探析頻率的測量技巧

王海梅

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

在電子技術(shù)、電子測量領(lǐng)域，頻率是繼電壓、電流測量之后又一最基本的參數(shù)。按照測量原理，頻率測量可以分為計數(shù)法、有源比較測頻法、無源測頻法。計數(shù)法本質(zhì)也是有源比較測頻，其中最常用、最廣泛使用的是電子計數(shù)器測頻法。常用的有源比較測頻法有示波器法、拍頻法、差頻法。示波器法還可再細(xì)分，有李沙育圖形法和多周期測量法兩種，李沙育圖形法只能測低頻信號，多周期測量法測量準(zhǔn)確度較高。另外，利用Multisim仿真軟件的頻率計也可以實(shí)現(xiàn)頻率測量。每種測量頻率的方法都有對應(yīng)的適用條件和使用注意事項。作為高職電子信息工程技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，熟練使用相應(yīng)儀器和方法，根據(jù)待測對象選擇合適的測頻方案。

1 使用電子計數(shù)器測量頻率

通用電子計數(shù)器測頻依據(jù)是閘門時間等于技術(shù)脈沖周期和閘門開啟時通過的技術(shù)脈沖個數(shù)之積。電子計數(shù)器測頻的性能主要受到量化誤差，即±1誤差和測頻上限的限制，利用多周期同步測量法可以提高測量頻率的性能。多周期同步測量法在計數(shù)器內(nèi)部采取措施，提高測頻的分辨率。

VC2000智能頻率計、NFC-1000C-1多功能頻率計數(shù)器都可以實(shí)現(xiàn)頻率測量。VC2000頻率計是深圳市勝利高電子科技有限公司10Hz-2400MHz的多功能智能化儀器，可測量頻率、脈沖計數(shù)、晶體，并有4檔時間閘門，5檔功能選擇，8位LED高亮度顯示。全部功能是用一個單片微控制器（CPU）來完成的，具有工作狀態(tài)記憶功能、性能穩(wěn)定、功能齊全，是一種高性能、低價位的理想智能數(shù)字化儀器，溫度使用范圍－5℃-50℃。

其中，A端口是50MHz-2400MHz的高頻通道端口，B端口是10Hz-50MHz的低頻通道端口。有0.1s、1s、5.0s、10s共4檔閘門時間。5檔功能選擇分別是：1、2、3檔均為測量頻率（1、2檔測頻單位是MHz，3檔測頻單位是kHz），4檔是累加計數(shù)，5檔是測晶振（由面板晶振插槽插入，測試范圍是3.5MHz-16MHz）。測試前需使儀器預(yù)熱20分鐘，調(diào)整低頻信號發(fā)生器輸出10kHz正弦波，并與VC2000的B輸入端口相連接，頻率測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 頻率測量數(shù)據(jù)

閘門時間選好，按“確定”鍵即可。需要說明的是，電子計數(shù)器測量頻率，考慮計數(shù)器靈敏度的限制，被測信號一般不小于0.2V。由表1可知，閘門時間越長，顯示結(jié)果要等較長時間才顯示，此時顯示精度也越高。NFC-1000C-1是1Hz-1500MHz的多功能智能化儀器，其中A端口是1Hz-100MHz，B端口是100MHz-1500MHz，具有0.01s、0.1s、1s和Hold共4檔閘門時間，其測量頻率操作基本類似于VC2000智能頻率計。

2 借助李沙育圖形法測量頻率

李沙育圖形法要求示波器工作在X-Y方式下，在X、Y軸加入同頻率的兩個正弦信號。李沙育圖形的形狀與輸入的兩個正弦信號的頻率和相位有關(guān)，通過對圖形的分析來確定信號的頻率及兩者的相位差，這種方法稱之為波形合成法[1]。

Y通道輸入被測信號的頻率fy，X通道接入標(biāo)準(zhǔn)信號fx。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號源直到屏幕上出現(xiàn)穩(wěn)定的圖形，圖形的形狀取決于被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率比。通過李沙育圖形引過一條水平線和一條垂直線。這兩條線既不能通過圖形的交點(diǎn)，也不要與圖形相切，應(yīng)使所引的線與圖形的交點(diǎn)最多[2]。根據(jù)

