Измерение частоты и периода сигнала

Частота и период электрического сигнала
Циклическая частота f – число колебаний в единицу времени.
Период Т – интервал времени, через который мгновенное значение сигнала повторяется.
Т=1/f
Угловая частота гармонического сигнала ω:
ω=2πf

Исторически сложились следующие обозначения:
f – радиотехнические высокие частоты;
F – радиотехнические низкие частоты;
T - период.
Для неграмонических колебаний справедливо лишь понятие периода, но не частоты.

Единицы измерения частоты и периода

Кратные и дольные единицы частоты и периода

Спектр частот
(по диапазонам)
Инфразвуковой: ниже 20 Гц;
Звуковой: 20 Гц – 20 кГц;
Ультразвуковой: 20-200 кГц;
Высокочастотный: 200 кГц – 30 МГц.
СВЧ: свыше 30 МГц.

Основные методы измерения частоты

Основные характеристики частотомеров
При выборе прибора для измерений необходимо знать основные метрологические характеристики:
диапазон измерения частот;
допустимая погрешность измерений;
чувствительность (минимальное напряжение или мощность, при которой может работать данный прибор).

Каталоговая классификация частотомеров
Ч1 – образцовые (стандарты частоты);
Ч2 – резонансные;
Ч3 – электронные;
Ч4 – гетеродинные волномеры;
Ч5 – преобразователи частоты;
Ч6 – синтезаторы, делители, умножители частоты.
В практике электротехнических измерений в большинстве случаев измеряют линейную частоту.

Резонансный метод измерения частоты
Этот метод относится к высоко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении измеряемой частоты fх с собственной резонансной частотой f0 измерительного колебательного контура или резонатора.
Погрешность резонансных частотомеров составляет порядка 1 %.

Вид резонансной кривой

Обобщенная структурная схема резонансного частотомера

Резонансный частотомер

Достоинства резонансного метода измерения частоты:
простота и удобство в эксплуатации.
Недостатки:
узкие пределы измерений;
достаточно высокая погрешность измерений.

Осциллографические методы измерения частоты
Частота может измеряться как величина, обратная периоду сигнала.

Осциллографический метод (метод фигур Лиссажу)
Сигналы измеряемой частоты fx и образцовой частоты f0 подаются на каналы У и Х соответственно. Изменением образцовой частоты добиваются появления на экране неподвижной фигуры.

Метод фигур Лиссажу (продолжение)
Для определения fx проводят горизонтальную и вертикальную касательные к фигуре и подсчитывают число касаний n с горизонталью и вертикалью. Соотношение частот определяется как отношение количества касаний с вертикалью к количеству касаний с горизонталью f0/fx=nB/nг.

Осциллографические методы относятся к лабораторным методам измерения частоты.
Их погрешность составляет 1,5-2,0 %.

Электронные цифровые частотомеры
В основу их работы положен метод дискретного счета.

Достоинства цифровых частотомеров
Высокая точность измерений
(погрешность 10-6…10-9);
успешное использование на низких и высоких частотах;
субъективная ошибка оператора исключена;
возможность вывода данных на ПК;
возможность измерения не только частоты, но и длительности импульсов, соотношения частот, периода сигнала.

Цифровой частотомер АКИП 5102
Данный частотомер проводит измерения частоты, периода, длительности и скважности импульсов, отношения частот, пикового напряжения.

Задание на дом
Шишмарев В.Ю. Измерительная техника, – М.: Академия, 2010. Стр.167-186;
Хрусталева З.А. Электротехнические измерения, – М.: КноРус, 2011 Стр.127-137;
Работа со справочными пособиями «Устройство резонансного частотомера»

Контрольные вопросы
Какую физическую величину называют частотой сигнала?
Каковы формулы частоты и периода повторения сигналов?
В каких единицах измеряются частота и период сигнала в системе СИ?
Какие основные методы используются для измерения частоты и периода сигналов?
Какие метрологические характеристики приборов нужно знать при выборе для измерений частоты или периода сигнала?