Che cos'è la frequenza?

Immaginate di dover riparare la macchinina telecomandata di vostro figlio. Si è guastata, va avanti bene e poi improvvisamente fa retromarcia senza motivo. Avete controllato le batterie e sono a posto. Quindi lo aprite, sperando di trovare un filo allentato. Avete il vostro fidato multimetro e un piccolo oscilloscopio preso in prestito da un amico. Si controlla il collegamento e poi si agganciano le sonde dell'oscilloscopio al circuito di controllo del motore. Vi aspettate di vedere una bella onda quadra pulita quando premete il pulsante di avanzamento. Invece, lo schermo mostra un andamento strano, traballante, quasi simile a un battito cardiaco. Non è affatto il segnale fisso on/off che ci si aspetta. E questa è la frequenza.

La frequenza è un concetto fondamentale in elettronica. È essenziale per comprendere il funzionamento dei circuiti, per la risoluzione dei problemi, per la progettazione di nuovi circuiti e per garantire la sicurezza. Imparando a conoscere la frequenza, sarete in grado di lavorare in modo più efficace ed efficiente con i sistemi elettronici.

La comprensione della frequenza è assolutamente fondamentale per chiunque lavori con l'elettronica, soprattutto quando si utilizzano strumenti come oscilloscopi e multimetri. Vediamo di capire meglio cos'è la frequenza.

1. Che cos'è la frequenza?

La frequenza è sostanzialmente la frequenza con cui qualcosa accade in un periodo di tempo. Si riferisce al numero di volte che un evento si ripete per unità di tempo. Nel contesto dei segnali elettrici, descrive la frequenza con cui una forma d'onda (come un'onda sinusoidale, un'onda quadra o qualsiasi altro segnale periodico) si ripete in un secondo.

Si tratta del numero di volte in cui un evento si ripete in un determinato lasso di tempo, di solito un secondo. La frequenza si misura in Hertz (Hz).

Ecco alcuni esempi per aiutarvi a capire:

• Luce lampeggiante: Immaginate una lampadina che si accende e si spegne. Se lampeggia una volta al secondo, la frequenza è di 1 Hz. Se lampeggia cinque volte al secondo, ha una frequenza di 5 Hz.
• Corda di chitarra: Quando si pizzica una corda di chitarra, questa vibra avanti e indietro. Se vibra 440 volte al secondo, produce una nota musicale con una frequenza di 440 Hz.
• Battito cardiaco: Il cuore batte regolarmente. Se batte 60 volte al minuto, ciò equivale all'incirca a un battito al secondo, quindi la sua frequenza è di circa 1 Hz.

In sostanza, la frequenza ci dice quanto è ripetitivo un evento. Più alta è la frequenza, più spesso si verifica l'evento.

Vediamo le onde sinusoidali e la frequenza con alcune immagini:

1). L'onda sinusoidale (l'immagine seguente è tratta da https://reviseomatic.org/)

onda sinusoidale con picchi, avvallamenti e un ciclo completo etichettato come "onda".

*  Picchi: I punti più alti dell'onda.

* Troppe: I punti più bassi dell'onda.

* Ciclo: Una ripetizione completa del modello d'onda.

2). Frequenza

La frequenza è il numero di cicli che si verificano in un secondo. Si misura in Hertz (Hz).

• Esempio: Se l'onda sinusoidale di cui sopra compie un ciclo al secondo, la sua frequenza è di 1 Hz.

3).Come la frequenza influisce sulla forma d'onda

(Questa immagine proviene da https://www.cs.csustan.edu/)

tre onde sinusoidali con frequenze diverse: bassa frequenza, media frequenza, alta frequenza

* Bassa frequenza: L'onda ha meno cicli al secondo, quindi appare più ampia e più lenta.

* Alta frequenza: L'onda ha più cicli al secondo, quindi appare più stretta e più veloce.

Punti chiave

• Lunghezza d'onda: La distanza tra due picchi o depressioni consecutive. A una frequenza maggiore corrisponde una lunghezza d'onda minore.
• Ampiezza: L'altezza dell'onda dalla linea mediana a un picco o a un avvallamento. L'ampiezza non è influenzata dalla frequenza.

La comprensione della frequenza ci aiuta ad analizzare e interpretare i segnali in elettronica. Osservando come le forme d'onda cambiano in base alla frequenza, possiamo identificare potenziali problemi e assicurarci che i nostri circuiti funzionino correttamente.

