Понятие о частоте и методах ее измерения

Диапазон используемых частот в радиоэлектронике, автоматике, экспериментальной физике, технике связи и т. д. простирается от долей герц до тысяч гигагерц, т.е. от инфранизких до сверхвысоких частот.

Частота - одна из важнейших характеристик периодического процесса; определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Период - наименьший интервал времени, удовлетворяющий уравнению u(t) = u(t+T). Мгновенная угловая частота определяется через производную во времени от фазы напряжения сигнала по формуле (43.2):

, (43.2)

Так как фаза у гармонического сигнала растёт во времени по линейному закону, то частота f - постоянная величина, т.е.

, (43.3)

Выбор метода измерения частоты определяется её диапазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника сигнала измеряемой частоты и другими факторами.

Частота электрических сигналов измеряется методами непосредственной оценки и сравнения.

Измерение частоты методом непосредственной оценки производится частотомерами: аналоговыми электромеханическими с логометрическими механизмами, цифровыми (электронно-счётными). Измерение частоты сигналов методом сравнения осуществляется с помощью осциллографа, частотно-зависимого моста переменного тока, частотомеров гетеродинных, построенных на биениях, и т.д.

Метод дискретного счета основан на счете числа периодов измеряемой частоты за калиброванный интервал времени. Частотомеры, работающие по данному принципу, являются цифровыми измерительными приборами. Метод является наиболее точным и перспективным. Применяется в диапазоне от десятка герц до сотен мегагерц. Относительная погрешность измерения частоты достигает 10 ^-3... 10 ^-10.

Метод заряда и разряда конденсатора основан на измерении среднего тока разряда или заряда образцового конденсатора, переключаемого с заряда на разряд с измеряемой частотой. Метод применяется на частотах от 10...20 Гц до сотен килогерц. Реализованные на его основе приборы имеют погрешность частоты 1,5...2 % (например, Ч3-7).

Метод измерения, основанный на сравнении с образцовой частотой, применяется в диапазоне частот 100 кГц... 100 ГГц и обеспечивает высокую точность, которая зависит от погрешности, с которой известна образцовая частота. Частотомеры, построенные по принципу сравнения частот (гетеродинные частотомеры), имеют погрешность 10^-5...10^-6. Гетеродинные частотомеры прекрасно дополняют электронно-счетные частотомеры на сверхвысоких частотах (СВЧ) и в миллиметровом диапазоне. Гетеродинные переносчики частоты снижают измеряемую частоту в точно известное число раз до значений, которые удобно измерять электронно-счетными частотомерами.

Резонансный метод состоит в настройке резонансной колебательной цепи, предварительно прокалиброванной по образцовому генератору и частотомеру, на измеряемую частоту и отсчете ее значения по шкале, связанной с элементом настройки. Метод применяется на частотах от 100 кГц до 100 ГГц (используются различные колебательные системы от LC-контуров до квазиоптических резонансных цепей). Резонансные волномеры отличаются простотой устройства, погрешность их примерно 10^-3. В резонансных волномерах непосредственно измеряется длина волн, а частота f получается пересчетом по формуле (43.4):

, (43.4)

где v - скорость распространения электромагнитных волн в системе;

λ- длина волны.