Měření kmitočtu
Frekvence
- Počet kmitů za určitý časový úsek (většinou se časový úsek volí 1 s).
- Označuje se f
- jednotkou je Hz (hertz, 1 Hz odpovídá jedné periodě za 1 s), můžeme se setkat se starší jednotkou c/s (cykly za sekundu, rozměr je stejný jako Hz)
- Zdroje přesného kmitočtu:
- Cesiový rezonátor (f = 9 192,631770 MHz, stabilita až 10-14/rok)
- Krystalem řízené oscilátory (stabilita až 10-9/rok, kmitočet odvozen od krystalu)
Rozdělení kmitočtů:
- nízkofrekvenční (akustické) - 0 až 20 kHz
- technické (od 5 Hz do 1 kHz)
- střední pásmo (většinou 20 Hz až 20 kHz)
- vysokofrekvenční (radiotechnické) - někdo pokládá dolní hranici na 10 (popř. 9) kHz (z důvodů použití v telefonii), někdo na 20 kHz zaleží na použití.
Měření
Přesnost závisí na přesnosti, s jakou je stanovena přesnost jednotky času. Před rokem 1956 byla 1 s definována jako 1/86480 středního slunečního dne. Dnes se využívají tzv. atomové hodiny s cesiovým oscilátorem.
V technické praxi se používají oscilátory řízené krystalovým výbrusem.
Přímá měření technických kmitočtů
Většinou pro měření technických kmitočtů se používají tzv. kmitoměry, které měří frekvenci ve velmi úzkém rozsahu.
Jazýčkový kmitoměr
Tento kmitoměr má soustavu rezonanční. Skládá se z řady ocelových jazýčků (tzv. hřebínek), z nichž každý je naladěn na jiný kmitočet (např. lišící se od sebe o 0,5 Hz). Proti jazýčkům je elektromagnet, jehož cívka je připojena ke zdroji, jehož kmitočet se měří. Elektromagnet je polarizován trvalým magnetem. Skládáním mg pole trvalého magnetu a elektromagnetu vzniká tzv. tepavé mg pole. Síla tohoto mg pole nejvíce rozkmitá jazýček naladěný na stejný kmitočet jako je kmitočet měřený. Takto upravený kmitoměr se nazývají Kempfovy. Výhoda těchto kmitoměrů je, že jazýček má stejnou rezonanční frekvenci, ale elektromagnet musí být polarizován, jinak by kmitočet jazýčku musel být dvojnásobný (menší výchylka - horší čtení).
Pokud elektromagnet rozkmitává celý hřebínek a jazýčky rozkmitává tedy nepřímo, protože kmity nosníku se přenášejí na jednotlivé jazýčky. takové kmitoměry označujeme jako Frahmovy (popř. Kempf-Frahmovy).
Jazýčkové kmitoměry jsou citlivé na otřesy a chvění. Dosažitelná přesnost je ±0,3 % při dovolené změně napětí o ±10 % od jmenovité hodnoty. Vyrábějí se pro kmitočty od 10 Hz do 1 kHz. Spotřeba bývá okolo 1,5 VA až 7 VA.
Obr. 1 - Vibrační kmitoměr VL20
Obr. 2 - VL20 při 50 Hz
Ručkové kmitoměry
Mají proti jazýčkovým četné výhody.
- Pohodlnější čtení na stupnici
- Přesnost čtení
- Přesnost přístrojů (až TP0,2)
- Otřesy nepůsobí rušivě
- Mohou být provedeny jako registrační
Ručkové kmitoměry jsou založeny na nejrůznějších principech. Zmíním pouze ten nejjednodušší. Tedy voltmetr připojený paralelně k tlumivce L, k níž je v sérii připojen odpor R. Změní-li se při stálém napájecím napětí kmitočet, změní se i napětí na tlumivce, což se na voltmetru projeví změnou výchylky. Stačí tedy voltmetr ocejchovat jako kmitoměr. Velkou nevýhodou je, že údaj je závislý na napětí zdroje, jehož kmitočet se měří. Toto řeší důmyslnější zapojení.
Jinou metodou je možné z měřeného signálu vytvořit signál o průběhu pravoúhlém (např. pomocí zesilovače a omezovače), tento signál přivést na derivační článek a usměrňovač, střední hodnota výstupního napětí za stejný časový úsek je závislá na kmitočtu vstupního signálu.
Měření kmitočtu pomocí osciloskopu
Analogový osciloskop
Frekvence se může měřit osciloskopem několika způsoby. Základním je zobrazení signálu v závislosti na časové základně. Postup je uveden v článku o osciloskopu.
Jinou metodou a do značné míry přesnější je metoda srovnávací. Osciloskop je přepnut do X-Y režimu. Na vertikální destičky se přivede signál fx a na horizontální fn. Signál fx je měřený signál a fn je signál získaný z generátoru signálu (oscilátoru). Na stínítku se objeví tzv. Lissajoussovy obrazce.
| Obrazec |  |
 |
 |
 |
 |
|---|---|---|---|---|---|
| \(f_x : f_n\) | 1:1 | 2:1 | 3:1 | 1:2 | 4:3 |
Obr. 3 - Obrazec na BM463
Jiná metoda využívá jasové modulace stopy. Signál z generátoru se přivede na osciloskop tak, aby na stínítku vznikl kruhový obrazec. Napětí o neznámé frekvenci se přivede na vstup Z, který slouží k jasové modulaci. Neznámý frekvence musí být vyšší než frekvence z oscilátoru.
Digitální osciloskop
Lze využít stejné metody jako u analogového. Důležité je si uvědomit, že X-Y režim není pro digitální osciloskopy vhodný. Digitální osciloskop pomocí svých algoritmů umí frekvenci měřit. Tedy stačí nastavit měření frekvence.
Obr. 4 - Snímek z digitálního osciloskopu
Měření kmitočtu pomocí čítače
Jako čítač se označuje takové zapojení, které počítá počet přivedených impulzů. Čítač může být řešen mnoha způsoby, rozlišují se především čítače synchronní a asynchronní. Pokud čítačem impulzů se má měřit frekvence je nutné na vstup tohoto čítače zapojit hradlo, které propustí měřené impulzy jen určitý časový interval. Například pokud se bude měřit frekvence v základní jednotce (v Hz), budou se impulzy přivádět pouze 1 s, údaj na výstupu čítače (obrazovce) bude roven frekvenci. Většinou se tento údaj uloží do střadačů (v TTL 7475) a zobrazují se na displeji. Během toho může běžet další měření (na pozadí, na konci měřícího cyklu se přepíše jen obsah střadačů).
Z uvedeného popisu je jasné, že čítač obsahuje normál frekvence (času). Většinou se jedná o krystalem řízený oscilátor. Krystal bývá teplotně kompenzován v termostatu, udržuje se na konstantní teplotě. Výstup z oscilátoru bývá vyveden.
Obr. 5 - Ukázka čítače
Jiné metody
K měření lze využít také můstky. Lze využít upravený Wienův můstek, Belfisův můstek. VF signály lze měřit pomocí vlnoměrů. Jednotlivé časté metody jsou zobrazeny na videu u měření oscilátoru (viz článek)
Zdroje
- KREJČÍ, Vladimír a Josef KÁBELE. Elektrotechnické měřící přístroje a měření I. Praha: SNTL, 1957, 332 s. DT 621.317.7.
- DRECHSLER, Richard, Juraj GYÁRFÁŠ, Milan JAKL a Jindřich VÍTOVEC. Elektrické měření II: Základní metody. J. ŘÍHA. Praha: SNTL, 1973, 472 s. DT 621.317.
Přidal Vojtěch Šotola. Naposledy upravil Vojtěch Šotola dne 2019-02-01 19:49:57.