Меню

Измерение частоты аналогового сигнала



Сигналы

Аналоговое и цифровое представление сигнала

В отличие от дискретного, аналоговый сигнал может иметь любой уровень напряжения в зависимости от времени. Поскольку аналоговый сигнал может быть в любом состоянии в любой момент времени, физические свойства, которые вы будете измерять, отличаются от тех, которые измеряют в цифровом сигнале.

Информация в аналоговом сигнале

Вы можете измерять уровень, форму и частоту аналогового сигнала, как это показано на следующей иллюстрации.

• Уровень — Измерение уровня напряжения аналогового сигнала похоже на измерение состояния цифрового сигнала. Отличие в том, что аналоговый сигнал может иметь любой уровень напряжения, в то время как цифровой может принимать два фиксированных уровня: 0 либо 5 вольт.

• Форма — Измерение формы сигнала часто является очень важным, поскольку аналоговые сигналы могут иметь любое значение в каждый момент времени. Например, синусоидальная волна отличается от пилообразной. Измерение формы сигнала предоставляет информацию для анализа других параметров сигнала, таких как пиковые (амплитудные) значения, параметры фронта или среднее значение.

• Частота — Измерение частоты аналогового сигнала похоже на измерение частоты цифрового сигнала. Однако непосредственно померить частоту аналогового сигнала вы не сможете. Вам понадобится программный анализ — обычно это преобразование Фурье — чтобы выделить частотную информацию.

Уровень большинства сигналов не сильно изменяется с течением времени. При этом сигнал обычно нужно измерять с высокой точностью. Вам для этого понадобится устройство сбора данных с большим разрешением, но небольшой частотой выборки. Используя различные преобразователи (датчики), вы можете измерять напряжения источников питания, температуру в смесительном баке, давление внутри шланга или нагрузку на часть механизма, как показано на следующей иллюстрации.

Измеряя форму сигнала, вы получаете зависимость уровня сигнала от времени. Некоторые сигналы очень быстро меняются со временем, а вам опять нужно с высокой точностью измерять их уровень. Для таких сигналов необходимо использовать устройство сбора данных с большим разрешением и высокой скоростью выборки.

Большое количество примеров измерения формы сигналов можно найти в медицинской, электронной и автомобильной промышленности — от измерения параметров сердцебиения и измерения видеосигналов до измерения вибрации пружины. После ввода сигнала в компьютер вы сможете проанализировать его форму для выделения необходимой информации.

Например, при измерении кровяного давления наиболее информативны пиковые значения. Однако из-за наличия постоянной времени цепи сопротивление-конденсатор (RC — цепочка) вам скорее придется работать с зависимостью амплитуды от времени, как это показано на рисунке ниже.

При измерении частоты сигнала опять необходима зависимость сигнала от времени. Многие сигналы очень быстро меняются во времени, и при этом вам нужно с высокой точностью измерять частоту сигнала. Поэтому необходимо использовать устройство сбора данных с большим разрешением и высокой скоростью дискретизации. Получив сигнал в зависимости от времени (представление сигнала во временной области), вы можете получить и его зависимость от частоты (в частотной области) при помощи программного обеспечения.

Дискретные (цифровые) сигналы имеют два возможных состояния — «включено» (высокий уровень напряжения, состояние «истина») и «выключено» (низкий уровень напряжения, состояние «ложь»), В современной технике дискретные сигналы часто представлены сигналами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ-сигналы). Технические условия ТТЛ сигналов определяют уровень напряжения от 0 до 0.8 вольт как «низкий», а уровень напряжения от 2 до 5 вольт как «высокий». Большинство цифровых устройств принимают любой ТТЛ-совместимый сигнал.

Информация в дискретном сигнале

В дискретном сигнале можно измерить только два параметра: состояние (уровень) и скорость изменения.

• Состояние — Цифровой сигнал имеет два возможных состояния (уровня): «включено» и «выключено». Поэтому один из возможных для измерения параметров — это проверка состояния: «включено» или «выключено».

• Частота (скорость изменения) — Состояние цифрового сигнала также может изменяться со временем. Поэтому другой измеримый параметр — это скорость изменения состояний сигнала с течением времени.

Рассмотрим следующий пример измерения состояния дискретного сигнала. Предположим, у вас имеется переключатель, который вы хотите контролировать. Этот переключатель управляет включением и выключением света. Когда переключатель разомкнут, вы измерите 0 вольт («выключено»). Когда переключатель замкнут, вы измерите 5 вольт («включено»). Измеряя состояние дискретного сигнала, можно определить, зажегся свет или нет.

