干货分享—频率计数器指南

频率计数器能够精确测量波形为正弦波、方波、三角波、锯齿波或其他规则重复模式的信号的频率。这些仪器既可以测量模拟信号的频率和定时特性，也能测量数字信号的频率和定时特性。

你需要频率计数器吗？频率计数器与示波器及其他设备的比较

示波器、频谱分析仪和频率计（比如老式模拟指针式仪表）等其他仪器也可以测量频率。然而，频率计数器的优秀之处在于其很高的精度和准确性。其他仪器通过软件从数字化数据中测量频率和其他特性，而频率计数器则使用精心设计的硬件电路直接在输入信号上精确测量这些参数。此外，在选择仪器时，请记住以下几点：

• 频率计数器即使在高达GHz的频率下，仍能提供高精度和高分辨率的测量结果。

• 对于连续波信号，频率计数器的测量效果更佳；而基于软件的测量方法对脉冲信号的测量效果更好。

• 频率计数器可以可靠地用于长期频率测量。

• 与示波器或频谱分析仪相比，频率计数器使用起来更简单、更快捷。

根据功能划分的频率计数器类型

主要的分类方法是根据目标行业和功能进行划分。

1. 通用计数器：许多客户更倾向于选择一体化的通用计数器，而不是单纯的频率计数器，因为它除了支持频率测量外，还具备常见的辅助测量功能，如信号定时测量。它通常可以测量：

• 频率：指单位时间内完成的完整周期数。

• 周期：指信号完整周期的时间间隔。

• 频率比：用于测量两个输入信号的频率比。

• 时间间隔：测量两个输入信号事件之间的时间延迟。

• 时间间隔误差：测量相对于预期或理想值的定时变化。

• 脉冲宽度：测量脉冲所持续的时间，通常指数字信号高电平的持续时间。

• 上升和下降时间：指数字信号从低电平状态转换到高电平状态以及从高电平状态转换回低电平状态所需的时间。

• 相位角：测量两个输入信号之间的相位差。

• 占空比：指信号（通常是方波）在一个完整周期内处于高电平的百分比。

• 电压：报告信号的最大、最小和峰峰值电压。

• 信号功率：部分通用计数器内置功率计，可报告信号功率。

此外，这些仪器还支持更高级的统计和分析功能，例如：

（1）绘制直方图，以查看频率测量值的分布情况，检测稳定性或噪声问题。

（2）绘制频率趋势图，检测频率漂移等问题。

（3）统计频率测量值，检测信号抖动。

（4）对频率读数进行累计计量。

（5）计算阿伦偏差，用于衡量频率稳定性。

2. 射频计数器：射频（RF）计数器，也称为微波频率计数器，在射频工程中应用广泛。其可测量的频率范围从几千赫兹（kHz）到几百兆赫兹（MHz），甚至高达几十吉赫兹（GHz）。例如，是德科技（Keysight）53230A 通用计数器 / 定时器基础型号的测量上限为 350MHz，而高级型号的测量上限可达 15GHz。由于数字电路元件（如触发器）的速度太慢，无法跟上 GHz 频段无线电信号的高速转换，因此射频计数器的构造有所不同。所以，射频计数器会使用预分频器或其他降频组件，先将输入信号的频率降低到 MHz 范围。

3. 计数定时器：这类计数器也被称为时间间隔分析仪，是为精确测量时间间隔而优化设计的。

4. 调制域计数器：这类计数器专门用于分析调制信号，在调制信号中，载波信号是周期性的，但这种周期性模式会被频率调制方案所掩盖。

根据外形划分的频率计数器类型

频率计数器还可以根据外形和接口分为：

• 台式仪器

• 手持式仪器

• 模块化测试设备的硬件模块

• ASIC的嵌入式模块

• FPGA中的逻辑模块

在任何需要进行高精度频率和定时测量的地方，都会用到不同类型的频率计数器，以下这些行业便是如此。

• 电子元件制造：精确的频率和定时测量对于振荡器、锁相环、时钟模块、模数转换器、定时器电路、分频器等多种电子元件的质量控制至关重要。在这些行业中，频率计数器被用作测试设备。

• 国防：射频计数器用于关键雷达和声纳系统的质量控制。

• 全球导航卫星系统（GNSS）：像全球定位系统这样的 GNSS 卫星星座，在很大程度上依赖于精确的定时和频率特性。

• 电信系统：同样，在 5G 基站等无线通信设备中，频率计数器用于实现精确的定时和频率特性。

频率是指单位时间内信号完成的完整周期数。频率测量方法主要有两种。

• 直接频率测量技术：第一种方法称为直接频率测量技术，它只需在一个固定的时间间隔（称为闸门时间）内对完成的周期数进行计数。其工作原理如下：一个称为时基的高精度时钟负责选通，即测量在固定闸门时间间隔内完成的周期数。然后，它将测量到的周期数除以闸门时间，从而得出频率。这种方法存在一些明显的缺点：闸门时间不一定与信号周期重合，这可能导致周期数测量不准确；对于低频信号，每个周期可能持续较长时间，计数器需要设置较长的闸门时间才能准确测量周期数。

