如何實現頻率測量

2021-01-08 電子產品世界

1. 頻率概述

頻率是循環或周期事件的重複率。從物理上來講，在旋轉、振動、波等現象中能觀察到周期。對模擬或數字波形來說，可以通過信號周期得到頻率。周期越小，頻率越大，反之亦然。從圖1中看到，最上面的一條波形頻率最低，最底下的波形頻率最高。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/334307.htm

圖1.從上至下的波形頻率依次增大

頻率通常以角頻率ω來表示，單位為弧度/秒；或以ƒ表示，單位為秒-1，也稱Hz，還可以用每分鐘拍數(BPM)或每分鐘旋轉數(RPM)來表示頻率。角頻率ω (rad/sec)及ƒ (Hz)之間的關係表達式為：ω =2πƒ。談到頻率往往還會涉及到相位φ，它描述了波形在初始時刻t0相對於指定參考點的偏移量，單位一般為度或弧度。以正弦波的例子，波形表達式以時間為參數，，其振幅為A，角頻率為ω，相位φ為常數。

實際應用中的周期性模擬信號很複雜的，很難以一個簡單的正弦曲線來描述。傅立葉分析法可將任意複雜的波形分解成簡單的正弦、餘弦或復指數函數之和。信號所包含的頻率成份往往是我們所感興趣的，這種分析方法稱為頻域分析或譜分析。這類分析方法主要應用在聲音、振動等領域，這裡就不加以討論了。

另一方面，數位訊號頻率的獲取相對要簡單些。對於如圖2 中描述的簡單數位訊號， 周期就是兩個上升沿或下降沿間的時間。

圖2. 數字波形

如果不同的兩個上升沿或下降沿間的時間存在偏差，還可以通過大量採樣後求平均的方法來得到頻率。

2. 如何實現頻率測量

數字頻率採集過程相當簡單。對低頻信號來說，採用一個計數器或時基就足夠了。輸入信號的上升沿觸發時基開始計數。因為時基的頻率是已知的，輸入信號的頻率就可以很簡單的計算出來（見圖3）。

圖3. 數位訊號相對於內部時基（單計數器獲取低頻）

當數位訊號的頻率很高或是變化的，最好採用以下介紹的兩種雙計數器法。需要注意的是，兩種方法種具有相同的硬體局限性，即所要測量的頻率不能超過計數器支持的最大輸入頻率，但可以超過內置的時基頻率。

高頻雙計數器測量方法

高頻信號測量需要兩個計數器。一對（兩個）計數器產生用戶指定周期的脈衝列，測量時間（見圖4）遠大於待測信號，但又要儘量小，以避免計數器翻轉。

圖4.數位訊號頻率的雙計數器法測量法（用於測量高頻信號）

內置信號的測量時間為內置時基的整數倍。在一定的時間間隔內測量輸入信號的振蕩次數，而間隔時間由內置信號提供。將振蕩次數除以間隔時間就能夠得到輸入信號的頻率。

大範圍雙計數器測量法

對於頻率變化的信號來說，這一雙計數器方法在整個信號範圍內提供更高的精度。在這種情況下輸入信號被一個已知量除，或稱分頻。內置時基在分頻信號的邏輯高時的振蕩次數被記下來（見圖5）。這樣就能得到邏輯高電平間的時間，為振蕩次數乘以內置時基的周期時間。這個值再乘以2 就得到分頻信號的周期（高、低電平時間之和），它是輸入信號周期的整數倍。把輸入信號周期求倒數就能夠得到其頻率。

圖5.數位訊號頻率的雙計數器法測量（用於大範圍測量）

這一方法相當於在大範圍測量後求均值來得到信號的變化頻率，但這種方法還能測量比時基頻率高的輸入信號。

頻率測量中數位訊號與測量設備的連接

帶硬體定時器的許多中設備都適合進行計數器測量。這裡以NI CompactDAQ系統為例（見圖6）。NI CompactDAQ的硬體時基在機箱的背面板上，且並不僅僅是用於NI C系列模塊。採用cDAQ-9172機箱，只有5槽和6槽能夠連接PFI作為計數器輸入，因此必須在NI CompactDAQ 機箱的5槽或6中槽插入一個相關數字輸入或數字輸入輸出(DIO)模塊，如NI 9401。

