Вимірювання частоти
Найважливішою характеристикою періодичних процесів є частота, яка визначається числом повних циклів (періодів) коливань за одиничний інтервал часу. Необхідність у вимірюванні частоти виникає в багатьох областях науки і техніки і особливо часто - в радіоелектроніці, яка охоплює велику область електричних коливань від інфранизьких до надвисоких частот включно.
Для вимірювання частоти джерел живлення электрорадіопристроїв застосовують електромагнітні, електро - і феродинамічні частотоміри з
безпосередньою оцінкою за шкалою логометричного вимірювача, а також камертонні частотоміри. Ці прилади мають вузькі межі вимірювань, зазвичай в межах +-10% одній з номінальних частот 25, 50, 60, 100, 150, 200, 300, 400, 430, 500, 800, 1000, 1500 і 2400 Гц, і працюють при номінальній напрузі 36, 110, 115, 127, 220 або 380 в.
Дуже низькі частоти (менш 5 Гц) можна наближено визначити підрахунком числа повних періодів коливань за фіксований проміжок часу, наприклад, за допомогою магнітоелектричного приладу, включеного в досліджувану ланцюг, і секундоміра; шукана частота дорівнює середньому числу періодів коливань стрілки приладу в 1 с. Низькі частоти можуть вимірюватися методом вольтметра, мостовим методом, а також методами порівняння з опорною частотою за допомогою акустичних биттів або електронно-променевого осцилографа. В широкому діапазоні низьких і високих частот працюють частотоміри, засновані на методах заряду - розряду конденсатора і дискретного рахунку. Для вимірювання високих і надвисоких частот (від 50 кГц і вище) застосовуються частотоміри, що базуються на резонансному і гетеродинному методі. На НВЧ (від 100 МГц і вище) широко застосовується метод безпосередньої оцінки довжини хвилі електромагнітних коливань за допомогою вимірювальних ліній.
Якщо досліджувані коливання мають форму, відмінну від синусоїдальної, то, як правило, вимірюється частота основної гармоніки цих коливань. Якщо необхідний аналіз частотного складу складного коливання, то застосовуються спеціальні прилади - аналізатори спектру частот.
Сучасна вимірювальна техніка дозволяє вимірювати високі частоти з відносною похибкою до 10-11%; це означає, що частота приблизно 10 МГц може бути визначена з помилкою не більше 0,0001 Гц. В якості джерел високо стабільних зразкових частот використовують кварцові, молекулярні та атомні генератори, а в області низьких частот - камертонні генератори. Методи стабілізації частоти, що застосовуються на радіомовних станціях, дозволяють підтримувати частоту з відносною похибкою не більше 10-6, тому їх несучі частоти можна успішно використовувати в якості опорних при частотних вимірах.
У багатьох випадках радіотехнічної практики при вимірюванні низьких частот можна допустити похибку до 5-10%, а при вимірюванні високих частот - до 0,1-1%, що полегшує вимоги до схеми і конструкції застосовуваних частотомірів.
Вимірювання частоти за допомогою вольтметра
Найбільш простим є непрямий спосіб вимірювання частоти, заснований на залежності опору реактивних елементів від частоти протікання по них струму. Схема вимірювань наведена на (рис. 1.2).
Рисунок 1.2 − Схема вимірювання частоти за допомогою вольтметра
До джерела коливань частоти Fx підключається
ланцюг з без реактивного резистора R і
конденсатора С з малими втратами,
параметри яких точно відомі. Високоомним
вольтметром змінного струму V з межею
вимірювання, близьким до значення
вхідної напруги, по черзі вимірюються
напруги UR і UC на елементах ланцюга.
Оскільки,
,
a
(де I - струм в ланцюзі), то ставлення
,
звідки слідує (1.3):
(1.3)
Вхідний опір вольтметра V має, принаймні в 10 разів, перевищувати опір кожного з елементів ланцюга. Однак вплив вольтметра можна виключити, якщо використовувати його лише в якості індикатора рівності напруг UR і UC, що досягається, наприклад, плавною зміною опору R. У цьому випадку вимірювана частота визначається простою формулою (1.4):
(1.4)
і при незмінній ємності конденсатора C змінний резистор R можна забезпечити шкалою зі звітом у значеннях Fx.
Оцінимо можливий порядок вимірюваних частот. Якщо резистор R має максимальний опір RM = 100 кОм, то при С = 0,01 мкФ, 1000 і 100 пФ верхня межа вимірювань складе відповідно 160, 1600 і 16000 Гц. При виборі RM = 10 кОм і тих же значеннях ємностей ці межі виявляться рівними 1600 Гц, 16 і 160 кГц. Ефективність методу залежить від точності підбору номіналів і якості елементів RС-ланцюга.