探析頻率的測量技巧

王海梅

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

0 引言

在電子技術、電子測量領域，頻率是繼電壓、電流測量之后又一最基本的參數。按照測量原理，頻率測量可以分為計數法、有源比較測頻法、無源測頻法。計數法本質也是有源比較測頻，其中最常用、最廣泛使用的是電子計數器測頻法。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確度較高。另外，利用Multisim仿真軟件的頻率計也可以實現頻率測量。每種測量頻率的方法都有對應的適用條件和使用注意事項。作為高職電子信息工程技術專業的學生，應該加強實踐環節訓練，熟練使用相應儀器和方法，根據待測對象選擇合適的測頻方案。

1 使用電子計數器測量頻率

通用電子計數器測頻依據是閘門時間等于技術脈沖周期和閘門開啟時通過的技術脈沖個數之積。電子計數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器內部采取措施，提高測頻的分辨率。

VC2000智能頻率計、NFC-1000C-1多功能頻率計數器都可以實現頻率測量。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、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，具有工作狀態記憶功能、性能穩定、功能齊全，是一種高性能、低價位的理想智能數字化儀器，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，5檔是測晶振（由面板晶振插槽插入，測試范圍是3.5MHz-16MHz）。測試前需使儀器預熱20分鐘，調整低頻信號發生器輸出10kHz正弦波，并與VC2000的B輸入端口相連接，頻率測量數據如表1所示。

表1 頻率測量數據

閘門時間選好，按“確定”鍵即可。需要說明的是，電子計數器測量頻率，考慮計數器靈敏度的限制，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，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通道接入標準信號fx。調節標準信號源直到屏幕上出現穩定的圖形，圖形的形狀取決于被測信號與標準信號的頻率比。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，也不要與圖形相切，應使所引的線與圖形的交點最多[2]。根據

式中，m代表水平引線的交點數；n為垂直引線的交點數。

用示波器可以觀察李沙育圖形。測量時，示波器的觸發源方式選擇為“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，當相位差φ=45°、135°時對應顯示一三象限斜橢圓、二四象限斜橢圓，φ=90°時是以坐標軸中心為圓點的圓，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秀的專門用于電子電路設計與仿真的軟件。它界面直觀、操作方便，彌補經費不足帶來的實驗儀器、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現測量頻率。

振蕩電路是將直流能量轉化為交流能量，不需要輸入交流信號就可以輸出正弦波信號。實際的RC正弦波振蕩器中的放大器一般選用集成運算放大器，采用非線性元件（熱敏電阻或二極管）實現穩幅[3]。RC文氏橋式正弦波振蕩器電路如圖2所示，主要由三部分構成：一是放大電路：由集成運放μA741、R1、R5、R4（V1、V2）構成；二是正反饋和選頻：R3、C2、R2、C1構成的RC串并聯網絡完成；三是穩幅電路：V1、V2、R4并聯構成。電位器R5用來調節放大器的閉環增益，使得電路滿足振蕩條件以實現起振，±12V雙電源供電。當起振時，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，實現利用二極管的非線性自動穩幅[4]。分析可知，振蕩頻率取決于RC串并聯網絡的參數，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通道監測反饋回路波形變化情況。調節示波器時間軸比例為1ms/Div，通道A比例為1V/Div，點擊仿真運行按鈕，可以看到起振過程和平衡過程現象，改變電路相應參數，對振蕩器的反饋系數、放大倍數都產生影響。綜合調節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。仿真結果和理論計算基本一致。

圖3 RC正弦波振蕩器仿真結果

需要強調的是，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現。

4 結束語

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識。只有多動手操作、善于觀察，勤于分析，才能進一步鞏固和熟練應用以上方法。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，更要發揚和傳承求真務實、精益求精、勇于創新的工匠精神，練就扎實的知識和技能基礎，堅持德智體美勞全面發展，在不懈奮斗中綻放青春絢麗之花，為使我國建設成為世界科技強國而貢獻自己的力量和智慧。