圖6.NI 9401相關DIO C系列模塊和CompactDAQ機箱

在測量&自動控制管理器(MAX)中將頻率採集配置為計數器任務後，信號所需連接的PFI輸入終端將顯示出來（見圖7）。

圖7.測量&自動控制管理器 (MAX)配置界面的截屏

測量的可視化：NI LabVIEW

完成系統配置以後，可以在LabVIEW圖形化編程環境下看到測量數據（見圖8）。

圖8. LabVIEW中看到的頻率測量


相關焦點

  • 如何實現頻率測量 高頻雙計數器測量方法
    如何實現頻率測量 高頻雙計數器測量方法 微波射頻網 發表於 2020-04-06 16:00:00 1. 頻率概述 頻率是循環或周期事件的重複率。
  • 無源晶振的輸出頻率如何用示波器測量?
    在使用示波器測量無源晶振輸出頻率時，常常會發現晶振有輸出無信號、晶振不起振等異常情況，那麼如何用示波器測量無源晶振的輸出頻率？1無源晶振簡介無源晶振，準確來說應叫Crystal（晶體），有源晶振則叫Oscillator（振蕩器）。無源晶振是在石英晶片的兩端鍍上電極而成，其兩管腳是無極性的。無源晶振自身無法震蕩，在工作時需要搭配外圍電路。
  • 如何利用MCS-51單片機對周期波頻率進行測量
    打開APP 如何利用MCS-51單片機對周期波頻率進行測量 發表於 2019-04-18 15:33:46 對於周期波頻率的測量方法很多，但大多是通過測量間接計算頻率。
  • 如何使用直接阻抗法測量晶振負載諧振頻率
    對晶振的負載諧振頻率進行測量有很多種方法，直接阻抗法就是其中一種，它使用網絡分析儀，比物理負載電容法等其它方法更加準確、方便並且成本更低。本文介紹如何使用直接阻抗法進行測量並通過實測數據說明它好於其它測量方法的原因。
  • 變頻器如何實現頻率變換
    打開APP 變頻器如何實現頻率變換 電工之家 發表於 2020-02-12 19:14:20 因此變頻器作為三相異步電機的驅動設備它的主要作用是將頻率固定的交流電源（我國工頻為50HZ）改變成頻率連續可調（0-400HZ）的交流電並通入到三相電機中，使三相電機的速度可進行任意的調節。由此可見變頻器就是一種電源頻率變換器，下面我將簡要說說這種變換器是如何實現頻率變換的。
  • 示波器測量頻率的兩種方法-測試測量-電子工程世界網
    通過了解之前的介紹，朋友們可以了解到示波器測量電壓、時間、相位等物理量的方法，那麼大家是否了解示波器測量頻率的方法呢？為了讓大家對示波器有一個更加深入的了解，下面中國傳感器交易網的專家來給大家介紹一下示波器的兩種測量頻率的方法。
  • 如何用PLC實現變頻器頻率的控制?
    打開APP 如何用PLC實現變頻器頻率的控制? 有級調速就是不能連續對變頻器的頻率進行改變，只能用開關來選擇提前設置好的頻率，常見的有多段速設定和簡易PLC程序設定。 無極調速能夠實現變頻器的連續或者任意頻率的運行也是常用的變頻方法，主要有模擬量和通信控制的方法完成。
  • 頻率計數器測量功能介紹
    先給出頻率計數器簡介，隨後分別介紹常見測量功能，最後討論頻率計數器應用。關鍵字：頻率測量，頻率計數器一、頻率計數器簡介電子工程師經常需要測量頻率、時間間隔、相位和對事件計數，精確的測量離不開頻率計數器或它的同類產品，如電子計數器和時間間隔分析儀。
  • 淺談如何實現開關頻率控制、負載和線路電壓優化
    淺談如何實現開關頻率控制、負載和線路電壓優化 秩名 發表於 2013-04-08 14:00:25 　　簡介 　　環保因素已經為當代電源設計催生新的能效要求。
  • 示波器測量頻率的兩種方法
    通過了解之前的介紹，朋友們可以了解到示波器測量電壓、時間、相位等物理量的方法，那麼大家是否了解示波器測量頻率的方法呢？為了讓大家對示波器有一個更加深入的了解，下面中國傳感器交易網的專家來給大家介紹一下示波器的兩種測量頻率的方法。
