یک راهنمای ضروری برای مهندسان RF جهت آشنایی با فرکانس متر

فرکانس متر باید یک ابزار ضروری بر روی میز هر مهندس RF و الکترونیک باشد. در این مقاله یاد میگیرید:

ضرورت وجود فرکانس متر
انواع مختلف آنها
صنایع مورد استفاده
ساختار و اصول کارکردی آنها
نکاتی برای انتخاب و استفاده موثر از آنها

فرکانس متر چیست؟

یک فرکانس متر، فرکانس سیگنال هایی را که شکل موج آنها سینوسی، مربع، مثلث، دندانه اره یا دیگر الگوهای منظم و تکراری است، به دقت اندازه گیری می کند. این ابزارها می توانند فرکانس ها و ویژگی های زمان بندی سیگنال های آنالوگ و دیجیتال را اندازه گیری کنند.

آیا به فرکانس متر نیاز دارید؟ فرکانس متر در مقابل اسیلوسکوپ و سایر دستگاه ها

ابزارهای دیگری مانند اسیلوسکوپ، آنالایزر طیف و فرکانس‌سنج (مانند سوزن‌سنج‌های قدیمی به سبک آنالوگ) نیز می‌توانند فرکانس را اندازه‌گیری کنند. با این حال، چیزی که فرکانس متر را متمایز می کند،دقت بسیار بالای آن است. در حالی که ابزارهای دیگر از نرم‌افزار برای اندازه‌گیری فرکانس و سایر مشخصات داده‌های دیجیتالی استفاده می‌کنند، فرکانس مترها از مدارهای سخت‌افزاری مهندسی‌شده با دقت بالا استفاده می‌کنند تا آنها را مستقیماً روی سیگنال ورودی اندازه‌گیری کنند. علاوه بر این موارد زیر را هنگام انتخاب تجهیز به خاطر بسپارید:

آنها دقت و وضوح بالایی را حتی در فرکانس های گیگاهرتز بسیار بالا ارائه می دهند.
آنها برای سیگنال های موج پیوسته بهتر هستند در حالی که اندازه گیری های مبتنی بر نرم افزار برای سیگنال های پالس بهتر عمل می کنند.
شما می توانید با اطمینان از آنها برای اندازه گیری فرکانس طولانی مدت استفاده کنید.
آنها در مقایسه با اسیلوسکوپ ها یا آنالایزرهای طیفی، ساده تر و سریع تر هستند.

انواع مختلف فرکانس متر چیست؟

فرکانس متر با طیف گسترده ای از قابلیت ها و فاکتورهای فرم ارائه می شود. ابتدا انواع مختلف را بر اساس قابلیت ها بررسی می کنیم.

انواع فرکانس متر بر اساس قابلیت

روش اصلی طبقه بندی بر اساس صنایع و قابلیت های هدف آنها است.

فرکانس مترهای یونیورسال

به جای شمارشگرهای فرکانس تنها، بسیاری از مشتریان شمارنده‌های همه کاره را ترجیح می‌دهند که از قابلیت‌های اندازه‌گیری جانبی رایج، مانند زمان‌بندی سیگنال، همراه با اندازه‌گیری فرکانس پشتیبانی می‌کنند. آنها معمولاً می توانند موارد زیر را اندازه گیری کنند:

فرکانس: تعداد چرخه های کامل تکمیل شده در واحد زمان است.
پریود: این فاصله زمانی یک سیکل کامل سیگنال است.
نسبت فرکانس: نسبت فرکانس دو سیگنال ورودی را اندازه گیری می کند.
فاصله زمانی: تاخیر زمانی بین رویدادهای دو سیگنال ورودی را اندازه گیری می کند.
خطای بازه زمانی: تغییرات زمان بندی را نسبت به مقدار مورد انتظار یا ایده آل اندازه گیری می کند.
عرض پالس: این مقدار زمان صرف شده توسط یک پالس، معمولاً حداکثر سیگنال دیجیتال را اندازه گیری می کند.
زمان‌های خیز و نزول: این زمان‌هایی هستند که سیگنال دیجیتال از حالت‌های پایین به حالت‌های بالا رفته و برمی‌گردد.
زاویه فاز: این تفاوت فاز بین دو سیگنال ورودی را اندازه گیری می کند.
سیکل وظیفه: این درصدی از یک سیکل کامل است که سیگنال، معمولاً یک موج مربعی، بلند است.
ولتاژها: حداکثر، حداقل و ولتاژ پیک به پیک یک سیگنال گزارش می شود.
قدرت سیگنال: برخی از فرکانس مترها شامل کنتورهای داخلی داخلی برای گزارش قدرت سیگنال هستند.

