주파수 및 위상 측정

DC 회로에 등가물이 없는 중요한 전기량은 주파수입니다. .

주파수 측정은 교류의 많은 응용 분야, 특히 하나의 주파수와 하나의 주파수에서만 효율적으로 작동하도록 설계된 AC 전원 시스템에서 매우 중요합니다.

AC가 전기 기계식 교류 발전기에 의해 생성되는 경우 주파수는 기계의 샤프트 속도에 정비례하며 주파수는 샤프트의 속도를 측정하여 간단히 측정할 수 있습니다.

그러나 교류 발전기에서 일정 거리를 두고 주파수를 측정해야 하는 경우에는 다른 측정 수단이 필요합니다.

주파수 측정 방법

기계적 공명 원리 사용

전력 시스템에서 간단하지만 조잡한 주파수 측정 방법 중 하나는 기계적 공진 원리를 사용합니다. 탄성(탄력성)의 속성을 가진 모든 물리적 개체는 진동을 선호하는 고유한 주파수를 가지고 있습니다.

소리굽쇠는 이에 대한 좋은 예입니다. 소리굽쇠를 한 번 치면 길이에 따라 특정한 음으로 계속 진동합니다. 긴 소리굽쇠는 더 낮은 공진 주파수를 갖습니다. 소리굽쇠의 음은 짧은 소리굽보다 음계에서 더 낮습니다.

나란히 배열된 점진적인 크기의 소리굽쇠의 행을 상상해 보십시오. 그것들은 모두 공통 베이스에 장착되며, 그 베이스는 전자석을 통해 측정된 AC 전압(또는 전류)의 주파수로 진동합니다.

공진 주파수에서 해당 진동의 주파수에 가장 가까운 소리굽쇠가 가장 많이 흔들리는 경향이 있습니다(또는 가장 크게). 포크의 타인이 충분히 연약한 경우 엔드 뷰 관점에서 각각을 검사할 때 볼 흐림의 길이만큼 각각의 상대적인 움직임을 볼 수 있습니다.

갈퀴와 유사한 패턴으로 자른 판금 조각으로 "음차" 모음을 만드세요. 그러면 진동하는 갈대가 생깁니다. 주파수 측정기:

진동 리드 주파수 측정기 다이어그램.

이 측정기의 사용자는 코일에 적용된 AC 전압의 주파수에서 집합적으로 흔들릴 때 모든 길이가 다른 리드의 끝을 봅니다. 공진 주파수에서 적용된 AC에 가장 가까운 것이 가장 많이 진동하며 다음과 같이 보입니다.

진동 리드 주파수 측정기 전면 패널.

진동식 리드 미터는 분명히 정밀 기기가 아니지만 매우 간단하고 견고하게 제작하기 쉽습니다. 주파수가 60(유럽의 경우 50) 헤르츠에 다소 가깝도록 엔진 속도를 설정하기 위한 목적으로 소형 엔진 구동 발전기 세트에서 종종 발견됩니다.

탱크 서킷 형태 사용

리드형 미터는 정확하지 않지만 작동 원리는 정확하지 않습니다. 기계적 공진 대신에 전기 공진을 대체하고 탱크 회로(병렬 인덕터 및 커패시터) 형태의 인덕터와 커패시터를 사용하여 주파수 미터를 설계할 수 있습니다. 아래 그림을 참조하십시오.

구성 요소 중 하나 또는 둘 모두를 조정 가능하게 만들고 두 구성 요소에 걸친 전압의 최대 진폭을 나타내기 위해 회로에 미터를 배치합니다.

조정 손잡이는 주어진 설정에 대한 공진 주파수를 표시하도록 보정되며 기기가 미터의 최대 표시에 맞게 조정된 후 주파수를 읽습니다.

기본적으로 이것은 조정 가능한 필터 회로이며 브리지 회로와 유사한 방식으로 읽혀집니다("null" 조건에 대해 균형을 맞춘 다음 읽어야 함).

L-C 공진 주파수가 테스트 주파수에 맞춰 조정될 때 공진 주파수 측정기 "피크".

이 기술은 아마추어 무선 통신 사업자에게 인기 있는 기술입니다(또는 최소한 카운터라고 하는 저렴한 디지털 주파수 기기가 등장하기 전이었습니다. ), 특히 회로에 직접 연결할 필요가 없기 때문입니다.

인덕터 및/또는 커패시터가 테스트 중인 회로에서 충분한 표유 필드(각각 자기 또는 전기)를 차단하여 미터가 표시되도록 하는 한 작동합니다.

다른 유형의 전기 측정에서와 같이 주파수에서 가장 정확한 측정 수단은 일반적으로 알려지지 않은 양을 알려진 표준과 비교하는 것입니다. , 기본 도구는 두 양이 서로 같은 경우를 나타내는 것 외에는 아무 것도 하지 않습니다.

