第4节 模拟信号频率的测量
第四节 模拟信号频率的测量
采样频率应该是待测频率的5-10倍。
除了信号采样速率外，还需要确定采样数量。至少要获取三个周期的信号样本。然而，在实际测量中，需要抽取10或10个以上周期。例如，假如使用500S/s的采样速率测量频率为100Hz的信号，应该至少收集15个样本或点。是由于取样速率大约是信号频率的5倍，所以能在每个周期内抽取到大约5个样本点。又因为需要的数据是来自三个周期的，所以有5 points × 3 cycles =15 points。
频率分辨率
采集的点数决定了频率的分辨率。采样率除以采集点数就是频率分辨率（fSAMPLE/N ）。例如，如果是以500S/s进行采样和收集100个点话，得到的频率分辨率为5Hz。要想得到更小的频率分辨率，就要增加采集的点数。
说明：功率谱图在频率轴（x轴）上的频率范围和分辨率取决于采样速率和数据记录的长度（采样点数）。功率谱图上的频率点数或谱线数为N/2 ，N是信号采样记录中包含的点数。所有的频点间隔为fSAMPLE/N ，通常称之为频率分辨率或FFT 分辨率。
对连续信号分析时的参数选择原则
fh----信号最高截止频率
fs ----采样速率
Tp ----信号记录时间（观察时间）
F-----频(谱)率分辨率（频域采样时的最小频率间隔）
N-----采样点数
Tp和N的选择按照下式进行
软件举例
使用NI-DAQmx VIs测量波形的频率。DAQmx Create Virtual Channel VI创建一个虚拟通道获取电压信号。当样本模式设置被设为有限时，DAQmx Timing VI对Sample Clock进行设置。Samples per Channel and Rate决定了每个通道需要的信号样本数和采样速率。例如要以500S/s返回100个样本点，因此采样所需时间为1/5秒。DAQmx Read VI测量100个电压信号样本并发送波形到the Extract Single Tone Information VI中，它能返回所频率读数。
使用仪器测量频率
一些仪器本身带有频率测量的功能，使用频率计，示波器或是频谱分析仪都可以完成相应的功能，仪器能返回频率值，直接用软件读取即可。
频率混叠的问题
问题：待测频率500Hz，干扰频率800Hz，混叠频率200Hz
解决方法1：采样前加硬件滤波器
解决方法2：提高采样的频率(至少2倍最高干扰频率以上)＋软件滤波器
理想滤波器与实际滤波器
图中的Ideal Filter是理想化的滤波器。高于奈奎斯特频率的所有频率都不能通过滤波器。而在图 中的Real Filter实际上能使用Butterworth滤波器来完成滤波。Vout/Vin之比接近于1时，它为通频带。Vout/Vin之比接近于0时，它为衰减带。在Vout/Vin之比从1到0的过渡区，频率逐渐增加。
软件滤波器
可以利用软件在测量频率之前对信号进行滤波。LabVIEW提供了Digital IIR 滤波器和FIR滤波器 。能使用IIR filter specifications control对滤波器进行参数选择。
在此例中，低通Butterworth滤波器被设为第五阶，它的下截止频率为250Hz。滤波器的阶数决定了过渡区的陡峭程度。阶数越高，过渡区越陡峭。然而，低阶数能减少运算时间和误差。本滤波器忽略了上截止频率、带通脉冲和带阻衰减。
采样频率应该是待测频率的5-10倍。
除了信号采样速率外，还需要确定采样数量。至少要获取三个周期的信号样本。然而，在实际测量中，需要抽取10或10个以上周期。例如，假如使用500S/s的采样速率测量频率为100Hz的信号，应该至少收集15个样本或点。是由于取样速率大约是信号频率的5倍，所以能在每个周期内抽取到大约5个样本点。又因为需要的数据是来自三个周期的，所以有5 points × 3 cycles =15 points。
频率分辨率
采集的点数决定了频率的分辨率。采样率除以采集点数就是频率分辨率（fSAMPLE/N ）。例如，如果是以500S/s进行采样和收集100个点话，得到的频率分辨率为5Hz。要想得到更小的频率分辨率，就要增加采集的点数。
说明：功率谱图在频率轴（x轴）上的频率范围和分辨率取决于采样速率和数据记录的长度（采样点数）。功率谱图上的频率点数或谱线数为N/2 ，N是信号采样记录中包含的点数。所有的频点间隔为fSAMPLE/N ，通常称之为频率分辨率或FFT 分辨率。
对连续信号分析时的参数选择原则
fh----信号最高截止频率
fs ----采样速率
Tp ----信号记录时间（观察时间）
F-----频(谱)率分辨率（频域采样时的最小频率间隔）
N-----采样点数
Tp和N的选择按照下式进行
软件举例
使用NI-DAQmx VIs测量波形的频率。DAQmx Create Virtual Channel VI创建一个虚拟通道获取电压信号。当样本模式设置被设为有限时，DAQmx Timing VI对Sample Clock进行设置。Samples per Channel and Rate决定了每个通道需要的信号样本数和采样速率。例如要以500S/s返回100个样本点，因此采样所需时间为1/5秒。DAQmx Read VI测量100个电压信号样本并发送波形到the Extract Single Tone Information VI中，它能返回所频率读数。
使用仪器测量频率
一些仪器本身带有频率测量的功能，使用频率计，示波器或是频谱分析仪都可以完成相应的功能，仪器能返回频率值，直接用软件读取即可。
频率混叠的问题
问题：待测频率500Hz，干扰频率800Hz，混叠频率200Hz
解决方法1：采样前加硬件滤波器
解决方法2：提高采样的频率(至少2倍最高干扰频率以上)＋软件滤波器
理想滤波器与实际滤波器
图中的Ideal Filter是理想化的滤波器。高于奈奎斯特频率的所有频率都不能通过滤波器。而在图 中的Real Filter实际上能使用Butterworth滤波器来完成滤波。Vout/Vin之比接近于1时，它为通频带。Vout/Vin之比接近于0时，它为衰减带。在Vout/Vin之比从1到0的过渡区，频率逐渐增加。
软件滤波器
可以利用软件在测量频率之前对信号进行滤波。LabVIEW提供了Digital IIR 滤波器和FIR滤波器 。能使用IIR filter specifications control对滤波器进行参数选择。
在此例中，低通Butterworth滤波器被设为第五阶，它的下截止频率为250Hz。滤波器的阶数决定了过渡区的陡峭程度。阶数越高，过渡区越陡峭。然而，低阶数能减少运算时间和误差。本滤波器忽略了上截止频率、带通脉冲和带阻衰减。