• 倒数测量技术：另一种更好的方法是倒数测量技术。与直接频率测量技术不同，倒数测量技术不是在固定闸门时间内对完成的周期数进行计数，而是等待固定（内部配置）数量的周期完成，然后使用高精度的内部或外部时基精确测量完成这些周期所需的时间，这个时间就是闸门时间。最后，它通过将周期数除以测量得到的闸门时间来计算频率，之所以称为倒数测量技术，是因为它先测量每个周期的时间，然后取其倒数来计算频率。倒数测量技术的优点包括：无论输入频率是赫兹还是吉赫兹，都能获得相同位数的频率分辨率；在极低和很高频率下都具有很高的准确性。不过，采用倒数测量技术的频率计数器制造成本更高。

频率计数器的高精度得益于其组成组件，具体如下。

1. 精密时基：时基是一个内部时钟和选通电路，用于根据测量技术精确测量周期或定时。它通常是以下晶体振荡器电路之一：

   
   

• 室温晶体振荡器：使用简单的石英晶体，在常温下能保持相当稳定的频率，适用于非关键用途。

• 温度补偿晶体振荡器：通过补偿因工作条件或环境变化导致的温度波动，能够保持稳定的频率。

• 恒温控制晶体振荡器（OCXO）：也称为高稳定性恒温时基，这种振荡器被放置在一个小型恒温箱内，通过保持恒定的温度来实现很高的稳定性和准确性。时基容易受到老化和温度效应导致的时基误差影响。为了长期保持最高的稳定性和准确性，必须进行细致的维护和定期校准。

2. 输入放大器、衰减器和预分频器：这些组件用于调整输入信号，使其与计数器电路相匹配。它们可以放大微弱信号、衰减强信号、阻挡高频噪声，并实现阻抗匹配。射频计数器必须确保将高输入信号频率降低，以便下游数字电路能够跟上信号的转换速度。因此，它们会使用高速预分频器、传输振荡器或外差式转换器。

3. 触发或比较器电路：触发电路用于精确确定输入波形每个周期的起始和结束时刻。

4. 计数电路：实际的周期计数和时间测量就在这个电路中进行。它由数字逻辑电路组成，包含触发器和与非门等组件，每当输入信号超过触发电平时，这些组件就会被激活。

5. 微处理器：微处理器用于控制频率计数器的操作、存储和传输数据、进行统计分析及其他分析，以及与用户或其他设备进行通信。

6. 电源：频率计数器使用的是高品质电源，其纹波和噪声极低。

7. 接口电路和与其他设备的外部接口：大多数现代频率计数器可以通过以下输入 / 输出接口与个人计算机和自动化测试设备连接：

   
   

• 通用接口总线（GPIB）：这是一种用于将可编程仪器连接到计算机的硬件和数据交换标准，它包含可编程仪器标准命令（SCPI），该标准为每类仪器规定了一组命令和语义。

• 通用串行总线（USB）：频率计数器可以将测量数据传输到 USB 存储设备。

• RS - 232：这种串行总线可用于以自定义二进制格式将数据传输到计算机。

• 仪器 LAN 扩展（LXI - C）：这是一种基于以太网的 SCPI 协议，支持通过浏览器对仪器进行控制。

8. 显示电路：如果频率计数器是独立式仪器，通常会配备液晶显示器（LCD）和显示电路，用于显示测量结果、分析结果以及直方图等图形输出。

在选择频率计数器时，需要关注以下关键规格：

• 输入通道数量

• 每个通道的频率范围和最大频率

• 频率分辨率，以数字位数表示频率测量的精度

• 时间分辨率，指单次测量中可测量的两个事件之间的最小时间差，通常以纳秒或皮秒为单位

• 相位分辨率，以度为单位

• 时基误差、时基老化系数（以每年ppm或ppb为单位）以及时基不确定度

• 数据传输到外部接口的速率

实现高精度和准确性的技巧

遵循以下技巧，可使用频率计数器进行精确测量：

• 避免使用自动触发模式，因为该模式的准确性很低。使用外部触发、时间触发或数字触发等其他触发模式，可以提高时间分辨率和系统不确定度，从而降低整体测量误差。

• 始终保持时基通电，使其处于预热状态。与定期断电相比，这样可以将年老化率提高一个数量级。

• 尽可能使用优秀的时基。高稳定性恒温时基无需频繁校准，对于稳定性较差的时基，建议定期校准。

• 尤其在信号存在噪声的情况下，要注意触发电平和触发电平定时误差。

• 将所有时基锁定到同一个时钟，以避免因独立时基导致的信号抖动。

• 设置触发电平，使其在信号斜率最大的点与信号相交，以尽量缩短触发条件的响应时间。

• 不要将触发带宽设置得过窄，以免噪声被误判为过零信号。

我们在接下来介绍的频率计数器产品中采用了上述所有措施。