  • 基於ARM的微波頻率自動測量系統設計
    3.3 諧振式頻率計自動測量電路的設計　　3.3.1 定標法測頻率原理　　為了實現頻率的自動化測量，本系統採用步進電機帶動頻率計的轉動，當腔體轉到了諧振位置時候，到達檢波器的微波功率明顯下降，檢波電流出現明顯的下降
  • 毫米波頻率下PCB線路板材料的介電常數應該如何測量?
    例如，材料的Dk會隨頻率的變化而變化。同樣，如果在同一塊材料上使用不同的Dk測試方法，也可能會測量得出不同的Dk值，即使這些測試方法都是準確無誤的。隨著線路板材料越來越多地應用於毫米波頻率，如5G以及先進輔助駕駛系統等領域，理解Dk隨頻率的變化以及哪種Dk測試方法是「合適」的是非常重要的。
  • lcr測量電感的頻率選擇
    打開APP lcr測量電感的頻率選擇 發表於 2018-03-19 14:38:06 　　lcr測量電感的頻率選擇 　　uF級陶瓷電容1Khz，nF級的幾百KHz，pF級的不太容易測量準。
  • 應用ADXL50設計的加速度-頻率測量儀器
    傳感器及其外圍電路封裝於小型屏蔽容器內，固定于振動物體上，隨之同步振動，輸出測量信號；信號調理電路接收電信號，進行放大、濾波等必要處理；經過處理後的信號被送入顯示部分，信號的頻率和幅度以數值形式顯示於led數碼管上，實現加速度和頻率的實時測量。
  • 石英晶體諧振頻率測量系統
    摘要：在石英晶振的生產過程中，切割後的晶振片需要對其共振頻率進行快速測量，並通過機械手按頻率分選。本文介紹了一種結合單片機、直接數字頻率合成器(DDS)和增益鑑相器的簡單石英晶振共振頻率檢測系統，利用晶振阻抗隨激勵信號頻率而變化的特性，在100ms內測得其共振頻率，控制成本的同時保證了一定的測量精度。
  • 一種實時性較強的採樣頻率同步實現方法
    摘 要： 分析了工頻頻率變化對計算電量有效值的數位化測量精度的影響及產生採樣頻率誤差的原因，給出用單片機Intel80C196的高速輸入接口及軟體定時器實現採樣頻率跟蹤的方法，並給出硬體電路結構及軟體框圖。
  • 中科大實現軌道角動量光子的量子頻率轉換
    OAM與偏振組成的混合糾纏光子的頻率上轉換，證明了在頻率變換過程中單光子的量子相干性和光子對的糾纏特性保持不變。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/296491.htm　　攜帶OAM的光束在精密測量、微小粒子的囚禁與操控以及基礎物理研究等領域具有重要應用，同時基於OAM編碼的光信息處理由於其信道容量大的優點已成為光通信領域的研究熱點。
  • 基於FPGA的高精度頻率電壓轉換系統設計實現
    傳感器輸出的脈衝頻率信號經信號調理電路調理後輸入FPGA，FPGA測量脈衝信號的頻率，根據系統精度要求，需設計Q格式定點運算，測得的頻率經FPGA定點運算後得到與頻率大小成線性關係的D/A轉換的數字量，控制串行DAC7551輸出相應的電壓值。實驗結果表明，系統的轉換精度優於0.1%，改變系統的設計參數可實現更高精度的頻率信號到電壓信號的轉換。
  • 非接觸式智能IC卡諧振頻率測量及使用的誤區
    由於智慧卡被完全密封，對其整體電氣參數L、C、R的測量造成了困難，而諧振頻率作為能夠反映智慧卡天線埠部分電氣參數的重要指標，被各企業及研發單位廣泛用於設計或生產參考，長期以來被大量使用。但到目前為止，對於諧振頻率的測量方法，業界尚無統一標準。同時各環節在提及諧振頻率值的時候，往往忽略其測量方法以及明確的誤差範圍，因此在智慧卡測量領域，諧振頻率這一參數的真實性和可靠性長期被忽視。
  • 如何使用並聯電容來實現運算放大器的頻率補償
    打開APP 如何使用並聯電容來實現運算放大器的頻率補償 EEtoday 發表於 2020-11-19 17:56:58 在最近關於運算放大器頻率補償的文章中，我們討論了頻率補償的概念是什麼以及如何評估示例電路的穩定性。