式中，m代表水平引線的交點(diǎn)數(shù)；n為垂直引線的交點(diǎn)數(shù)。

用示波器可以觀察李沙育圖形。測量時，示波器的觸發(fā)源方式選擇為“外”，即“EXT”，測試連接電路如圖1所示。頻率相同但相位差不同，則觀測到的李沙育圖形不同，當(dāng)相位差φ=45°、135°時對應(yīng)顯示一三象限斜橢圓、二四象限斜橢圓，φ=90°時是以坐標(biāo)軸中心為圓點(diǎn)的圓，φ=0°（360°）、180°時分別顯示一三象限直線、二四象限直線。

圖1 李沙育圖形法測頻連接圖

3 利用Multisim仿真測量頻率

Multisim是美國NI公司推出的一款專門非常優(yōu)秀的專門用于電子電路設(shè)計與仿真的軟件。它界面直觀、操作方便，彌補(bǔ)經(jīng)費(fèi)不足帶來的實(shí)驗(yàn)儀器、元器件缺乏，而且排除了原材料損耗和儀器損壞等因素[1]。借助Multisim10.1軟件仿真RC正弦波振蕩器電路，說明如何利用頻率計實(shí)現(xiàn)測量頻率。

振蕩電路是將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量，不需要輸入交流信號就可以輸出正弦波信號。實(shí)際的RC正弦波振蕩器中的放大器一般選用集成運(yùn)算放大器，采用非線性元件（熱敏電阻或二極管）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅[3]。RC文氏橋式正弦波振蕩器電路如圖2所示，主要由三部分構(gòu)成：一是放大電路：由集成運(yùn)放μA741、R1、R5、R4（V1、V2）構(gòu)成；二是正反饋和選頻：R3、C2、R2、C1構(gòu)成的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完成；三是穩(wěn)幅電路：V1、V2、R4并聯(lián)構(gòu)成。電位器R5用來調(diào)節(jié)放大器的閉環(huán)增益，使得電路滿足振蕩條件以實(shí)現(xiàn)起振，±12V雙電源供電。當(dāng)起振時，振幅較小，流過二極管的電流較小，二極管的等效電阻比較大，放大器增益較高，有利于起振。隨著振幅增長，流過二極管的電流增大，二極管的等效電阻減小，使放大器增益自動減小，實(shí)現(xiàn)利用二極管的非線性自動穩(wěn)幅[4]。分析可知，振蕩頻率取決于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，振蕩頻率計算公式為

圖2中，R=8.2kΩ，C=10nF，理論計算振蕩頻率是1.941kHz。

圖2 利用Multisim仿真RC正弦波振蕩器

搭接好仿真電路，可以用B通道監(jiān)測反饋回路波形變化情況。調(diào)節(jié)示波器時間軸比例為1ms/Div，通道A比例為1V/Div，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，可以看到起振過程和平衡過程現(xiàn)象，改變電路相應(yīng)參數(shù)，對振蕩器的反饋系數(shù)、放大倍數(shù)都產(chǎn)生影響。綜合調(diào)節(jié)使振蕩器輸出不失真的正弦波振蕩波形，如圖3（a）所示，同時設(shè)置頻率計靈敏度為3mV，頻率計顯示電路的振蕩頻率是1.883kHz，如圖3（b）所示。仿真結(jié)果和理論計算基本一致。

圖3 RC正弦波振蕩器仿真結(jié)果

需要強(qiáng)調(diào)的是，利用Multisim軟件，若要求得較高精度頻率，可借助仿真界面上“記錄儀/分析列表”“Show/HideCursors”兩個菜單進(jìn)行分析[5]。要想使誤差盡可能減小，可以采用多次求平均值方法實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過以上分析，我們明確了頻率測量的常見方法和技巧，對電子計數(shù)器法、李沙育圖形法、Multisim仿真法測量頻率有了清晰的理解和認(rèn)識。只有多動手操作、善于觀察，勤于分析，才能進(jìn)一步鞏固和熟練應(yīng)用以上方法。高職電子測量課程誤差分析不可缺少，同等情況下首先選擇測量誤差小的方法。另外，作為新時代的年輕人，更要發(fā)揚(yáng)和傳承求真務(wù)實(shí)、精益求精、勇于創(chuàng)新的工匠精神，練就扎實(shí)的知識和技能基礎(chǔ)，堅持德智體美勞全面發(fā)展，在不懈奮斗中綻放青春絢麗之花，為使我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國而貢獻(xiàn)自己的力量和智慧。