이것은 DC(Wheatstone) 브리지 회로의 기본 원리이며 과학 전반에 걸쳐 적용되는 건전한 도량형 원리입니다. 정확한 주파수 표준(단일 주파수를 매우 정확하게 유지하는 AC 전압 소스)에 접근할 수 있다면 그에 비해 미지의 주파수를 측정하는 것은 상대적으로 쉬울 것입니다.

석영 수정 사용

해당 주파수 표준에 대해 우리는 소리굽쇠 또는 최소한 석영 수정이라고 하는 보다 현대적인 변형으로 주의를 돌립니다. .

석영은 압전기라는 매우 흥미로운 특성을 지닌 자연 발생 광물입니다. . 압전 재료는 물리적으로 스트레스를 받으면 길이에 걸쳐 전압을 생성하고 외부 전압이 길이에 걸쳐 가해지면 물리적으로 변형됩니다.

이 변형은 대부분의 경우 매우 아주 미미하지만 실제로 존재합니다.

석영 암석은 외부 전압이 생성하는 작은 굽힘 범위 내에서 탄성(탄력)하며, 이는 전기 전압 신호로 나타날 수 있는 자체 기계적 공진 주파수를 갖는다는 것을 의미합니다.

다시 말해서, 석영 칩이 부딪히면 칩의 길이에 따라 결정되는 고유한 주파수로 "링"하고 그 공진 진동은 두드릴 수 있는 석영 칩의 여러 지점에서 등가 전압을 생성합니다. 칩의 표면에 고정된 와이어로 인합니다.

상호 방식으로 석영 칩은 진동하는 리드 주파수 측정기의 리드처럼 정확하게 정확한 주파수에서 인가된 AC 전압에 의해 "여기(excited)"될 때 가장 진동하는 경향이 있습니다.

석영 암석 칩은 원하는 공진 주파수에 맞게 정밀하게 절단될 수 있으며, 이 칩은 외부 전기 회로에 연결하기 위해 연장되는 와이어로 보호 쉘 내부에 단단히 장착됩니다.

이렇게 포장하면 결과 장치를 간단히 수정이라고 합니다. (또는 때때로 "xtal "). 회로도 기호는 아래 그림과 같습니다.

수정(주파수 결정 요소) 도식 기호.

전기적으로 그 석영 칩은 직렬 LC 공진 회로와 동일합니다. (아래 그림) 석영의 유전 특성은 등가 회로에 추가 용량성 요소에 기여합니다.

석영 수정 등가 회로.

직렬로 표시된 "커패시턴스"와 "인덕턴스"는 석영의 기계적 공진 특성과 전기적으로 동등할 뿐이며 수정 내에서 개별 구성 요소로 존재하지 않습니다. 유전체(절연) 석영 본체를 가로지르는 와이어 연결로 인해 병렬로 표시된 커패시턴스는 실제이며 전체 시스템의 공진 응답에 영향을 미칩니다.

여기서 수정 역학에 대한 완전한 논의는 필요하지 않지만 수정에 대해 이해해야 하는 것은 이 공진 회로 등가와 안정되고 알려진 주파수로 출력 전압을 달성하기 위해 발진기 회로 내에서 이를 어떻게 활용할 수 있는지입니다.

공명 요소인 수정은 일반적으로 훨씬 더 높은 "Q"(품질 ) 값은 인덕터 및 커패시터로 구축된 탱크 회로보다 높으며, 이는 주로 표유 저항이 상대적으로 없기 때문에 공진 주파수가 매우 명확하고 정확하기 때문입니다.

공진 주파수는 전적으로 석영의 물리적 특성(기계적으로 매우 안정적인 물질)에 의존하기 때문에 수정 수정의 시간에 따른 공진 주파수 변화는 매우 매우 낮습니다. 이것이 석영 운동입니다. 시계는 수정의 공명 작용에 의해 안정화된 전자 진동자를 통해 높은 정확도를 얻습니다.

그러나 실험실 응용 프로그램의 경우 더 큰 주파수 안정성이 필요할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 문제의 수정을 온도 안정화 환경(일반적으로 오븐)에 배치하여 석영의 열 팽창 및 수축으로 인한 주파수 오류를 제거할 수 있습니다.

그러나 주파수 표준의 궁극적인 목적을 위해 지금까지 발견된 것은 단일 공진 원자의 정확도를 능가하는 것이 없습니다. 이것이 이른바 원자시계의 원리입니다. , 진공에 떠 있는 수은(또는 세슘) 원자를 사용하여 외부 에너지에 의해 여기되어 고유한 주파수로 공명합니다.

결과 주파수는 전파 신호로 감지되며 인류에게 알려진 가장 정확한 시계의 기초가 됩니다. 전 세계의 국가 표준 연구소는 이러한 초정밀 시계 중 일부를 유지 관리하고 있으며 과학자와 기술자가 주파수 교정 목적으로 튜닝하고 사용할 수 있도록 이러한 원자의 진동을 기반으로 하는 주파수 신호를 방송합니다.

실용부

이제 실용적인 부분에 도달했습니다. 소스가 있으면 정확한 주파수를 알 수 없는 경우 측정값을 얻기 위해 이를 알 수 없는 주파수와 어떻게 비교합니까?

