探析频率的测量技巧

王海梅

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

0 引言

在电子技术、电子测量领域，频率是继电压、电流测量之后又一最基本的参数。按照测量原理，频率测量可以分为计数法、有源比较测频法、无源测频法。计数法本质也是有源比较测频，其中最常用、最广泛使用的是电子计数器测频法。常用的有源比较测频法有示波器法、拍频法、差频法。示波器法还可再细分，有李沙育图形法和多周期测量法两种，李沙育图形法只能测低频信号，多周期测量法测量准确度较高。另外，利用Multisim仿真软件的频率计也可以实现频率测量。每种测量频率的方法都有对应的适用条件和使用注意事项。作为高职电子信息工程技术专业的学生，应该加强实践环节训练，熟练使用相应仪器和方法，根据待测对象选择合适的测频方案。

1 使用电子计数器测量频率

通用电子计数器测频依据是闸门时间等于技术脉冲周期和闸门开启时通过的技术脉冲个数之积。电子计数器测频的性能主要受到量化误差，即±1误差和测频上限的限制，利用多周期同步测量法可以提高测量频率的性能。多周期同步测量法在计数器内部采取措施，提高测频的分辨率。

VC2000智能频率计、NFC-1000C-1多功能频率计数器都可以实现频率测量。VC2000频率计是深圳市胜利高电子科技有限公司10Hz-2400MHz的多功能智能化仪器，可测量频率、脉冲计数、晶体，并有4档时间闸门，5档功能选择，8位LED高亮度显示。全部功能是用一个单片微控制器（CPU）来完成的，具有工作状态记忆功能、性能稳定、功能齐全，是一种高性能、低价位的理想智能数字化仪器，温度使用范围－5℃-50℃。

其中，A端口是50MHz-2400MHz的高频通道端口，B端口是10Hz-50MHz的低频通道端口。有0.1s、1s、5.0s、10s共4档闸门时间。5档功能选择分别是：1、2、3档均为测量频率（1、2档测频单位是MHz，3档测频单位是kHz），4档是累加计数，5档是测晶振（由面板晶振插槽插入，测试范围是3.5MHz-16MHz）。测试前需使仪器预热20分钟，调整低频信号发生器输出10kHz正弦波，并与VC2000的B输入端口相连接，频率测量数据如表1所示。

表1 频率测量数据

闸门时间选好，按“确定”键即可。需要说明的是，电子计数器测量频率，考虑计数器灵敏度的限制，被测信号一般不小于0.2V。由表1可知，闸门时间越长，显示结果要等较长时间才显示，此时显示精度也越高。NFC-1000C-1是1Hz-1500MHz的多功能智能化仪器，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档闸门时间，其测量频率操作基本类似于VC2000智能频率计。

2 借助李沙育图形法测量频率

李沙育图形法要求示波器工作在X-Y方式下，在X、Y轴加入同频率的两个正弦信号。李沙育图形的形状与输入的两个正弦信号的频率和相位有关，通过对图形的分析来确定信号的频率及两者的相位差，这种方法称之为波形合成法[1]。

Y通道输入被测信号的频率fy，X通道接入标准信号fx。调节标准信号源直到屏幕上出现稳定的图形，图形的形状取决于被测信号与标准信号的频率比。通过李沙育图形引过一条水平线和一条垂直线。这两条线既不能通过图形的交点，也不要与图形相切，应使所引的线与图形的交点最多[2]。根据

式中，m代表水平引线的交点数；n为垂直引线的交点数。

用示波器可以观察李沙育图形。测量时，示波器的触发源方式选择为“外”，即“EXT”，测试连接电路如图1所示。频率相同但相位差不同，则观测到的李沙育图形不同，当相位差φ=45°、135°时对应显示一三象限斜椭圆、二四象限斜椭圆，φ=90°时是以坐标轴中心为圆点的圆，φ=0°（360°）、180°时分别显示一三象限直线、二四象限直线。

图1 李沙育图形法测频连接图

3 利用Multisim仿真测量频率

Multisim是美国NI公司推出的一款专门非常优秀的专门用于电子电路设计与仿真的软件。它界面直观、操作方便，弥补经费不足带来的实验仪器、元器件缺乏，而且排除了原材料损耗和仪器损坏等因素[1]。借助Multisim10.1软件仿真RC正弦波振荡器电路，说明如何利用频率计实现测量频率。

振荡电路是将直流能量转化为交流能量，不需要输入交流信号就可以输出正弦波信号。实际的RC正弦波振荡器中的放大器一般选用集成运算放大器，采用非线性元件（热敏电阻或二极管）实现稳幅[3]。RC文氏桥式正弦波振荡器电路如图2所示，主要由三部分构成：一是放大电路：由集成运放μA741、R1、R5、R4（V1、V2）构成；二是正反馈和选频：R3、C2、R2、C1构成的RC串并联网络完成；三是稳幅电路：V1、V2、R4并联构成。电位器R5用来调节放大器的闭环增益，使得电路满足振荡条件以实现起振，±12V双电源供电。当起振时，振幅较小，流过二极管的电流较小，二极管的等效电阻比较大，放大器增益较高，有利于起振。随着振幅增长，流过二极管的电流增大，二极管的等效电阻减小，使放大器增益自动减小，实现利用二极管的非线性自动稳幅[4]。分析可知，振荡频率取决于RC串并联网络的参数，振荡频率计算公式为

图2中，R=8.2kΩ，C=10nF，理论计算振荡频率是1.941kHz。

图2 利用Multisim仿真RC正弦波振荡器

搭接好仿真电路，可以用B通道监测反馈回路波形变化情况。调节示波器时间轴比例为1ms/Div，通道A比例为1V/Div，点击仿真运行按钮，可以看到起振过程和平衡过程现象，改变电路相应参数，对振荡器的反馈系数、放大倍数都产生影响。综合调节使振荡器输出不失真的正弦波振荡波形，如图3（a）所示，同时设置频率计灵敏度为3mV，频率计显示电路的振荡频率是1.883kHz，如图3（b）所示。仿真结果和理论计算基本一致。

图3 RC正弦波振荡器仿真结果

需要强调的是，利用Multisim软件，若要求得较高精度频率，可借助仿真界面上“记录仪/分析列表”“Show/HideCursors”两个菜单进行分析[5]。要想使误差尽可能减小，可以采用多次求平均值方法实现。

4 结束语

通过以上分析，我们明确了频率测量的常见方法和技巧，对电子计数器法、李沙育图形法、Multisim仿真法测量频率有了清晰的理解和认识。只有多动手操作、善于观察，勤于分析，才能进一步巩固和熟练应用以上方法。高职电子测量课程误差分析不可缺少，同等情况下首先选择测量误差小的方法。另外，作为新时代的年轻人，更要发扬和传承求真务实、精益求精、勇于创新的工匠精神，练就扎实的知识和技能基础，坚持德智体美劳全面发展，在不懈奋斗中绽放青春绚丽之花，为使我国建设成为世界科技强国而贡献自己的力量和智慧。