2.Come misurare la frequenza con un multimetro oscilloscopio

La frequenza può essere misurata in diversi modi, a seconda del tipo di segnale e degli strumenti a disposizione. Ecco alcuni metodi comuni:

1) Utilizzo di un contatore di frequenza

• Come funziona: Un contatore di frequenza è uno strumento specializzato progettato specificamente per misurare la frequenza. Conta il numero di cicli di un segnale in un determinato periodo di tempo e visualizza il risultato in Hertz (Hz).
• Come si usa:
  • Collegare il contatore di frequenza alla sorgente di segnale.
  • Selezionare l'intervallo di ingresso appropriato sul contatore.
  • Il contatore misura e visualizza automaticamente la frequenza.

2). Utilizzo di un oscilloscopio

• Come funziona: Un oscilloscopio visualizza una rappresentazione visiva di un segnale come forma d'onda. È possibile determinare la frequenza misurando il tempo necessario per un ciclo completo (il periodo) e quindi calcolando la frequenza con la formula: Frequenza = 1 / Periodo.
• Come si usa:
  • Collegare le sonde dell'oscilloscopio alla sorgente del segnale.
  • Regolare la base dei tempi e la scala verticale dell'oscilloscopio per ottenere una visione chiara della forma d'onda.
  • Misurare il tempo di un ciclo completo (periodo) utilizzando il reticolo o i cursori dell'oscilloscopio.
  • Calcolate la frequenza utilizzando la formula di cui sopra.

3). Utilizzo di un multimetro per la misurazione della frequenza

• Come funziona: Alcuni multimetri digitali hanno una funzione di misurazione della frequenza integrata. Anche il nostro nuovo modello ZT-703S multimetri con oscilloscopio, Possono misurare la frequenza dei segnali CA.
• Come si usa:
  • Accedere al menu della sesta pagina su ZT-703S multimetri oscilloscopio premere il tasto F1 per accedere alle applicazioni estese. A questo punto, sullo schermo vengono visualizzate le opzioni per la navigazione delle immagini e per i modelli di uscita del segnale. Scegliere l'uscita del segnale, quindi premere il tasto MENU per accedere all'interfaccia delle impostazioni di uscita del generatore di segnali.
  • Utilizzare i tasti freccia su e giù per selezionare la forma d'onda di uscita come onda sinusoidale, onda quadra, onda triangolare, semionda, onda intera o onda a dente di sega. La finestra di visualizzazione dello schermo mostra in modo sincrono la forma d'onda corrispondente.
  • Utilizzare i tasti freccia sinistra e destra per commutare l'unità di frequenza tra 1Hz e 1KHz.

• Nota: queste operazioni sono state effettuate da ZT-703S manuale d'uso dei multimetri oscilloscopio a pagina 25

  4). Misurazione basata sul software

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  • Come funziona: Esistono applicazioni software in grado di misurare la frequenza utilizzando la scheda audio del computer o altri dispositivi di ingresso. Queste applicazioni analizzano il segnale in ingresso e calcolano la frequenza.
  • Come si usa:
    • Collegare la sorgente del segnale all'ingresso audio del computer o a un altro ingresso appropriato.
    • Installare ed eseguire il software di misura della frequenza.
    • Seguire le istruzioni del software per misurare la frequenza.

• Considerazioni importanti:

  • Tipo di segnale: Il metodo scelto può dipendere dal tipo di segnale da misurare (ad esempio, onda sinusoidale, onda quadra, treno di impulsi).
  • Gamma di frequenza: Assicurarsi che lo strumento utilizzato sia in grado di misurare la gamma di frequenze del segnale.
  • Precisione: La precisione della misura dipende dallo strumento e dalla qualità del segnale.

  3. Fattori che influenzano le misure di frequenza

  Esistono alcune potenziali fonti di errore, come il rumore, la distorsione del segnale, il posizionamento improprio della sonda, ecc. che influiscono sulle misure di frequenza. Ecco alcuni dettagli aggiuntivi su alcune di queste fonti di errore:

  • Rumore: Il rumore può essere causato da una serie di fattori, come il rumore termico, il rumore dei colpi e il rumore dello sfarfallio. Può essere ridotto utilizzando un amplificatore a basso rumore o filtrando il segnale.
  • Distorsione del segnale: La distorsione del segnale può essere causata da fattori quali il clipping, la saturazione e la non linearità. Si può ridurre utilizzando un amplificatore di alta qualità e assicurandosi che il segnale non sia sovraccaricato.
  • Posizionamento improprio della sonda: La sonda deve essere collocata in una posizione in cui possa captare il segnale in modo intenso e senza interferenze. Inoltre, deve essere orientata correttamente.
  • Interferenza: Le interferenze possono essere causate da altri segnali presenti nell'ambiente, come le onde radio o i campi elettromagnetici. Si possono ridurre schermando il segnale o utilizzando un filtro per bloccare i segnali interferenti.

  (Questi dati sono riportati dai siti web di ricerca sotto indicati)

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  È quindi importante essere consapevoli delle potenziali fonti di errore nelle misure di frequenza, in modo da poter prendere provvedimenti per ridurle al minimo.

  L'impostazione e la calibrazione corrette delle apparecchiature di test della frequenza sono fondamentali per ottenere misure precise e affidabili. Ecco perché:

  1. Precisione e affidabilità:
  • Assicura la veridicità delle misure: La calibrazione verifica che l'apparecchiatura misuri le frequenze entro i limiti di precisione specificati. Senza di essa, le letture potrebbero risultare errate, portando a conclusioni sbagliate.  
  • Riduce gli errori: Un'impostazione corretta riduce al minimo i fattori esterni come le interferenze o i collegamenti non corretti che possono falsare le letture.
  • Coerenza: La calibrazione assicura che la strumentazione fornisca letture coerenti nel tempo, consentendo confronti affidabili e analisi delle tendenze.
  2. Conformità e standard:
  • Soddisfa gli standard del settore: Molti settori industriali hanno normative che richiedono apparecchiature calibrate per il controllo della qualità e la sicurezza.  
  • Tracciabilità: La calibrazione collega le misure a standard nazionali o internazionali, garantendo coerenza e comparabilità a livello globale.  
  3. Il processo decisionale:
  • Decisioni informate: Misure di frequenza accurate sono essenziali in diversi campi, dalla ricerca e sviluppo alla produzione e alle telecomunicazioni. Un'impostazione e una calibrazione adeguate assicurano che le decisioni basate su queste misure siano corrette.  
  • Evitare errori costosi: Misure imprecise possono portare a progetti difettosi, errori di produzione o addirittura a rischi per la sicurezza.  
  4. Longevità dell'apparecchiatura:
  • Prolunga la durata di vita: Una calibrazione regolare può identificare tempestivamente l'usura o i potenziali problemi, consentendo una manutenzione tempestiva e prevenendo guasti prematuri.  
  • Ottimizza le prestazioni: L'impostazione e la calibrazione corrette assicurano che l'apparecchiatura funzioni al meglio, massimizzando le sue capacità.

    Una corretta impostazione e calibrazione sono fondamentali per garantire l'accuratezza, l'affidabilità e la coerenza delle misure di frequenza. Sono essenziali per prendere decisioni informate, rispettare gli standard e massimizzare la durata di vita. Quando si cerca un sistema affidabile multimetri con oscilloscopio, è meglio prestare attenzione a questi fattori.

    4.Applicazioni della misura di frequenza

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    La misura della frequenza è uno strumento fondamentale nell'elettronica e nell'ingegneria. Di seguito sono riportati esempi pratici del suo utilizzo in tutti i settori industriali:

    1).Risoluzione dei problemi dei circuiti elettronici

    • Identificazione dei componenti difettosi: Analizzando le deviazioni delle frequenze del segnale previste (ad esempio, utilizzando oscilloscopi o analizzatori di spettro), i tecnici possono individuare oscillatori, filtri o sensori malfunzionanti.
    • Diagnosi dei problemi di integrità del segnale: Misurare i segnali di clock o le uscite PWM per individuare errori di temporizzazione, rumore o distorsione nei circuiti.
    • 2).Prova delle apparecchiature audio
      • Analisi della risposta in frequenza: Valutare amplificatori, altoparlanti e microfoni per garantire curve di risposta piatte per una riproduzione del suono ad alta fedeltà.
      • Calibrazione audio: Utilizzare strumenti come gli analizzatori audio per mettere a punto equalizzatori, mixer o cuffie per ottenere prestazioni ottimali.
      • 3).Telecomunicazioni
        • Modulazione/demodulazione del segnale: Misurare le frequenze portanti delle reti radio, Wi-Fi o cellulari (ad esempio, 5G, LTE) per garantire la corretta trasmissione del segnale.
        • Gestione dello spettro: Monitorare le bande di frequenza per evitare interferenze nelle comunicazioni satellitari o nei sistemi a fibra ottica.

        4).Sistemi digitali

        • Sincronizzazione dell'orologio: Verificare le frequenze di clock dei microprocessori, delle FPGA o dei moduli di memoria per evitare errori di temporizzazione.
        • Convalida della velocità di trasmissione dei dati: Prova i protocolli di comunicazione seriale (ad es., USB, SPI) a 4

        5).Sistemi di alimentazione

        • Stabilità della rete: Monitorare la frequenza di alimentazione CA (50 Hz o 60 Hz) per rilevare sovraccarichi di rete o malfunzionamenti del generatore.
        • Integrazione delle energie rinnovabili: Sincronizza gli inverter solari/eolici con la frequenza di rete per garantire una fornitura di energia stabile.

        6).Tecnologie emergenti

        • Dispositivi IoT: Convalidare le frequenze di campionamento dei sensori (ad esempio, temperatura, movimento) per un'acquisizione affidabile dei dati.
        • Sistemi automobilistici: Misurare il numero di giri del motore tramite i sensori di posizione dell'albero motore o testare le frequenze dei radar ADAS (ad esempio, 77 GHz).
        • 5.Suggerimenti e trucchi per misure di frequenza accurate
        • 1. Scegliere l'attrezzatura giusta:
        • Gamma di frequenza: Scegliere un contatore di frequenza o un multimetro oscilloscopio in grado di misurare con precisione la gamma di frequenze con cui si lavora. Non utilizzare un dispositivo con una gamma limitata per i segnali ad alta frequenza o viceversa.
        • Precisione e risoluzione: Considerare l'accuratezza e la risoluzione richieste. I dispositivi a più alta risoluzione offrono misure più precise, ma possono essere più costosi.
        • Impedenza di ingresso: Far corrispondere l'impedenza di ingresso dello strumento di misura all'impedenza della sorgente del segnale per evitare riflessioni e imprecisioni del segnale.
        2. Posizionamento e collegamenti della sonda:
        • Connessioni pulite: Assicurarsi che tutti i collegamenti siano puliti e sicuri per ridurre al minimo i disturbi e le interferenze. Utilizzare cavi e connettori di alta qualità.
        • Messa a terra adeguata: Un buon collegamento a terra è essenziale per ottenere misure accurate. Utilizzare un collegamento a terra corto e a bassa impedenza.
        • Ridurre al minimo la lunghezza dei conduttori: Mantenere i conduttori della sonda il più corti possibile per ridurre gli effetti della capacità e dell'induttanza, soprattutto quando si misurano le alte frequenze.
        • Schermatura: Utilizzare cavi e sonde schermati per ridurre al minimo la captazione di interferenze elettromagnetiche esterne.
        • Effetti di caricamento: Tenere presente che lo strumento di misura stesso può caricare il circuito in esame. Scegliere sonde con un'alta impedenza di ingresso per ridurre al minimo questo effetto.
        3. Considerazioni sul segnale:
        • Ampiezza del segnale: Assicurarsi che l'ampiezza del segnale rientri nell'intervallo accettabile per lo strumento di misura. Un segnale troppo basso può essere difficile da misurare con precisione, mentre un segnale troppo alto può sovraccaricare l'ingresso.
        • Forma del segnale: Prestare attenzione alla forma del segnale (sinusoidale, quadra, a impulsi, ecc.). Alcuni contatori di frequenza funzionano meglio con forme d'onda specifiche. I segnali distorti o rumorosi possono causare letture imprecise.
        • Riduzione del rumore: Se il segnale è rumoroso, utilizzare tecniche di filtraggio per ridurre il rumore prima di misurare la frequenza.
        • Stabilità: Assicurarsi che la frequenza del segnale sia stabile durante la misurazione. Le fluttuazioni di frequenza possono rendere difficile ottenere una lettura accurata.
        4. Calibrazione e manutenzione:
        • Calibrazione regolare: Calibrare regolarmente la strumentazione di misura per garantirne l'accuratezza.
        • Autocalibrazione: Molti strumenti moderni sono dotati di routine di autocalibrazione integrate. Utilizzatele regolarmente.
        • Tempo di riscaldamento: Prima di effettuare le misurazioni, lasciare un tempo di riscaldamento sufficiente a stabilizzare lo strumento di misura.
        • Ambiente: Evitare temperature estreme, umidità e vibrazioni, poiché possono influire sull'accuratezza delle misure.
        5. Tecniche di misurazione:
        • Tempo di regolazione: Per i contatori di frequenza, scegliere un tempo di gate appropriato. Tempi di gate più lunghi forniscono una risoluzione più elevata, ma richiedono più tempo. Tempi di gate più brevi sono utili per le frequenze che cambiano rapidamente.
        • Media: Utilizzare tecniche di mediazione per ridurre gli effetti del rumore e del jitter.
        • Attivazione: Se si utilizza un oscilloscopio, impostare correttamente il livello di trigger e la pendenza per garantire misure stabili e precise.