علاوه بر این، این ابزار از توابع آماری و تحلیلی سطح بالاتر مانند:

پلات هیستوگرام برای مشاهده توزیع اندازه گیری های فرکانس و تشخیص مشکلات پایداری یا نویز
نمودارهای روند فرکانس ها برای تشخیص رانش و مشکلات مشابه
آمار اندازه گیری فرکانس برای تشخیص جیتر
معیارهای کل خوانش فرکانس
انحراف آلن، معیاری برای ثبات فرکانس

نیز استفاده میکند.

فرکانس مترهای رادیویی

شمارنده‌های فرکانس رادیویی (RF) یا شمارنده‌های فرکانس مایکروویو، به‌شدت در مهندسی RF استفاده می‌شوند. فرکانس های قابل اندازه گیری آنها از چند کیلوهرتز تا صدها مگاهرتز و حتی ده ها گیگاهرتز متغیر است. به عنوان مثال، مدل پایه Keysight 53230Auniversal تا 350 مگاهرتز را پشتیبانی می کند در حالی که مدل پیشرفته تا 15 گیگاهرتز را پشتیبانی می کند. شمارنده‌های RF متفاوت ساخته می‌شوند، زیرا عناصر مدار دیجیتال مانند فلیپ فلاپ‌ها بسیار کند هستند و نمی‌توانند با انتقال پرسرعت سیگنال‌های رادیویی گیگاهرتز همگام شوند. بنابراین شمارنده های RF از پیش مقیاس کننده ها یا سایر اجزای کاهش مقیاس فرکانس استفاده می کنند تا ابتدا فرکانس سیگنال های ورودی را تا محدوده مگاهرتز کاهش دهند.

تایمرهای شمارنده

اینها آنالایزرهای بازه زمانی نیز نامیده می شوند و برای اندازه گیری بازه زمانی دقیق بهینه شده اند.

شمارنده های دامنه مدولاسیون

این شمارنده‌ها برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌های مدوله‌شده در جایی که سیگنال حامل، دوره‌ای است اما الگوی آن توسط یک طرح مدولاسیون فرکانس مبهم است، تخصیص می یابند.

انواع فرکانس شمار بر اساس فاکتورهای فرم

شمارشگرهای فرکانس را نیز می توان بر اساس فاکتورهای فرم و واسط آنها به موارد زیر طبقه بندی کرد:

تجهیزات رومیزی
تجهیزات دستی
ماژول های سخت افزاری که به تجهیزات تست مدولار متصل می شوند
بلوک های تعبیه شده در مدارهای مجتمع خاص
بلوک های منطقی در آرایه های قابل برنامه ریزی میدانی

کدام صنایع از فرکانس شمار استفاده می کنند؟

انواع مختلف شمارشگرهای فرکانس هر جا که نیاز به اندازه گیری فرکانس و زمان بسیار دقیق باشد، مانند صنایع زیر استفاده می شود:

تولید قطعات الکترونیکی

اندازه گیری فرکانس و زمان دقیق برای کنترل کیفیت انواع قطعات الکترونیکی ضروری است مانند:

اسیلاتورها
حلقه های قفل فاز
ماژول های ساعت
مبدل آنالوگ به دیجیتال
مدارهای تایمر
تقسیم کننده های فرکانس

فرکانس شمار به عنوان تستر در این صنایع استفاده می شود.

صنایع دفاعی

شمارنده های RF برای کنترل کیفیت سیستم های رادار و سونار حیاتی استفاده می شود.

سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی
سیستم های مخابراتی

به طور مشابه، شمارشگرهای فرکانس برای دستیابی به ویژگی های زمان بندی و فرکانس دقیق در تجهیزات مخابراتی بی سیم مانند ایستگاه های پایه 5G استفاده می شود.

فرکانس شمار چگونه فرکانس را اندازه گیری می کند؟

فرکانس تعداد چرخه های کامل یک سیگنال را در واحد زمان اندازه گیری می کند. دو روش اندازه گیری فرکانس وجود دارد.

