Измерение частоты

Цель работы:

Изучить принцип работы приборов для измерения частоты;

Понять принцип работы приборов для измерения частоты.

Теоретические сведения:

Выбор метода и прибора для измерения частоты оп­ределяется значением частоты, требуемой точностью из­мерения, мощностью источника сигнала и другими фак­торами.

Рассмотрим измерение частоты показывающими при­борами.

Электромеханические частотомеры. Эти приборы ис­пользуются для измерения частот в диапазоне 20— 2500 Гц в основном в энергетических цепях и выполняют­ся на основе электромагнитных и электродинамических (ферродинамических) механизмов.

Наиболее простым из электромеханических частото­меров является электромагнитный резонансный (вибра­ционный) частотомер. Напряжение измеряемой частоты подводится к обмотке электромагнита. В поле электро­магнита располагаются стальные пластинки, один конец которых закреплен неподвижно. Свободный конец загнут и окрашен яркой краской. Каждая пластина обладает определенной частотой собственных колебаний. Под дей­ствием электромагнитного поля и сил упругости пласти­ны совершают колебательные движения. С наибольшей амплитудой колеблется пластинка, частота собственных колебаний которой соответствует удвоенной частоте поданного напряжения. Вид шкалы вибрационного частотомера приведен на рис. 14.7.Пределы измерения по частоте таких частотомеров небольшие 45-55 или 450-550 Гц. Погрешность измерения 1-2.5%.

Электрическая схема электродинамического частотен мера на основе логометрического механизма и векторная диаграмма токов приведены на рис. 14.8.

На рис. 14.9, а показана конструкция электромагнит­ного логометра, а на рис. 14.9,б — электрическая схема частотомера на его основе.

Электродинамические и электромагнитные частото­меры имеют узкие пределы измерения, равные ±10% средней частоты, приведенную погрешность 0,5—2,5%, потребляемую мощность до 10 Вт, номинальное напряже­ние 36—380 В. Такими характеристиками обладают элек­тродинамические лабораторные частотомеры типа Д506М и щитовые узкопрофильные электромагнитные частотомеры типа Э393.

Электронные конденсаторные частотомеры. Они ис­пользуются для измерения частоты периодических напря­жений в диапазоне 20 Гц—500 кГц. Приведенная по­грешность таких приборов 0,5—2,5%,

Принцип действия электронного частотомера поясня­ется схемой, приведенной на рис. 14.10, а, и временными диаграммами на рис., 14.10, б—д. Напряжение измеряе­мой частоты (рис. 14.10,б) подается на вход усилителя-формирователя УФ, усиливающего Uвх и формирующего из него прямоугольное напряжение (рис. 14.10,в). Этим напряжением управляется электронный ключ ЭК. Допус­тим, что при положительных полуволнах ключ ЭК замк­нут, а при отрицательных полуволнах разомкнут. При ра­зомкнутом состоянии ключа в течение половины периода конденсатор С через резистор R заряжается до значения Е (рис. 14.10, г). Ток заряда протекает через диод VD1 и обмотку рамки магнитоэлектрического измерительного механизма (рис. 14.10, д). При замыкании ключа ЭК кон­денсатор разрядится через него и через диод VD2. Таким образом, за один период измеряемой частоты (Тх=1/fх) через измерительный механизм проходит заряд q=С·Е и поэтому среднее значение тока в его цепи равно:

Iср = q/Тx = С·Е/Тx = С·Е·fx;

Это уравнение справедливо при условии, что конден­сатор успевает полностью зарядиться до значения Е и полностью разрядиться.

Электронные частотомеры имеют достаточно большое входное сопротивление, а следовательно, потребляют ма­лую мощность от источника сигнала.

Осциллографические методы измерения частоты

Метод фигур Лиссажу

Этот метод используется для измерения частоты синусоидальных напряжений. На один из входов (например, на вход канала Y) подается напряжение с измеряемой частотой fx. На вход канала X, рабо­тающего в режиме усиления (генератор развертки ГР отключен), подается напряжение с известной частотой fo. Электронный луч под действием двух взаимно перпен­дикулярных и меняющихся по гармоническому закону соответственно с частотами fх и f0 напряжений вычерчи­вает на экране некоторую сложную кривую. Если отноше­ние частот выражается отношением целых чисел, то ре­зультирующая кривая (фигура Лиссажу) представляетсяв виде неподвижного изображения (пример такой фигуры приведен на рис. 14.11).

Для определения отношения ча­стот необходимо подсчитать наибольшее число точек пе­ресечений вертикальной NY и горизонтальной Nх прямы­ми наблюдаемой фигуры. Затем составляют отношение:

fY / fx= Nх/ NY;

где fY / fx — частоты напряжений, подаваемые на входы каналов Y и X осциллографа.

Для фигуры на рис. 14.11 NY = 4, Nx = 1, и поэтому

fY= fx· Nх/ NY= fx/2 или fx= fo· Nх/ NY= fo/2;

Погрешность измерения fx определяется погрешно­стью известной частоты f0.

Метод круговой развертки

Этот метод также основан на сравнении двух частот — неизвестной и известной. Ес­ли на входы обоих каналов осциллографа (генератор развертки отключен) подать напряжения с одной (изве­стной) частотой f0, но сдвинутые по фазе на 90°, то на экране получим окружность. Время, за которое электрон­ный луч описывает окружность, равно периоду напряжения с частотой f0. Подав напряжение с неизвестной часто­той fx на сетку электронно-лучевой трубки, при от­ношении частот fх / f0 = п(п=1, 2, 3...) получим ряд неподвижных дуг (рис. 14.12). Число таких дуг равно п.

Погрешность измерения fх определяется погрешно­стью известной частоты.

Осциллографические методы измерения частоты про­сты, но требуют применения генератора гармонических V колебаний, частоту которого можно изменять, а ее зна­чение должно быть известно.

Ход выполнения работы:

1.Изучить правила техники безопасности при работе с приборами;

2.Изучить теоретические сведения;

3.Зарисовать схемы частотомеров и пояснить принцип их работы;

4.Зарисовать методику измерения частоты осциллографическими методами;

5.Ответить на контрольные вопросы.

6.Сделать вывод.

Контрольные вопросы

1.Можно ли электромеханическим частотомером измерять частоту более 2.5 кГц?

При измерении частоты синусоидального напряжения по методу фигур Лиссажу напряжение неизвестной частоты было подано на вход Y, а известной на вход X осциллографа. На экране возникланеподвижная фигура Лиссажу, показанная на рисунке.

2. Чему равна неизвестная частота, если известная частота равна 100 Гц?

При измерении частоты синусоидального напряжения по методу фигур Лиссажу напряжение неизвестной частоты было подано на вход Y, а известной на вход X осциллографа. На экране возникла неподвижная фигура Лиссажу, показанная на рисунке.

4. Чему равна неизвестная частота, если известная частота равна 100 Гц?

Поиск по сайту: