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


Nowy wspornik do mocowania przewodów ochrony odgromowej?

Wspornik odgromowy W obudowie wykonanej z wysokiej jakości polietylenu kryje się betonowy rdzeń. Szczelnie zamknięta konstrukcja chroni go przed niekorzystnym wpływem czynników pogodowych i erozją(...) czytam dalej »


Elektryku, sprawdź, co zyskasz dołączając do Programu »

Badania kabli wysokiego napięcia - zobacz video »

Punkty same trafiają na Twoje konto, a Ty wygrywasz nagrody i uzyskujesz dostęp do wartościowych szkoleń. czytam dalej » Wiele firm zajmujących się budową linii kablowych nie posiada sprzętu do wykonania badań odbiorczych i badań po-naprawczych. Powód jest prosty...(...) czytam dalej »

Czego potrzebujesz, by zapewnić ochronę instalacji elektrycznych?

Przekaźniki priorytetowe stosujemy wtedy, gdy w obwód prądowy podłączone są minimum dwa odbiorniki dużej mocy mogące(...) czytam dalej »


Jakie są rodzaje liczników energii elektrycznej?

Tworzenie innowacyjnych i niezawodnych produktów oraz świadczenie usług z zakresu automatyzacji przemysłu oraz zarządzania energią jest misją... czytam dalej »


Jak sprawdzić gdzie mogą nastąpić awarie w urządzeniach elektrycznych»

Zintegrowane usługi materiałowe dla instalatorów »

Diagnozowanie urządzeń elektrycznych Produkty dla elektryków
Wykrycie elementu przegrzanego i prawidłowa klasyfikacja zagrożenia w zależności od obciążenia prądowego i przyrostu temperatury – to typowe zadania ... czytam dalej » Usługi materiałowe dla instalatorów  - poznaj zalety tego rozwiązania, zawsze masz dostęp do najnowszych jakościowo produktów i materiałów, możesz proponować swoim klientom konkurencyjne ceny, (...) czytam dalej »

Darmowy ebook “Sterowniki PLC, enkodery, pulpity sterownicze”»
ebook Sterowniki PLC i enkodery

Każdy nowo powstały obiekt nie może istnieć bez punktów rozdzielczych, które w związku z rozwojem (...) czytam dalej »


Sondy pomiarowe - jakie wybrać?

Prąd budowlany, czyli skąd czerpać energię elektryczną na czas budowy domu»

Sondy pomiarowe Staubli Prąd budowlany - skąd czerpać?
Na jakie parametry zwrócić uwagę i jak dokonywać pomiaru... czytam dalej » W trakcie budowy domu lub innej inwestycji wiele prac nie da się wykonać bez dostępu do energii elektrycznej (...) czytam dalej »

Szynoprzewody - zalety i opłacalność ich stosowania »
Szynoprzewody zalety i wady

System prawny w prawodawstwie polskim porządkuje ważność aktów prawnych w następujący sposób: konstytucja, ratyfikowane umowy... 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 »
6/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 6/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Zasilacze UPS w układach zasilania urządzeń elektromedycznych
  • - Oszczędność kosztów dla przedsiębiorstwa przemysłowego na podstawie analizy faktur zakupowych za media energetyczne
Zobacz szczegóły
Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej?

Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej?

Instalacja elektryczna znajduje się w każdym budynku i jest częścią układu niskiego napięcia. Powinna być wykonana z niezwykłą starannością oraz dokładnością. Co...
ELEKTROMETAL ELEKTROMETAL
PRODUKCJA - DYSTRYBUCJA - SERWIS przeciwwybuchowych i przemysłowych opraw oświetleniowych przeciwwybuchowych puszek rozgałęźnych,...
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