اولین مورد که تکنیک اندازه‌گیری فرکانس مستقیم نامیده می‌شود، فقط تعداد چرخه‌های تکمیل شده را در یک بازه زمانی ثابت به نام زمان گیت می‌شمارد. این کار به شرح زیر است:

یک ساعت بسیار دقیق به نام پایگاه زمانی، دروازه‌بندی را انجام می‌دهد، که فرآیند اندازه‌گیری تعداد چرخه‌های تکمیل شده در یک بازه زمانی دروازه(گیت) ثابت است.
فرکانس را به عنوان تعداد چرخه های اندازه گیری شده تقسیم بر زمان دروازه(گیت) گزارش می دهد.

برخی از معایب در اینجا آشکار است:

لازم نیست زمان گیت با چرخه سیگنال منطبق باشد، که منجر به اندازه‌گیری نادرست تعداد چرخه‌ها می‌شود.
برای سیگنال های فرکانس پایین، هر چرخه ممکن است زمان زیادی طول بکشد. شمارنده برای اندازه گیری دقیق چرخه ها باید زمان دروازه طولانی را تنظیم کند.

یک رویکرد جایگزین و بهتر، تکنیک اندازه‌گیری متقابل است. به جای شمارش تعداد چرخه های تکمیل شده در یک زمان دروازه ثابت:

منتظر می ماند تا تعداد چرخه های ثابت (پیکربندی شده داخلی) کامل شود.
با استفاده از یک پایگاه زمانی داخلی یا خارجی با دقت بالا، زمان صرف شده برای تکمیل این چرخه ها را دقیقا اندازه گیری می کند. آن زمان، زمان دروازه(گیت) آن است.
فرکانس را با تقسیم تعداد چرخه ها بر زمان گیت اندازه گیری شده محاسبه می کند. از این رو نام آن متقابل است زیرا زمان در هر چرخه را اندازه گیری می کند و سپس معکوس آن را برای محاسبه فرکانس می گیرد.

مزایای تکنیک متقابل عبارتند از:

همان تعداد ارقام وضوح فرکانس بدون توجه به فرکانس ورودی، خواه هرتز یا گیگاهرتز
بسیار دقیق در فرکانس های بسیار پایین و بسیار بالا

با این حال، شمارشگرهای فرکانس متقابل هزینه بیشتری برای ساخت دارند.

اجزای کلیدی یک فرکانس متر چیست؟

پایگاه زمانی دقیق: پایگاه زمانی یک ساعت داخلی و مدار دروازه ای است که برای اندازه گیری دقیق چرخه ها یا زمان بندی بر اساس تکنیک اندازه گیری استفاده می شود.
تقویت کننده ورودی، تضعیف کننده و پیش مقیاس کننده: این اجزاء سیگنال ورودی را برای مطابقت با مدار شمارنده تغییر می دهند. آنها سیگنال های ضعیف را تقویت می کنند، سیگنال های قوی را کاهش می دهند، نویز فرکانس بالا را مسدود می کنند و تطبیق امپدانس را فراهم می کنند.
مدار تریگر یا مقایسه کننده: مدار تریگر دقیقاً زمان شروع و پایان هر چرخه موج ورودی را تعیین می کند.
مدار شمارنده: اینجاست که شمارش واقعی چرخه ها و اندازه گیری زمان اتفاق می افتد. این شامل مدارهای منطقی دیجیتال با اجزایی مانند فلیپ فلاپ و گیت های NAND است که هر زمان که سیگنال ورودی از سطوح تریگر عبور کند، توسط سیگنال ورودی فعال می شود.
میکروپروسسور
منبع تغذیه
مدار رابط و رابط های خارجی به سایر تجهیزات
مدار نمایشگر

مشخصات کلیدی فرکانس متر چیست؟

تعداد کانال های ورودی
محدوده فرکانس و حداکثر فرکانس هر کانال
وضوح فرکانس، که دقت فرکانس است که به عنوان تعداد ارقام بیان می شود
وضوح زمانی، که کوچکترین اختلاف زمانی قابل اندازه‌گیری بین دو رویداد در یک شات است و در نانوثانیه یا پیکوثانیه بیان می‌شود.
وضوح فاز بر حسب درجه
سرعت انتقال داده به رابط های خارجی