Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Pomiary częstotliwości - wprowadzenie

Autor przedstawia definicję częstotliwości i jej jednostkę oraz omawia cyfrowe, bezpośrednie i pośrednie pomiary częstotliwości przywołując dla nich wzory matematyczne.
Autor przedstawia definicję częstotliwości i jej jednostkę oraz omawia cyfrowe, bezpośrednie i pośrednie pomiary częstotliwości przywołując dla nich wzory matematyczne.
Rys. redakcja EI

Pojęcie częstotliwości związane jest z sygnałem okresowym. Częstotliwość jest wielkością ściśle związaną z czasem, a określa się ją dla zjawisk powtarzających się periodycznie.

***

W artykule:

• Definicja częstotliwości oraz jej jednostka
• Cyfrowy, bezpośredni i pośredni pomiar częstotliwości

Częstotliwość przebiegu jest to liczba powtórzeń przebiegu okresowego w jednostce czasu t.

  (1)

gdzie:

n – liczba naturalna,
t – jednostka czasu.

Podstawową jednostką częstotliwości jest jeden herc (1 Hz = 1/s). Jest to częstotliwość zjawiska powtarzającego się jeden raz na sekundę. Czas trwania jednego powtórzenia zjawiska periodycznego nosi nazwę okresu T. Zależność między częstotliwością f przebiegu periodycznego a jego okresem T jest następująca:

  (2)

Pomiar częstotliwości sygnałów należy do bardzo ważnych zagadnień pomiarowych, ponieważ występowanie przebiegów okresowych w technice jest powszechne.

Istotną właści­wością cyfrowych pomiarów częstotliwości i czasu jest możliwość korzystania z bardzo dokładnych wzorców tych wielkości, do których zaliczamy atomowe rezonatory cezowe i powszechnie stosowane rezonatory kwarcowe. Z tego względu w 1967 r. przyjęto następującą definicję jednostki czasu: „Sekunda jest to czas równy 9 192 631 770 okresów promieniowania, odpowiadający przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133”.

Cyfrowy pomiar częstotliwości

Zasada cyfrowego pomiaru częstotliwości polega na zliczaniu liczby okresów zjawiska w określonym przedziale czasu.

Rozróżnia się dwie metody cyfrowego pomiaru częstotliwości fx [1, 2]:

  • metodę bezpośrednią, polegającą na zliczaniu impulsów o częstotliwości fx we wzorcowym czasie Tw,
  • metodę pośrednią, polegającą na zliczaniu impulsów o wzorcowej częstotliwości fw w czasie równym krotności k okresu Tx badanego przebiegu.

Bezpośredni pomiar częstotliwości

Schemat blokowy do pomiaru częstotliwości pokazano na rys. 1. Natomiast przebiegi czasowe napięć w tym układzie ilustruje rys. 2.

Rys. 1. Schemat blokowy układu do pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednią, gdzie: Wz – wzmacniacz, GW – generator wzorcowy, UF – układy formujące, Df – dzielnik częstotliwości, PB – przerzutnik bramkujący, B – bramka, L + W – licznik z wyświetlaczem [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 1. Schemat blokowy układu do pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednią, gdzie: Wz – wzmacniacz, GW – generator wzorcowy, UF – układy formujące, Df – dzielnik częstotliwości, PB – przerzutnik bramkujący, B – bramka, L + W – licznik z wyświetlaczem [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 2. Przebiegi czasowe przetwarzanych napięć w układzie pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednią [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 2. Przebiegi czasowe przetwarzanych napięć w układzie pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednią [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]

Wzmocnione we wzmacniaczu Wz napięcie U1 o mierzonej częstotliwości fx zostaje ukształtowane w układzie formującym UF1 w ciąg impulsów U2, podawanych do bramki B.

Układ taktujący, składający się z generatora wzorcowego GW, układu formującego UF2 i dzielnika częstotliwości Df, wytwarza ciąg impulsów U3. Impulsy te sterują przerzutnikiem bramkującym PB.

Przerzutnik PB formuje impuls bramkujący U4 o czasie trwania Tw. W tym czasie bramka jest otwarta i do licznika doprowadzane są impulsy o częstotliwości fx [3, 4].

Liczba zliczonych impulsów w czasie Tw, pokazana przez wskaźnik W, wyznacza wartość mierzonej częstotliwości fx:

  (3)

gdzie:

fx – mierzona częstotliwość,
Tw – czas trwania impulsu bramkującego U4,
N – liczba zliczonych impulsów w czasie Tw.