Теперь рассмотрим следующий пример измерения частоты дискретного сигнала. Предположим, что у вас есть мотор, и вы хотите определить, насколько быстро вращается вал мотора.

Устройство кодирования (энкодер) по углу поворота — это датчик, преобразующий информацию о вращательном движении вала мотора в дискретный сигнал. Когда вал вращается, энкодер генерирует два цифровых сигнала. Каждый сигнал представляет собой серию чередующихся высоких и низких состояний, которую называют последовательностью импульсов (pulse train). При определенном повороте вала генерируется импульс. Величина угла поворота вал, приходящаяся на один импульс, зависит от устройства энкодера. Измеряя частоту импульсов в одной из последовательностей, вы можете определить насколько быстро вращается вал. Измеряя обе последовательности импульсов, можно определить не только скорость вращения вала, но также и направление вращения.

Источник

13. Измерение частоты аналогового сигнала

13. Измерение частоты аналогового сигнала

В настоящей главе описываются способы измерения частоты аналогового сигнала с помощью устройств сбора данных и автономных измерительных приборов.

13.1. Измерение частоты аналогового сигнала с использованием VI NI-DAQ

Для измерения частоты аналогового сигнала можно использовать функции NI-DAQmx.

Согласно теореме Найквиста наивысшая частота в спектре исследуемого сигнала, которую можно точно определить, равна половине частоты дискретизации. Это означает, что если нужно измерять частоту сигнала 100 Гц, то частота дискретизации должна быть, как минимум, 200 Гц. На практике используют частоты дискретизации в 5-10 раз выше ожидаемых частот исследуемого сигнала.

Кроме частоты дискретизации, необходимо определить и количество отсчетов сигнала. Отсчеты должны собираться в течение, как минимум, 3-х периодов сигнала. На практике, однако, сбор данных производят в течение 10-ти и более периодов. Например, для измерения частоты сигнала 100 Гц при частоте дискретизации 500 Гц необходимо собрать не менее 15-ти отсчетов или точек. Поскольку частота дискретизации в 5 раз больше частоты сигнала, то на период приходится 5 отсчетов, и для трех периодов получаем: 5 отсчетов ´ 3 периода = 15 отсчетов.

Количество собранных отсчетов определяет число дискрет по частоте, и, соответственно разрешающую способность при измерении частоты. Единица дискретности при измерении частоты равна частоте дискретизации, деленной на число собранных отсчетов. Например, если при частоте дискретизации 500 Гц собрано 100 отсчетов, дискретность измерения частоты составляет 5 Гц.

Источник

13. Измерение частоты аналогового сигнала

13. Измерение частоты аналогового сигнала

В настоящей главе описываются способы измерения частоты аналогового сигнала с помощью устройств сбора данных и автономных измерительных приборов.

13.1. Измерение частоты аналогового сигнала с использованием VI NI-DAQ

Для измерения частоты аналогового сигнала можно использовать функции NI-DAQmx.

Согласно теореме Найквиста наивысшая частота в спектре исследуемого сигнала, которую можно точно определить, равна половине частоты дискретизации. Это означает, что если нужно измерять частоту сигнала 100 Гц, то частота дискретизации должна быть, как минимум, 200 Гц. На практике используют частоты дискретизации в 5-10 раз выше ожидаемых частот исследуемого сигнала.

Кроме частоты дискретизации, необходимо определить и количество отсчетов сигнала. Отсчеты должны собираться в течение, как минимум, 3-х периодов сигнала. На практике, однако, сбор данных производят в течение 10-ти и более периодов. Например, для измерения частоты сигнала 100 Гц при частоте дискретизации 500 Гц необходимо собрать не менее 15-ти отсчетов или точек. Поскольку частота дискретизации в 5 раз больше частоты сигнала, то на период приходится 5 отсчетов, и для трех периодов получаем: 5 отсчетов ´ 3 периода = 15 отсчетов.

Количество собранных отсчетов определяет число дискрет по частоте, и, соответственно разрешающую способность при измерении частоты. Единица дискретности при измерении частоты равна частоте дискретизации, деленной на число собранных отсчетов. Например, если при частоте дискретизации 500 Гц собрано 100 отсчетов, дискретность измерения частоты составляет 5 Гц.

Источник

Секрет радиолюбителя. Измеряем частоту сигнала.

Из этой статьи вы узнаете как измерить частоту сигнала с помощью интегрирующей RC-цепочки, как приспособить для этой цели операционный усилитель. Кроме того, вы узнаете об интегральном преобразователе частота-напряжение LM 331.

В радиолюбительских конструкциях часто используются как аналоговые цепи так и цифровые. например, частота сигнала может быть функцией какого либо физической величины — давления, температуры, перемещения и т.д. Такой сигнал можно передавать на большое расстояние без затухания и помех.

Читайте также:  Измерение пульса для занятий спортом

Но для того чтобы «расшифровать» такой сигнал, частоту нужно преобразовать в напряжение или ток. Для этого и служат преобразователи частота-напряжение (ПЧН).

Самый простой ПЧН это обычная интегрирующая RC-цепочка. В этой схеме, в отличие от дифференцирующей, резистор включен последовательно с источником напряжения и нагрузкой, а конденсатор параллельно нагрузке. Как на рисунке:

Если в дифференцирующей цепочке выходное напряжение пропорционально дифференциалу или скорости изменения входного сигнала, то в интегрирующей — интегралу входного напряжения. Интеграл можно оценить по площади под кривой сигнала.

Но заряд и разряд конденсатора процесс нелинейный и развивается по экспоненте. В нашем случае нужна линейная передаточная характеристика. Ее легко обеспечить если постоянная времени цепочки t= R C на порядок больше периода входного сигнала. Казалось бы все отлично, но тактя цепочка очень сильно ослабляет сигнал а это неудобно.

Выход состоит в том, чтобы использовать операционный усилитель как в этой схем. Если присмотреться, то это обычный инвертирующий усилитель, в цепь отрицательной обратной связи включен конденсатор.

Мы уже знаем, что конденсатор в цепи переменного тока обладает реактивным сопротивлением Xc = 1/(2 Pi f C), где Pi = 3.14. f = частота сигнала, С — емкость конденсатора.

Коэффициент усиления ОУ в такой схеме зависит от соотношения сопротивления резисторов в цепи обратной связи K = 1+Xc/R. Следовательно, увеличение частоты уменьшает Xc и коэффициент усиления ОУ. Сигнал на выходе уменьшается. Давайте посмотрим как это происходит:

Насколько линейна такая характеристика? Давайте посмотрим на график.

Конечно, в широком диапазоне такая зависимость нелинейна. оно и понятно, Уровень сигнала на выходе линейна не от частоты а от обратной ее величины. Это видно из формулы. Для исправления этого недостатка можно использовать специальные корректирующие усилители.

Но гораздо проще в схеме поставить специальные микросхемы — преобразователи частота-напряжение, например LM 331. Собрать такой преобразователь можно по этой схеме, взятой из Datasheet на микросхему.

Итак, мы узнали как сделать преобразователь частота-напряжение на операционном усилителе и специализированной микросхеме LM 331. Если эта статья была для вас полезна, ставьте лайк, пишите комментарии, подписывайтесь на канал. До новых встреч!

Источник

2.1.Аналоговые методы измерения частоты [1,стр.198-209, 2,стр.111-116].

Частота fодна из важнейших характеристик периодического сигнала; определя-ется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Единица

циклической частоты f – герц (Гц) – соответствует одному колебанию за 1с. Гармони-ческие сигналы характеризуют также угловой (круговой) частотой ω = 2πf, выражаемой в рад./с и равной изменению фазы сигнала φ(t) в единицу времени.

Период Т-наименьший интервал времени, через который регулярно и последова-тельно повторяется произвольно выбранное мгновенное значение этого сигнала. Отсюда следует, что u(t) = u(t+nT), где n = 1,2,3 и т.д. Период и циклическая частота связаны между собой соотношением Т = 1/f.

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

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 сравнения и непосре-дственной оценки. Метод сравнения осуществляется с помощью осциллографа, частотно –зависимого моста переменного тока, гетеродинных частотомеров, построенных на биениях и др. Метод непосредственной оценки производится, например, в цифровых (электронно-счетных) частотомерах.

2.1.1.Методы сравнения.

2.1.1.1.Осциллографический способ измерения частоты можно применить при ли-нейной, синусоидальной и круговой развертках.

При линейной развертке в качестве образцовой используется частота генератора развертки данного осциллографа. Напряжение неизвестной частоты подают на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а частоту генератора развертки (при выведенной ручке напряжения синхронизации) изменяют до тех пор, пока на экране не получится изображение одного периода. При этом измеряемая частота равна установлен-ной частоте развертки. На экране осциллографа можно получить изображение нескольких периодов, при этом неизвестная частота больше частоты развертки в n раз, где n – число периодов. Практически n не должно превышать 5…6.

