Измерение частоты определенных событий стало важным вопросом еще в 20-м веке. Актуальность этого вопроса не уменьшилась и по сей день. Исследование изменений событий и их частоты напрямую связано с экономикой, природными явлениями и исследовательской деятельностью.
Измерить частоту можно с помощью несложных вычислений или по закону изменения частот. Для более точных данных используются измерительные приборы, которые применяют для измерения частоты -осциллографы. Осциллограф – это прибор, который предназначен для исследования и наблюдения электрических сигналов в области, которую определяет период, путём визуального наблюдения графических сигналов на экране прибора, либо записанного результата на фотоленте, и также для измерения амплитудных и временных параметрических сигналов по форме графика.
В виде графиков отображаются колебания частот. Это могут быть линии или точки, в зависимости от выбранных параметров графика. Частоты отображаются в зависимости от их изменения во времени. Иногда еще при влиянии внешних факторов, например, повышении сопротивления или изменения напряжения. Универсальными осциллографами называются осциллографы, которые построены по функциональной схеме.
У запоминающих осциллографов есть трубка для накопления заряда. Они сохранят изображение сигнала на долгое время и поэтому они удобны для исследования и наблюдения однократных и нечасто дублирующихся сигналов. Быстрота записи запоминающих осциллографов может достигнуть нескольких тысяч километров в секунду. Время воспроизведения записанного графического изображения для различных моделей лежит в промежутке от 1 до 30 минут. Запоминающие осциллографы обладают характеристикой сохранять изображение при завершении работы осциллографа и последующей его активации через двое или больше суток, функциональная схема запоминающих осциллографов отличается дополнительной частью - блоком, который управляет режимом работы запоминающей трубки (запись, воспроизведение изображения и его удаление).
В стробоскопическом осциллографе используется преобразование сигналов. К приходу нового сигнала точка отбора перемещается по сигналу. Измененный сигнал повторяет его форму. Протяженность преобразованного сигнала в несколько раз превышает длительность исследуемого, и, следовательно, имеет место сжатие значения, что равно соответствующему расширению полосы пропускания осциллографа. Скоростные осциллографы используют трубки с вертикально отклоняющей системой типа "бегущей волны". Они описывается широким распространением полос и огромной скоростью записи результатов. У скоростных осциллографов можно наблюдать не только периодические, но и однократные сигналы, которые быстро протекают. Особенные осциллографы работают как приборы для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов. Таким образом, осциллограф замеряют не только временные, но и амплитудные показатели. Приборы измерения частоты нужны, чтобы держать под контролем колебания и систему, в которой данные колебания происходят.
ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ. Важнейшей характеристикой периодических процессов является частота, которая определяется числом полных периодов колебаний за единичный интервал времени. Необходимость в измерении частоты возникает во многих областях науки и техники и особенно часто - в радиоэлектронике. Для измерения частоты источников питания применяют электромагнитные, электро- и ферродинамические частотомеры с непосредственной оценкой по шкале измерителя, а также камертонные частотомеры. Классификация: По методу измерения - приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные). По физическому смыслу измеряемой величины — для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные). По исполнению (конструкции) — щитовые, переносные и стационарные. По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений — электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы. В группу электроизмерительных приборов входят аналоговые стрелочные частотомеры различных систем, вибрационные, а также отчасти конденсаторные и электронно-счетные частотомеры. В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры. Очень низкие частоты (менее 5 Гц) можно приближённо определить подсчётом числа полных периодов колебаний за фиксированный промежуток времени, например, с помощью магнитоэлектрического прибора, и секундомера; искомая частота равна среднему числу периодов колебаний стрелки прибора в 1 с. Низкие частоты могут измеряться методом вольтметра, мостовым методом, а также методами сравнения с опорной частотой посредством акустических биений или электроннолучевого осциллографа. В широком диапазоне низких и высоких частот работают частотомеры, основанные на методах заряда - разряда конденсатора и дискретного счёта. Для измерения высоких и сверхвысоких частот (от 50 кГц и выше) применяются частотомеры, базирующиеся на резонансном и гетеродинном методах. На СВЧ широко применяется метод непосредственной оценки длины волны электромагнитных колебаний при помощи измерительных линий. Измерение частоты при помощи вольтметра. Наиболее простым является косвенный способ измерения частоты, основанный на зависимости сопротивления реактивных элементов от частоты протекающего по ним тока. Возможная схема измерений представлена на рисунке.
К источнику колебаний частоты Fx подключается цепочка из резистора R и конденсатора С с малыми потерями, параметры которых точно известны. Вольтметром переменного тока поочерёдно измеряются напряжения UR и UC на элементах цепочки. Fx = 1/(2πRC) ∙ UR/RC
Ёмкостные частотомеры. Для практических целей наиболее удобны прямопоказывающие частотомеры, позволяющие вести непрерывные наблюдения за частотой исследуемых колебаний по шкале стрелочного измерителя. К ним относятся, прежде всего, ёмкостные частотомеры, действие которых основано на измерении среднего значения тока заряда или разряда опорного конденсатора, периодически перезаряжаемого напряжением измеряемой частоты fx. Эти приборы применяются для измерения частот от 5-10 Гц до 200-500 кГц. Универсальные ёмкостные частотомеры позволяют измерять частоты как непрерывных, так и импульсных напряжений любой формы и полярности в широком диапазоне частот и входных напряжений. Электронно-счётные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне. Действие электронно-счётных частотомеров основано на дискретном счёте числа импульсов, поступающих за интервал времени на электронный счётчик с цифровой индикацией. К недостаткам электронно-счётных частотомеров следует отнести сложность их схем, значительные габариты и массу, высокую стоимость. Измеряемая частота может быть определена сравнением её с известной опорной частотой fo. Такое сравнение чаще всего производится с помощью электроннолучевого осциллографа или методами биений. Электроннолучевые осциллографы применяются для измерения частот колебаний главным образом синусоидальной формы в диапазоне частот примерно от 10 Гц. Если частоты относятся друг к другу как целые числа, например 1:1, 1:2, 2:3 и т. п., то перемещение электронного луча приобретает периодический характер и на экране наблюдается неподвижное изображение, называемой фигурой Лиссажу. Форма этой фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых колебаний. Если амплитуды напряжений частот fx и fy не равны, то вместо круга на экране будет наблюдаться эллипс с осями, параллельными плоскостям отклоняющих пластин. Подсчитывают число точек касания фигуры с линиями сетки. Отношение числа этих точек показывает отношение частот генератора f г и исследуемого f сигналов. Фигуры, наблюдаемые на экране при различных отношениях частот fx/fy на рис. Определив отношение fx:fy и зная одну из частот, например fy, легко найти вторую частоту.
МЕТОД ПЕРЕЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА. Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источнику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем накопится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет заряд q, вызвав отклонение указателя. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте переключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты. Это используют в приборах для измерения частоты – частотомеров. Этот метод применяется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.