普源DS70000 系列數字示波器 高精度頻率計應用指南

RIGOL 旗下的多個系列示波器都集成了頻率計功能，但測量精度都停留在 6 位有效位 數，為了滿足客戶更嚴苛的測量場景，RIGOL 最新推的 DS70000 示波器將頻率測 量精度提升到了 8 位有效位數，確保在滿足帶寬內的所有周期性信號的頻率都能 被準確測量。

示波器的工作過程可分為信號輸入、垂直系統（信號幅度調理）、采樣（模擬信號數字 化）、頻率計算和結果顯示等幾部分，如下圖所示。

其中信號輸入、垂直系統、采樣屬于通用數字示波器的必備功能，頻率計算是通過直 接對 ADC 采樣得到的原始數據進行處理和分析，得到信號頻率。依托具有高速 ADC 采樣功能的示波器，頻率計可以很輕松的獲得具有高時間分辨率（最高可達到 ADC 的 采樣間隔時間）的采樣點，從而得到高精度的測量結果。

頻率計算過程分為以下兩個步驟

步驟 1：邊沿判斷 示波器對周期性模擬信號進行采樣量化后的數據與一個用戶設置的“比較電平”進行 比較，從低到高跨過此電平的跳變為“上升沿”，從高到低跨過此電平的跳變為“下降 沿”。兩個上升沿（或兩個下降沿）之間的時間間隔為當前被測信號的一個周期。 正確識別信號中的邊沿是頻率計能夠得到正確結果的前提和關鍵。在實際應用場景中， 真實的信號往往自帶一些噪聲，如果不對這些噪聲進行處理，就會造成邊沿的錯誤判斷，影響最終的測量結果。如下圖所示，圓圈標記的位置因為一個毛刺的存在導致了 在該位置出現了兩個上升沿。

解決上述問題的方法，就是在原有比較器的基礎上再增加一個比較電平，只有同時跨 過兩個比較電平的跳變才被判決為“有效沿”。兩個比較電平之間的區域為“遲滯區間”， 區間越大對噪聲的抑制能力越強，反之則越小，這也是大家在觸發系統中經常聽到的 觸發靈敏度的概念。RIGOL 所有系列的數字示波器都支持噪聲抑制功能，用戶可根據 實際情況決定是否使用。

步驟 2：統計/計算 l

測頻法

一段時間內，被測信號有效信號周期個數為，這段時間內被測信號上升沿（或下 降沿）的個數減 1。用這段時間除以周期個數可以得到信號一個周期的時間，從 而得到信號頻率。這“一段時間”我們稱之為“閘門時間”。通常情況下，閘門時 間內并不能包含整數個信號周期，簡單進行除法計算會存在較大的誤差。在實際 計算過程中，還需要將閘門時間內的起始時間和結束時間去掉，僅用整數倍信號 周期的時間進行計算。

如下圖所示，設閘門時間為 Tg（9 個參考時鐘），閘門時間內上升沿的個數為 N （3 個），閘門使能時刻到第一個被測信號的上升沿時間為 Ts（1 個參考時鐘）， 閘門結束時刻距離最后一個被測信號的上升沿時間為 Te（1 個參考時鐘）。

測周法

直接測量被測信號的一個周期的時間，叫做測周法。測周法沒有閘門時間的概念， 系統僅需要測量兩個上升沿之間的時間直接得到信號的周期，再通過取倒數得到 信號的頻率。如下圖所示，可直接得到被測信號的周期 Tc。

RIGOL 自主研發的 DS70000 系列數字示波器，依賴于 RIGOL 工程師潛心十年打造 的 UltraVisonIII 硬件平臺，搭載著自主研制的“鳳凰座”芯片組，實現了國內領先的 20GSa/s 超高采樣率。依托該平臺輕松實現了高達 8 位有效位數的高精度頻率計。 DS70000 系列數字示波器多種人性化的設計，相信一定會為您帶來超高品質的體驗。

頻率計的性能指標

有效位數

有效位數是指從測量結果的左起第一個非 0 后的所有位數。 DS70000 系列示波器超高的 20GSa/s 采樣速率實現了采樣點間隔的時間分辨率小至 50ps，其內部集成的頻率計依托更小的△T 誤差和更精確的測量算法，使得測量結果 達到了最高 8 位有效位數的精度。在實際應用中用戶可以根據實際情況在 3bits~8bits 的有效位數范圍內自由設置。

測量時間

測量時間是指能夠重新獲取一次有效測量結果所需要的時間。 l

對于測頻法，測量時間等效于閘門時間。DS70000 系列示波器能夠在 1s 內的測 量時間提供最大 8 位有效位數的結果，兼顧了測量速度和測量精度。 l

對于測周法，測量時間取決于被測信號的周期，被測信號的周期越大測量時間越 長，比如測量一個 0.1Hz 信號，測量時間為 10s。

測量誤差

測量誤差主要來自以下幾個方面 l

數字量化誤差

被測信號與量化過程中的使用的時鐘屬于異步關系，在采樣時刻會存在+/-一個采 樣時鐘的誤差。 l

邊沿誤判導致的誤差

如果信號自身噪聲比較大，在進行邊沿判斷的過程中就會有錯誤的邊沿被識別， 導致測量結果誤差較大。 l

參考時鐘精度（等效于水平時基精度）

頻率計的測量基于水平時基，水平時基采用的參考晶振性能決定該指標。若用戶 需要更加精確的測量，可以使用外部更加精確的 10M 參數時鐘。

頻率計的統計功能

DS70000 系列示波器的頻率計還集成了統計功能，統計結果包括了，自測量功能開啟 后測量結果中的最大值、最小值和平均值。用戶通過觀察統計結果可以清晰的知道在 RIGOL 9 應用指南/技術說明書 測量的這段時間內測量結果是否存在過大、過小等異常問題。