Błąd pomiaru częstotliwości jest sumą trzech błędów składowych:

 (4)

gdzie:

δTw – błąd wzorca częstotliwości,
δB – błąd bramkowania, który wynika ze skończonego czasu otwierania i zamykania bramki oraz wpływu poziomu wyzwalania i szerokości impulsu bramkującego (rys. 3),
δN – błąd zliczania (dyskretyzacji), którego przyczyną jest przypadkowe przesunięcie w czasie względem siebie impulsu bramkującego (określającego czas zliczania) i impulsów częstotliwości mierzonej (rys. 4).

Rys. 3. Ilustracja powstawania błędu bramkowania [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 3. Ilustracja powstawania błędu bramkowania [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 4. Ilustracja powstawania błędu zliczania [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 4. Ilustracja powstawania błędu zliczania [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]

Wartość bezwzględna błędu zliczania (dyskretyzacji) ΔN = ±1 impuls, stąd:

 (5)

Jak wynika z powyższej zależności, błąd zliczania ogranicza od dołu zakres pomiaru częstotliwości. Im mniejsza jest wartość fx, tym większy będzie błąd zliczania.

Zmniejszenie błędu zliczania poprzez zwiększenie czasu Tw jest ograniczone ze względu na czas trwania pomiaru oraz ze względu na to, że przy zmianach częstotliwości fx w czasie zliczania miernik, będzie uśredniał jej wartość [3, 4].

Po przekształceniu zależności (5) otrzymuje się równanie, które określa podstawową regułę błędu pomiaru częstotliwości:

(6)

Po założeniu, że δN nie może przekroczyć określonej wartości, można z charakterystyki δN · Tw = f(fx) określić odpowiednie wartości Twfx.

Pośredni pomiar częstotliwości

Wielkością mierzoną jest w tym przypadku czas Tx równy okresowi badanego przebiegu lub jego wielokrotności kTx.

Częstotliwość jest wyznaczana pośrednio, zgodnie z zależnością fx=l/Tx.

Pomiar wykonuje się w układzie, którego schemat blokowy pokazano na rys. 5.

Rys. 5. Schemat blokowy układu do pomiaru częstotliwości metodą pośrednią, gdzie: GW – generator wzorcowy, UF – układy formujące, Df – dzielniki częstotliwości, B – bramka, PB – przerzutnik bramkujący, Wz – wzmacniacz, L + W – licznik z wyświetlaczem [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 5. Schemat blokowy układu do pomiaru częstotliwości metodą pośrednią, gdzie: GW – generator wzorcowy, UF – układy formujące, Df – dzielniki częstotliwości, B – bramka, PB – przerzutnik bramkujący, Wz – wzmacniacz, L + W – licznik z wyświetlaczem [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]

Przebiegi czasowe napięć w tym układzie ilustruje rys. 6.

Rys. 6. Przebiegi czasowe przetwarzanych napięć w układzie pomiaru częstotliwości metodą pośrednią [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]
Rys. 6. Przebiegi czasowe przetwarzanych napięć w układzie pomiaru częstotliwości metodą pośrednią [źródło: D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000]

W porównaniu z układem przedstawionym na rys. 1., nastąpiła tu zmiana funkcji pomiędzy generatorem częstotliwości wzorcowej fw a źródłem częstotliwości mierzonej fx [3, 4].

Zliczane są impulsy o częstotliwości fw w czasie kTx:

 (7)

 (8)

Błąd pomiaru częstotliwości jest, podobnie jak w metodzie bezpośredniej, sumą błędów: wzorca częstotliwości, bramkowania i zliczania (rys. 3).

Błąd zliczania (dyskretyzacji) (rys. 4), dla przypadku pomiaru pośredniego, wyraża się zależnością:

 (9)

Błąd ten ogranicza od góry zakres pomiaru częstotliwości. Jest tym mniejszy, im mniejsza jest częstotliwość mierzona i im większa jest częstotliwość wzorcowa i współczynnik podziału k.

W przypadku częstościomierzy z kwarcowym generatorem wzorcowym dominującym składnikiem błędu jest na ogół błąd zliczania.

Jeśli pominie się pozostałe składniki błędu pomiaru, można obliczyć dla danych częstotliwości wzorcowych, dla obu metod, graniczną wartość częstotliwości mierzonej fxgr, wyznaczającą zakres prawidłowego stosowania każdej z metod.

Błąd zliczania w obu metodach jest taki sam, gdy częstotliwość graniczna:

 (10)

gdzie:

fw1 – częstotliwość wzorcowa dla metody bezpośredniej Tw=1/fw1,
fw2 – częstotliwość wzorcowa dla metody pośredniej.

Rys. 7. Zależność względnego błędu zliczania l/N od częstotliwości mierzonej dla obydwu metod cyfrowego pomiaru częstotliwości [źródło: D. Koczela (redakcja), Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001]
Rys. 7. Zależność względnego błędu zliczania l/N od częstotliwości mierzonej dla obydwu metod cyfrowego pomiaru częstotliwości [źródło: D. Koczela (redakcja), Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001]

Zależność błędu zliczania od częstotliwości mierzonej, dla obu metod, przedstawiono na rys. 7. Wynika z niego prawidłowe stosowanie odpowiedniej metody cyfrowego pomiaru częstotliwości [5]:

dla fx  (0, fxgr> – właściwa jest metoda pośrednia,
dla fx  <fxgr, ∞) – właściwa jest metoda bezpośrednia.

Największy błąd zliczania δmax uzyskuje się dla częstotliwości granicznej fxgr i jest on wyrażony zależnością:

  (11)

Można zauważyć, że najkorzystniejsze warunki występują w przypadku wyboru największej częstotliwości wzorcowej fw2 w metodzie pośredniej i najmniejszej częstotliwości wzorcowej fw1 w metodzie bezpośredniej ze zbioru dostępnych częstotliwości wzorcowych.

Literatura

1. J. Dusza, G. Gortat, A. Leśniewski, Podstawy miernictwa, WPW, Warszawa 2002.
2. Z. Kuśmierek (redakcja), Metrologia elektryczna i elektroniczna. Ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1999.
3. D. Turzyniecka (redakcja), Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000.
4. Bieńkowski, K. Kuczyński, Wprowadzające materiały pomocnicze do zajęć w Laboratorium Miernictwa Elektrycznego (preskrypt).
5. D. Koczela (redakcja), Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.
6. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki, Metrologia elektryczna, Warszawa 2010.

Czytaj też: Zastosowanie mierników cyfrowych do pomiaru prądu >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 9/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Kompleksowe inspekcje termowizyjne - gdzie szukać pomocy? »

Termowizja inspekcja

Przez ostatnie stulecie zbudowano wiele urządzeń pomiarowych w zakresie podczerwieni, ale największe możliwości i popularność zyskały rozwiązania... czytam dalej »

 


Jaki silnik elektryczny wybrać? »

silnik elektryczny

W działaniu wielu maszyn i urządzeń technicznych wymagany jest ruch postępowy lub postępowo-zwrotny. Zazwyczaj ruch ten wytwarzają (...) czytam więcej »

 


Łączniki elektroinstalacyjne - rodzaje i sposób działania?

Oświetlenie zewnętrzne LED - dobór i zastosowanie»

Ranki łączniki gniazdka oswietlenie zewnętrzen LED
W każdej standardowej instalacji elektrycznej w budynku występują gniazda wtyczkowe oraz łączniki. Ich budowa oraz sposób zamocowania zależą od miejsca zainstalowania oraz metody wykonania (...) czytam więcej » Wymiana opraw oświetlenia zewnętrznego ze źródłami LED przynosi przede wszystkim poprawę efektywności energetycznej oświetlenia ulicznego. Oświetlenie LED posiada również (...) czytam dalej »

 


Przyrządy kontrolne i pomiarowe - zobacz niezawodne rozwiązania»

narzedzia pomiarowe dla elektryka Miernik napięcia, ciągłości i kolejności faz są zaprojekotwane do testowania napięcia, fazy, polaryzacji, kolejności faz i półprzewodników. Cyfrowy multimetr oraz cyfrowy miernik cęgowy oferują idealne rozwiązania dla wszystkich wymagań i możliwych zastosowań. Mierniki wykorzystują standardowe (...) czytam dalej »


Zobacz jakie oprawy zaprezentowano na Energetab 2019  »

Wiele nowych produktów od najlepszych w branży marek »

Samochody elektryczne i  mobilne stacje elektronika
Oświetlenie awaryjne ma zapewnić bezpieczne opuszczenie zajmowanych przestrzeni podczas awarii zasilania opraw oświetlenia podstawowego. Niejednokrotnie zanik oświetlenia podstawowego nie jest spowodowany zwykłą awarią zasilania czy wyłączeniem(...) czytam więcej » Poznaj pierwszy w branży przewodnik elektroniczny po złączach. Internetowe narzędzie referencyjne ułatwiające dobór złączy. (...) chcę zobaczyć »