        6Risorse per l'apprendimento ulteriore

        Tutorial online:

        • Tutorial di elettronica: Siti web come Electronics Tutorials (ad esempio, electronics-tutorials.ws) offrono spiegazioni di base sui concetti di misurazione della frequenza.
        • Tutto sui circuiti: All About Circuits (allaboutcircuits.com) offre articoli e forum in cui è possibile trovare informazioni sulle apparecchiature di prova e sulle tecniche di misura.
        • YouTube: Cercate su YouTube "tutorial sulla misurazione della frequenza" o "tutorial sull'oscilloscopio" per ottenere dimostrazioni video.

        Note applicative:

        • Produttori di apparecchiature di prova: Consultate i siti web dei produttori di apparecchiature di misura come Tektronix, Keysight (ex Agilent), Fluke e Rigol. Spesso hanno note applicative su tecniche di misura e apparecchiature specifiche.
        • Produttori di componenti: I produttori di componenti, come Analog Devices e Texas Instruments, forniscono spesso note applicative sull'uso dei loro componenti nei circuiti legati alla frequenza.

        Libri:

        • "L'arte dell'elettronica" di Horowitz e Hill: Un testo classico sull'elettronica con informazioni dettagliate sulle tecniche di misura.
        • "Strumentazione elettronica e tecniche di misura" di W.D. Cooper e A.D. Helfrick: Un libro di testo che copre varie tecniche di misurazione elettronica.

        Organizzazioni:

        • IEEE (Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici): IEEE pubblica riviste e atti di conferenze su strumentazione e misurazione.

        Seguendo questi suggerimenti e utilizzando le risorse suggerite, è possibile migliorare l'accuratezza delle misure di frequenza e approfondire la comprensione dei principi sottostanti. Ricordate che la pratica è fondamentale! Più si lavora con le apparecchiature di misura della frequenza, più si diventa esperti.

        5.Conclusione

        Frequenza è il numero di cicli di un evento ripetuto per unità di tempo, tipicamente misurato in Hertz (Hz), ovvero cicli al secondo.

        Lunghezza d'onda è la distanza tra due punti consecutivi di un'onda che si trovano nella stessa fase (ad esempio, due picchi o due avvallamenti). La frequenza e la lunghezza d'onda sono inversamente proporzionali.

        Periodo è il tempo impiegato per un ciclo completo di un'onda. È l'inverso della frequenza.

        Ampiezza è lo spostamento massimo di un'onda dalla sua posizione di equilibrio. Rappresenta la forza o l'intensità dell'onda.

        Fase descrive la posizione di un punto in un ciclo d'onda rispetto a un punto di riferimento. Aiuta a capire come le onde interagiscono tra loro.

        Importanza della comprensione della frequenza:

        • Essenziale per l'analisi dei circuiti: La frequenza è un parametro fondamentale nell'analisi e nella progettazione dei circuiti elettronici. Influisce sul comportamento di componenti come condensatori e induttori.
        • Elaborazione del segnale: La comprensione della frequenza è fondamentale nell'elaborazione dei segnali, che vengono manipolati e analizzati in base al loro contenuto in frequenza.
        • Sistemi di comunicazione: La frequenza è la spina dorsale dei sistemi di comunicazione, poiché le informazioni vengono trasmesse utilizzando segnali con frequenze specifiche.
        • Risoluzione dei problemi: L'analisi delle frequenze dei segnali aiuta a identificare i componenti difettosi e a diagnosticare i problemi nei circuiti elettronici.
        • Selezione dei componenti: La scelta dei componenti giusti per un circuito dipende spesso dal loro comportamento a frequenze specifiche.
        • Progettazione del sistema: La progettazione di sistemi elettronici, dagli amplificatori audio ai trasmettitori radio, richiede una profonda comprensione della frequenza e delle sue implicazioni.

        La frequenza è una pietra miliare dell'elettronica. È coinvolta in quasi tutti gli aspetti, dall'analisi dei circuiti di base ai complessi sistemi di comunicazione. Una solida conoscenza dei concetti di frequenza è essenziale per chiunque lavori con l'elettronica, in quanto consente di progettare, analizzare, risolvere i problemi e comprendere il comportamento dei circuiti e dei sistemi elettronici.

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