”位置。
b.旋转FILTER/NORMAL开关至FILTER 100kHz位置。
c.按DC/AC开关改置于DC耦合位置。
d.被测信号用输入电缆接至测量端A。
e.从数码发光二极管即可读出被测信号频率值。
④高频测量（20～100MHz）
a.将GATE TIME置于“MIN”。
b.AC/DC开关恢复“AC”位置。
c.置TRIG LEVEL于“AUTO”。
d.FLTER/NORMAL恢复NORMAL位置。
e.把测量信号用测量电缆接至测量端A。
f.从数码发光二极管即可读出被测信号频率值。
注意：测量40～100MHz范围内的频率时采用手动调节触发电平能够得到更好、更准确的测量。
⑤高频测量（100MHz～1GHz）
a.打开电源开关。
b.按压【FREQ B】按钮。
c.被测信号通过测量电缆接至测量端B。
d.置GATE TIME于“MIN”。
e.从数码发光二极管即可读出被测信号频率值。
⑥周期测量（10ns～10s）
a.置电源开关于“ON”位置。
b.按下【PERA】按钮。
c.置GATE TIME于“MIN”。
d.置TRIG LEVEL于“AUTO”。
e.被测信号通过测量电缆接至A输入端。
f.从数码发光二极管即可读出被测信号频率值。