Читайте также:  Образцовые приборы для измерения давления

Этот метод применяется в тех случаях, если частота развертки осциллографа калибрована (ручки ступенчатой и плавной регулировки градуированы в герцах). Погрешность измерения соответствует погрешности калибровки. В некоторых осциллографах, с целью измерения отрезков времени и периода исследуемых колебаний, ручка управления разверткой отградуирована в коэффициентах отклонения по гори-зонтали с временнόй размерностью (секунда/см, мс/cм, мкс/см).

При синусоидальной развертке напряжение неизвестной частоты подается на вход вертикального отклонения, а напряжение образцовой частоты – на вход горизонта-льного отклонения. Генератор развертки осциллографа выключается. Изменяя образцо-вую частоту, добиваются неподвижной или медленно движущейся фигуры Лиссажу. Если она имеет вид прямой, эллипса или окружности, то частоты равны:fx=fy. Если неподвижная осциллограмма получается более сложной формы, то это свидетельствует о кратности незвестной и образцовой частот, которую нужно определить следующим образом.

Полученную фигуру нужно мысленно пересечь вертикальной и горизонтальной линиями (рис.1) и сосчитать число пересечений ими ветвей фигуры по вертикали ny и по горизонтали nx. Известно соотношение fx∙nx = fy∙ny = cost., откуда

Верхний предел измеряемой частоты определяется полосой пропускания усилителей в каналах осциллографа.

Погрешность измерения определяется погрешностью установки образцовой частоты и нестабильностью обеих частот. Чем больше нестабильность любой из них , тем быстрее вращается фигура Лиссажу и труднее определить кратность частот. Синусоидальная развертка применяется до кратности частот не более 10 и при синусоидальной форме сравниваемых колебаний. Если исследуемое знакопеременное колебание имеет несинусоидальную форму, то используют “метод круговой развертки с модуляцией луча осциллографа по яркости”.

При круговой разверткенапряжение образцовой частоты через фазовращатель – фазорасщепитель (рис.2) подают на оба входа осциллографа. Фазовращатель состоит из двух элементов: резистора R и конденсатора C.Известно, что вектор падения напряжения на ёмкости отстаёт по фазе от вектора тока в цепи на угол 90 0 , а вектор падения напряжения на активном сопротивлении совпадает по фазе с вектором тока. Таким образом на два входа осциллографа (Y и X) поступают два синусоидальных напряжения сдвинутых по фазе друг относительно друга на угол 90 0 .

Если , то

Тогда отклонения луча по вертикали

Здесь – амплитуды напряжений, а– чувствительности осциллографа по каналамY и X. Если , то

(2.2)

Это уравнение окружности, поэтому на экране осциллографа появляется линия развертки в виде окружности, которая вращается с частотой, равной образцовой, т.е. время одного оборота равно длительности периода То . Напряжение неизвестной частоты подают на модулятор ЭЛТ, и оно изменяет яркость линии развертки 1 раз в течение периода измеряемой частоты Тz .

Если частотыfz = fo, то половина окружности будет светлой, а половина – темной (рис.3). Если же fz  fo ,то окружность становится состоящей из штрихов, число которых n (темных) равно кратности периодов неизвестной и образцовой колебаний:

Погрешность измерения и пределы измеряемых частот определяется так же, как и при синусоидальной развертке. При использовании в качестве образцовой частоты частоту сети погрешность измерения не ниже .

.1.1.2.Способ нулевых биений применяют для измерения высоких частот. Два напряжения:u1=U1cosω1tиu2=U2cosω2t– подают на нелинейный элемент – смеситель. На выходе смесителя появляется напряжение многих частот:n·f1,m·f2– гармонические составляющие и (n·f1±m·f2) – комбинационные составляющие. В числе комбинационных частот имеется разность частот первых гармоник, которая называется частотой биенийfб= |f1–f2|. Если частотыf1иf2равны друг другу, то частота биений равна нулю, поэтому способ измерения двух частот с помощью биений называют способом нулевых биений. Схема измерения частоты способом нулевых биений представлена на рис.4,а.

(пояснение к рис.4,б см.Атам.стр.262 )

Напряжение образцовой f2и измеряемойf1частот подают на вход смесителя. На его выходе включают индикатор частоты биений, в качестве которого можно исполь-зовать головной телефон. Если плавно изменять образцовую частоту, то при частоте биений ниже 20 кГц (fб = ‌f1–f2‌ 11 / 16 11 12 13 14 15 16 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник