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低频信号频率的测量  

2015-02-09 21:19:11|  分类: 计量校准 |  标签: |举报 |字号 订阅

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导读:本博文主要内容为如何使用频率计数器和示波器测量低频信号的频率,特别是低频信号慢速的转换速率(Slew Rate)引入的触发误差对测量结果的主要影响,并涉及相关仪器配置和测试主要事项。


在前一篇博文《高档多功能数字表频率测量功能比拼》中我们对比的实验室高档多功能数字表测量频率的性能,现在我们将该问题延伸开来,看看通用频率计数器和高档示波器的测量低频信号频率的能力及其注意事项。

频率计数器我们选用最为常见的型号Agilent 53132A,高档示波器选用Tek公司的DPO7254C。

首先我们来看看Agilent53132A的低频测量性能,我们给出的低频信号为代表性的正弦波型,具体参数设置为:频率:1Hz ,电压:1Vp-p和输出阻抗50欧姆。输出设备还是选用函数发生器Ag33250A

频率计数器Ag53132A的设置为自动触发关闭(Auto Trig OFF,触发电压0VLevel 0.000V,低通滤波器状态设置为开启状态(100kHz Filter ON)。这里需要特别提醒注意一下:当测量高频信号时,频率计数器可以采用自动触发功能,但是在测量低频信号的时候一定要设置为手工电压触发模式。

低频信号频率的测量 - labats - LabATSS

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低频信号频率的测量 - labats - LabATSS
 


在测量低频正弦波信号的时候,由于触发误差的影响,计数器的测量性能并没有大家想象的那样高,但是当我们把波形由正弦波改为方波的时候我们看以看出性能的质般飞越(备注在函数发生器和频率计数器均采用外部原子频标作为参考时基)。

低频信号频率的测量 - labats - LabATSS

 

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这背后的原因就是在低频信号测量时触发误差是最主要的触发误差,从相关公式和图表可以看出,频率越低,转换速率(Slew rate)越低,触发误差也就越大,例如在测量1Hz的时候Ag53132的触发误差大约在2E-4左右。

低频信号频率的测量 - labats - LabATSS

 

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 和以前博文写的数字电压表1Hz正弦信号测量性能相比,由于较大的触发误差瓶颈限制,频率计数器并不能比数字电压表好太多,但是胜在显示位数和采样时间可调,通过加大采样平均时间可以大大提升测量结果的性能,降低触发误差的影响,另外将波形设置为高上升沿的方波后取消触发误差后,频率计数器的测量能力大幅度提升,而数字电压表并没有特别测量改善。

最后让我们再来看一看高速采样示波器对低频信号的测量,首先还是测量1Hz频率的正弦波,实测频率值如下列图片所示:其中通过改变采样率看看是否对测量结果有影响,从实测结果来看高速采样示波器的测量性能与频率计数器相当,但是更换波形后(正弦波—>方波)取消了触发误差后,性能也得到了提升,但是受设备内部时基准确度的影响和显示分辨率(1E-7)的制约,因此整体上来看测量性能还是低于频率计数器。

低频信号频率的测量 - labats - LabATSS
 
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最后还有一个小贴士,在测量频率计数器的灵敏度时,可以先采用标准方差记下大信号电平的频率变化范围从而评估触发误差的影响量,然后再降低信号电平,只要在此方差的变化范围内便可判断为适宜对应的频率灵敏度,从而避免触发误差对灵敏度的干扰。


参考资料:

《Agilent 5313xA Assembly-Level Service Guide》

Application Note 200-4 :Understanding Frequency Counter Specifications

Application Note 1499:More Hints for Making Better Frequency Counter Measurements》

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