한 가지 방법은 CRT를 주파수 비교 장치로 사용하는 것입니다. 음극선관은 일반적으로 수평축과 수직축에서 전자빔을 편향시키는 수단을 가지고 있습니다.

금속판을 사용하여 전자를 정전기적으로 편향시키는 경우 아래 그림과 같이 빔의 왼쪽과 오른쪽에 한 쌍의 플레이트와 빔 위와 아래에 한 쌍의 플레이트가 있습니다.

수직 및 수평 편향판이 있는 음극선관(CRT)

하나의 AC 신호가 빔을 위아래로 편향하도록 허용하고(해당 AC 전압 소스를 "수직" 편향 플레이트에 연결) 다른 AC 신호가 빔을 왼쪽 및 오른쪽으로 편향하도록 허용하면(다른 쌍의 편향 플레이트 사용) 패턴은 비율을 나타내는 CRT 화면에 생성 이 두 AC 주파수 중

이러한 패턴을 리사쥬 도형이라고 합니다. 전자 제품에서 비교 주파수 측정의 일반적인 수단입니다.

두 주파수가 동일하면 CRT 화면에서 간단한 그림을 얻을 수 있습니다. 이 그림의 모양은 두 AC 신호 사이의 위상 변이에 따라 달라집니다. 다음은 오실로스코프(CRT를 "움직임"으로 사용하는 AC 전압 측정 기기)의 표면에 나타나는 것과 같이 동일한 주파수의 두 사인파 신호에 대한 리사주 수치의 샘플입니다.

첫 번째 그림은 서로 완벽하게 위상이 같은 두 개의 AC 전압에 의해 형성된 Lissajous 그림입니다.

리사쥬 도형:동일한 주파수, 0도 위상 편이.

두 AC 전압이 서로 동상이 아닌 경우 직선이 형성되지 않습니다. 오히려 Lissajous 모양은 두 신호 사이의 위상 편이가 정확히 90°이고 진폭이 동일하면 타원형이 되어 완벽한 원형이 됩니다.

리사쥬 도형:동일한 주파수, 90도 또는 270도 위상 이동

마지막으로, 두 AC 신호가 위상이 서로 직접 반대인 경우(180° 이동), 다시 한 줄로 끝나게 되며 이번에는 반대 방향으로 향하게 됩니다.

리사쥬 도형:동일한 주파수, 180도 위상 이동

동일하지 않은 신호 주파수에 직면했을 때 리사주 수치는 훨씬 더 복잡해집니다. 다음 예를 고려하면 수직/수평 주파수 비율이 제공됩니다.

리사쥬 도형:수평 주파수는 수직 주파수의 2배입니다.

수평 주파수와 수직 주파수 사이의 비율이 복잡할수록 리사주 도형이 더 복잡해집니다. 수평과 수직 사이의 3:1 주파수 비율에 대한 다음 그림을 고려하십시오.

리사쥬 도형:수평 주파수는 수직 주파수의 3배입니다.

. . . 아래 그림의 3:2 주파수 비율(가로 =3, 세로 =2)입니다.

리사쥬 도형:수평/수직 주파수 비율은 3:2입니다.

두 AC 신호의 주파수가 서로의 단순한 비율이 아닌 경우(그러나 가깝지만) Lissajous 도형은 "움직이는" 것처럼 보이며 두 파형 사이의 위상각이 0°와 180°.

두 주파수가 서로의 정확한 정수 비율로 잠겨 있으면 리사쥬 도형이 CRT의 뷰 화면에서 안정적입니다.

리사쥬 수치의 물리학은 주파수 비율이 단순한 정수 값(1:1, 1:2, 1:3, 2:3, 3:4 등)인 경우에 주파수 비교 기술로서의 유용성을 제한합니다.

이러한 제한에도 불구하고 Lissajous 수치는 접근 가능한 주파수 표준(신호 발생기)이 있는 모든 곳에서 널리 사용되는 주파수 비교 수단입니다.

검토:

<울>

일부 주파수 측정기는 측정된 주파수에서 흔들리는 고유하게 조정된 "갈대" 세트 간의 상대 진동으로 주파수를 나타내는 기계적 공진 원리에 따라 작동합니다.

다른 주파수 측정기는 전기 공진 회로(일반적으로 LC 탱크 회로)를 사용하여 주파수를 나타냅니다. 하나 또는 두 구성 요소 모두 정확하게 보정된 조정 손잡이로 조정 가능하도록 만들어졌으며 공진 지점에서 최대 전압 또는 전류에 대해 민감한 미터를 읽습니다.

주파수는 CRT를 사용하여 Lissajous 수치를 생성하는 경우와 같이 비교 방식으로 측정할 수 있습니다. 기준 주파수 신호는 수정을 공진 장치로 사용하는 발진기 회로에 의해 높은 정확도로 만들 수 있습니다. 초정밀을 위해 원자 시계 신호 표준(개별 원자의 공진 주파수 기반)을 사용할 수 있습니다.