 


Odpowiednie oświetlenie - prawidłowy dobór oświetlenia w projekcie »

projekt oświetlenia Są takie miejsca w domu, o których nie myśli się w pierwszej kolejności. Zostawia się je na później, dopiero wtedy, gdy zadba się o ważniejsze pomieszczenia. Tak jest często (...) czytam dalej »

 


Jak zapewnić bezprzerwowe zasilanie gwarantowane? »

Kolektor słoneczny – urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło »

zasilanie gwarantowane panele słoneczne
Co rusz znaczenie tego problemu uświadamiają nam przechodzące nad naszym krajem orkany i wichury oraz widmo blackoutu, wynikające z pojawiającego się latem ogromnego zapotrzebowania na ... czytam więcej » Udział energii słonecznej w Polsce jest bardzo niski i według urzędu statystycznego, pozyskanie energii z promieniowania słonecznego w porównaniu do innych źródeł odnawialnych w 2017 roku wyniósł niecałe 1%.... czytam dalej »

Szafy energetyczne, sterowniczne, rozdzielcze - dlaczego nie wiesz co wybrać? »

szafy rozdzielcze i sterownicze Zgrupowanie urządzeń elektroenergetycznych wraz z szynami zbiorczymi, połączeniami elektrycznymi, elementami izolacyjnymi i osłonami, służący do rozdziału energii elektrycznej i łączenia oraz ... czytam dalej »


Bezprzewodowa automatyka domowa - i możesz sterować wszystkim w domu »

Intuicyjne oprogramowanie do projektowania listew ze złączkami !

Automatyka domowa - sterowaniem ze smatfona Projektowanie listew - oprogramowanie
Nowoczesny smartdom powinien być gotów na każde życzenie. Dlatego rozwiązania bezprzewodowej automatyki domowej dają Ci zdalną kontrolę nad funkcjami Twojego domu - oświetleniem, roletami, ogrzewaniem ... czytam więcej » Intuicyjne oprogramowanie do projektowania listew ze złączkami oraz profesjonalnego opisywania oznaczników do złączek szynowych, przewodów, kabli, urządzeń i instalacji. Oprogramowanie dostępne jest bezpłatnie na stronie www ... chcę poznać »

Małe, średnie i duże systemy sterowania »

Sterowniki plc Jeszcze kilka lat temu sterowniki PLC „tylko” wspierały pracowników przy wykonywaniu monotonnych zadań i zwiększaniu szybkości produkcji. Aktualnie każda produkcja ... czytam dalej »


Złącza silnoprądowe - czy silikon sobie poradzi?

Złącza silnopradowe Czy możemy zastosować elastyczne przewody silikonowe i czy są one odporne na uszkodzenie i wysokie temperatury? Przykładowo dla przekroju kabla 240 mm2 ... chcę obejrzeć »


Może Cię to zainteresuje ▼

Wyświetlacz cyfrowy - jaki wybrać?

Technologie robotyczne zgodne z koncepcją Industry 4.0 » »

wyświetlacze cyfrowe robotyka i automatyka
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Nowoczesne urządzenia mechaniczne nic nie znaczyłyby bez ukrytej w nich elektroniki, dizęki której ... czytam dalej »


Odczyty cyfrowe - przyrządy przeznaczone do wyświetlania położenia »

czytniki cyfrowe Współpracują z przetwornikami przemieszczeń liniowych (liniały) i kątowych (enkodery). Wykonywane są w różnych wersjach dostosowanych do (...) czytam dalej »


1-fazowe liczniki energii elektrycznej - widziałeś to?!

Inteligentny system dystrybucji mocy »

Liczniki energii jakie wybrać moc
Wymagania stawiane licznikom energii elektrycznej zawarte są w normach oraz przepisach (...) czytam dalej » Uniwersalne zastosowanie, w pojedynczych szafach sterowniczych, jak też w kompletnych systemach... czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
10/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Projekt zasilania pompowni pożarowej
  • - Przekładniki niekonwencjonalne wykorzystywane w automatyce elektroenergetycznej
Zobacz szczegóły
COMEX S.A. COMEX S.A.
O firmie COMEX S.A. od początku swojej działalności, tj. od 1987 zajmuje się kompleksową obsługą klientów w zakresie zasilania...

Ciekawe strony

Elektryk na Fixly.pl

EPS System - agregaty prądotwórcze

Producent oświetlenia

Ciekawa Architektura

Instalacje

Literatura fachowa

Rekuperacja

Termomodernizacja

Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl