Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Přístroje na měření kmitočtu OB21-OP-EL-ELKM-JANC-M-2-031

Přístroje na měření kmitočtu Kmitočet je jedna z nejpřesněji měřitelných veličin. Klasické metody k tomu neposkytují dostatečné možnosti, je nutno využít elektronických principů. Pro neharmonickésignály požadujeme zjistit hodnotu kmitočtu základní harmonické složky.  

Přístroje na měření kmitočtu Metody pro měření kmitočtu můžeme rozdělit na: Analogové metody měření kmitočtu Tyto metody měření kmitočtu lze rozdělit do následujících skupin: Využívající selektivní LC nebo RC obvody Porovnávací metody Metody s přímým údajem Číslicové metody na měření kmitočtu

Měření kmitočtu pomocí selektivních obvodů Princip těchto přístrojů je znázorněn na obr.1. Obr. 1 Měření frekvence pomocí selektivních obvodů Vstupní napětí o měřené frekvenci fx je po případném zesílení (nezakresleno) přivedeno na selektivní obvod.

Měření kmitočtu pomocí selektivních obvodů Výstup z tohoto obvodu přichází na střídavý analogový indikátor, což je střídavý voltmetr s potřebnou citlivostí, avšak necejchovaný. Citlivost indikátoru lze i měnit.

Měření kmitočtu pomocí selektivních obvodů Selektivní obvod má buď charakter frekvenční zádrže - používá se např. Wienův můstek (v tom případě mluvíme o můstkové metodě), ale také dvojité T-články nebo přemostěné T-články. Zadržovaná frekvence je nastavitelná. Obsluha ji musí nastavit tak, aby údaj na indikátoru byl minimální. Hodnota kmitočtu je určena parametry (RC členy) zádrže. Nevýhodou je, že obvod je vyvážen jen pro jediný kmitočet a tedy signály, obsahující vyšší harmonické, znemožňují přesné vyvážení. Tyto obvody se používají jen zřídka.

Měření kmitočtu pomocí selektivních obvodů Obr. 2 Schéma zapojení rezonančního měřiče kmitočtu s kmitavým obvodem se soustředěnými parametry Selektivní obvod může být tvořen i paralelním LC obvodem, jehož rezonanční frekvenci lze nastavovat. LC obvod ladíme tak, aby údaj indikátoru byl maximální. Kmitočet se zjistí z parametrů L a C obvodu. Takový přístroj se nazývá rezonanční měřič kmitočtu.

Měření kmitočtu pomocí selektivních obvodů Rezonanční metoda je použitelná v oblasti od nižších kmitočtů (od desítek kHz) až do nejvyšších používaných (desítky GHz). Přesnost závisí na selektivitě laděného obvodu a stálosti jeho parametrů. U měřičů s dutinovým rezonátorem může být chyba jen 0,01%, na nízkých kmitočtech však i jednotky procent.

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Tyto metody pro svou činnost vyžadují, aby byl k dispozici zdroj signálu harmonického tvaru o známém a stavitelném kmitočtu fn . Porovnávají pak měřený signál o kmitočtu fx se signálem o kmitočtu fn. Porovnání se děje buď směšováním obou signálů (záznějová metoda) nebo pomocí osciloskopu. Přesnost metody je značná, daná prakticky přesností kmitočtu fn . Je použitelná od nízkých kmitočtů do nejvyšších. Záznějová metoda byla použita v záznějových měřičích kmitočtu. I když se jednalo o analogové přístroje, bylo s nimi dosahováno značné přesnosti a citlivosti (přesnost řádově 10-4). Dnes se již tato metoda používá vyjímečně.

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Obr. 3 Lissajousova metoda měření kmitočtu

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Osciloskopické metody provádí porovnání pomocí osciloskopu. K porovnání můžeme využít osciloskop, při čem na vstup Y připojíme měřený signál (fx), na druhý horizontální vstup X připojíme signál o známém kmitočtu fn . Synchronizaci volíme z kanálu Y. Kmitočet fn měníme, až délky period obou signálů jsou stejné. Nestačí pouhé zastavení obrazu z X, protože to pouze signalizuje, že frekvence obou signálů jsou v poměru celých čísel. Hodnotu kmitočtu odečteme na generátoru fn . Lze takto měřit i neharmonické signály, dokonce i generátor fn nemusí být harmonický. Navíc lze sledovat i tvar měřeného napětí.

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Pokud jsou obě napětí, jejichž kmitočty porovnáváme harmonická nebo se od harmonických liší jen málo, lze použít Lissajousovy metody. Změnou kmitočtu fn nastavíme stojící Lissajousův obrazec, jehož tvar závisí na poměru kmitočtů a jejich fázi. Při měření kmitočtů touto metodou přivádíme vždy napětí známého kmitočtu f1 na vodorovné vychylovací destičky, měřený kmitočet f2 na destičky vychylující svisle. Měřený kmitočet může být vyšší nebo nižší než kmitočet známý, je však bezpodmínečně nutné, aby byly k sobě v poměru celých čísel.

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Hledaný kmitočet f2 pak vypočítáme podle vzorce kde f2 je hledaný neznámý kmitočet, přivedený na vertikální zesilovač f1 známý kmitočet, přivedený na horizontální zesilovač nx počet dotykových bodů obrazce s vodorovnou stranou x myšleného obdélníka ny počet dotykových bodů obrazce se svislou stranou y myšleného obdélníka

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Obr. 4 Lissajoussovy obrazce při poměru kmitočtů 2:1 1:2 3:1 3:2

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Přístroj, který dovoluje odečítat přímo např. na stupnici ručkového měřidla, se nazývá přímo ukazující měřič kmitočtu nebo měřič kmitočtu s přímým údajem. Obr. 5 Blokové schéma přímo ukazujícího měřiče kmitočtu

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Obr. 6 Průběhy napětí v přímo ukazujícím měřiči kmitočtu

Měření kmitočtu porovnávacími metodami Jedná se vlastně o lineární převodník kmitočtu na stejnosměrné napětí nebo proud. Vyskytuje se též ve formě sondy, jejíž výstup připojíme k univerzálnímu multimetru (ičíslicovému). Převod je zajištěn vhodným tvarováním vstupního napětí. Přístroje na tomto principu jsou vhodné pro měření kmitočtů v rozsahu 10 Hz - 1 MHz. Pro vyšší kmitočty (např. 1 GHz) je nutno předřadit dělič frekvence. Údaje přístroje nejsou závislé na velikosti a tvaru vstupního signálu, pokud vstupní napětí protíná nulovou linii jen 2x za periodu. Dosahovaná přesnost jsou jednotky %.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura E. Vitejček a V. Hos: Elektrické měření, SNTL Praha 1979 V. Fajt a kol.: Elektrická měření, SNTL Praha 1987 L. Bejček a kol.: Měření v elektrotechnice, FEKT VUT Brno 2003