DS70000系列数字示波器高精度频率计应用指南

简介

无论是传统的模拟示波器还是现代的数字示波器，测量信号频率的功能从产品诞生之日起就具备了。早期的模拟示波器，测频过程需要工程师手动调节水平时基、触发等功能使得屏幕上呈现出1到2个周期的稳定波形后，通过观察该信号一个周期内占据的水平格数，再参考水平时基估算出信号周期，最终得到频率。近些年随着数字示波器在测量技术在精度、速度以及使用便捷性等诸多方面突飞猛进的发展，示波器能够自动且快速的完成信号频率测量，并呈现到屏幕上，方便工程师进行读取。

但是在使用示波器进行频率测量时，常遇到这样的问题

• 频率的测量结果是对采样后的数据经过计算一个周期的时间得到的。由于不同的水平时基对应不同的采样率，导致采样点间隔时间不同，因此会影响测量精度。

• 工程师在实际测量一个很稳定的信号频率时，测量结果的后几位小数点会有随机性的变化，这也是测量精度不高的表现。

那有没有一种方法能够使测量结果的精度很高又能够不受示波器采样率变化的影响呢？有！那就是今天要给大家介绍的示波器中集成的频率计功能。频率计是一种用作测量信号周期、频率特征的功能单元或独立仪器，相对于示波器的通用测量功能，它具有测量精度高、测量精度不随水平时基挡位变化的优点，在高精度频率测量的场景应用中发挥着重要的作用。

RIGOL旗下的多个系列示波器都集成了频率计功能，但测量精度都停留在6位有效位数，为了满足客户更严苛的测量场景，RIGOL最新推的DS70000示波器将频率测量精度提升到了8位有效位数，确保在满足带宽内的所有周期性信号的频率都能被准确测量。

频率计的实现原理

示波器的工作过程可分为信号输入、垂直系统（信号幅度调理）、采样（模拟信号数字化）、频率计算和结果显示等几部分，如下图所示。

其中信号输入、垂直系统、采样属于通用数字示波器的必备功能，频率计算是通过直接对ADC采样得到的原始数据进行处理和分析，得到信号频率。依托具有高速ADC采样功能的示波器，频率计可以很轻松的获得具有高时间分辨率（最高可达到ADC的采样间隔时间）的采样点，从而得到高精度的测量结果。

频率计算过程分为以下两个步骤：

步骤1：边沿判断

示波器对周期性模拟信号进行采样量化后的数据与一个用户设置的“比较电平”进行比较，从低到高跨过此电平的跳变为“上升沿”，从高到低跨过此电平的跳变为“下降沿”。两个上升沿（或两个下降沿）之间的时间间隔为当前被测信号的一个周期。

正确识别信号中的边沿是频率计能够得到正确结果的前提和关键。在实际应用场景中，真实的信号往往自带一些噪声，如果不对这些噪声进行处理，就会造成边沿的错误判断，影响最终的测量结果。如下图所示，圆圈标记的位置因为一个毛刺的存在导致了在该位置出现了两个上升沿。

解决上述问题的方法，就是在原有比较器的基础上再增加一个比较电平，只有同时跨过两个比较电平的跳变才被判决为“有效沿”。两个比较电平之间的区域为“迟滞区间”，区间越大对噪声的抑制能力越强，反之则越小，这也是大家在触发系统中经常听到的触发灵敏度的概念。RIGOL所有系列的数字示波器都支持噪声抑制功能，用户可根据实际情况决定是否使用。

步骤2：统计/计算

• 测频法

一段时间内，被测信号有效信号周期个数为，这段时间内被测信号上升沿（或下降沿）的个数减1。用这段时间除以周期个数可以得到信号一个周期的时间，从而得到信号频率。这“一段时间”我们称之为“闸门时间”。

通常情况下，闸门时间内并不能包含整数个信号周期，简单进行除法计算会存在较大的误差。在实际计算过程中，还需要将闸门时间内的起始时间和结束时间去掉，仅用整数倍信号周期的时间进行计算。

如下图所示，设闸门时间为Tg（9个参考时钟），闸门时间内上升沿的个数为N(3个)，闸门使能时刻到**个被测信号的上升沿时间为Ts(1个参考时钟)，闸门结束时刻距离最后一个被测信号的上升沿时间为Te(1个参考时钟)。

注：上图中的参考时钟最高可为ADC的采样速率。DS70000系列示波器在20GSa/s采样率的条件下参考时钟为20GHz；10GSa/s及以下采样率的条件下参考时钟为10GHz。

信号周期Tc的计算公式为：频率F的计算公式为:

• 测周法

直接测量被测信号的一个周期的时间，叫做测周法。测周法没有闸门时间的概念，系统仅需要测量两个上升沿之间的时间直接得到信号的周期，再通过取倒数得到信号的频率。如下图所示，可直接得到被测信号的周期Tc。

无论是测频法还是测周法都需要有一个参考时钟，它保证了测量结果的精度。测量不同频率的信号、选择不同挡位的时基，都不会影响和改变频率计的测量精度，这就是等精度频率计。

通常高频信号适合采用测频法，低频信号适合采用测周法。在实际应用中用户不需要关心到底应该采用哪种测量方法，系统会根据被测信号的频率特性自动选择合适的测量方法。

频率计的性能指标

• 有效位数

有效位数是指从测量结果的左起**个非0后的所有位数。DS70000系列示波器超高的20GSa/s采样速率实现了采样点间隔的时间分辨率小至50ps，其内部集成的频率计依托更小的△T误差和更精确的测量算法，使得测量结果达到了最高8位有效位数的精度。在实际应用中用户可以根据实际情况在3bits~8bits的有效位数范围内自由设置。

• 测量时间

测量时间是指能够重新获取一次有效测量结果所需要的时间。

• 对于测频法，测量时间等效于闸门时间。DS70000系列示波器能够在1s内的测量时间提供**8位有效位数的结果，兼顾了测量速度和测量精度。

• 对于测周法，测量时间取决于被测信号的周期，被测信号的周期越大测量时间越长，比如测量一个0.1Hz信号，测量时间为10s。

• 测量误差

测量误差主要来自以下几个方面

• 数字量化误差：被测信号与量化过程中的使用的时钟属于异步关系，在采样时刻会存在+/-一个采样时钟的误差。

• 边沿误判导致的误差：如果信号自身噪声比较大，在进行边沿判断的过程中就会有错误的边沿被识别，导致测量结果误差较大。

• 参考时钟精度（等效于水平时基精度）：频率计的测量基于水平时基，水平时基采用的参考晶振性能决定该指标。若用户需要更加精确的测量，可以使用外部更加精确的10M参数时钟。

频率计的统计功能

DS70000系列示波器的频率计还集成了统计功能，统计结果包括了，自测量功能开启后测量结果中的**值、最小值和平均值。用户通过观察统计结果可以清晰的知道在测量的这段时间内测量结果是否存在过大、过小等异常问题。

如何使用频率计

正确使用频率计功能能够让您快速、准确的获取结果，下面以DS70000为例，介绍一下该如何使用示波器的频率计功能。

操作步骤

• 步骤一：将被测信号通过同轴电缆或者探头连接到示波器的CH1通道或其它模拟通道。

• 步骤二：点击屏幕下方的通道标签，进入垂直菜单，适当调节挡位项的值，使波形占据整个屏幕的2/3为佳，便于观察信号。

• 步骤三：点击屏幕上方的触发标签，进入触发菜单，选择信源项为CH1，选择触发类型为边沿触发，适当调节电平项取值，使得波形能够稳定触发，通常情况下触发电平调节到波形的中间即为**位置。

• 步骤四：点击屏幕左下角的导航按钮，在弹出的快捷菜单中选择频率计，单击打开后屏幕的右侧就会显示频率计测量结果窗口，单击窗口任意一个位置选择测量设置，弹出频率计菜单，选择信源项为CH1。

  
  

以上步骤二和步骤三可以通过点击屏幕左下方的导航图标，选择自动设置图标，用波形自动设置功能完成。

操作要点

• 频率计与触发系统共用比较电平，在没有稳定触发的情况下频率计不会显示结果或者显示的结果是错误的。

• 使用过程中若发现测量结果不准确甚至没有结果，请检查比较设置的阈值是否处在一个比较合理的区间内。

FAQ信号被正常触发且稳定显示在屏幕上，但频率计的结果却出现了误差和波动是为什么？

答：这种问题一般出现在被测信号频率较高（2G以上），但信号一个周期内的采样点数比较少的情况下。下面我们以一个正弦信号为例进行说明。

将示波器的采样率调节到20GSa/s，输入一个3.8G正弦信号，

经过ADC采量化后呈现以下形状，可以发现部分波峰和波谷没有被采集到，导致此刻的幅度偏小，当我们把比较电平设置到靠两边的位置时有一部分边沿就会被忽略掉了，显然此时测量的结果就不准确了。

解决该问题最简单的方式就是调节比较阈值到**位置（一般就是在波形的中间位置）就可以了。

总结

RIGOL自主研发的DS70000系列数字示波器，依赖于RIGOL工程师潜心十年打造的UltraVisonIII硬件平台，搭载着自主研制的“凤凰座”芯片组，实现了国内领先的20GSa/s超高采样率。依托该平台轻松实现了高达8位有效位数的高精度频率计。DS70000系列数字示波器多种人性化的设计，相信一定会为您带来超高品质的体验。

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