Vad är frekvens?

Föreställ dig att du försöker laga ditt barns fjärrstyrda bil. Den har krånglat, kört framåt fint och sedan plötsligt backat utan anledning. Du har kollat batterierna och de är bra. Så du öppnar den i hopp om att hitta en lös sladd. Du har din trogna multimeter och ett litet oscilloskop som du har lånat av en vän. Du kollar runt lite, kontrollerar anslutningarna och sedan klämmer du fast oscilloskopproberna på motorstyrkretsen. Du förväntar dig att se en fin, ren fyrkantsvåg när du trycker på framåtknappen. Istället visar skärmen detta konstiga, vingliga, nästan hjärtslagsliknande mönster. Det är inte alls den stadiga on/off-signal som du förväntar dig. Och det här är frekvensen.

Frekvens är ett grundläggande begrepp inom elektronik. Det är viktigt för att förstå hur kretsar fungerar, felsöka problem, konstruera nya kretsar och garantera säkerheten. Genom att behärska frekvensen kommer du att kunna arbeta mer effektivt med elektroniska system.

Att förstå frekvenser är helt avgörande för alla som arbetar med elektronik, och särskilt när man använder verktyg som oscilloskop och multimetrar. Här ska vi lära oss mer om vad frekvens är.

1. Vad är frekvens?

Frekvens är i princip hur ofta något inträffar under en viss tidsperiod. Det avser antalet gånger en upprepad händelse inträffar per tidsenhet. När det gäller elektriska signaler beskriver det hur ofta en vågform (t.ex. en sinusvåg, fyrkantsvåg eller någon annan periodisk signal) upprepas under en sekund.

Tänk på det som hur många gånger en händelse upprepas under en given tidsram, vanligtvis en sekund. Vi mäter frekvensen i Hertz (Hz).

Här är några exempel som hjälper dig att förstå:

• Blinkande ljus: Föreställ dig en glödlampa som blinkar till och från. Om den blinkar en gång i sekunden säger vi att den har en frekvens på 1 Hz. Om den blinkar fem gånger i sekunden har den en frekvens på 5 Hz.
• Gitarrsträng: När du plockar i en gitarrsträng vibrerar den fram och tillbaka. Om den vibrerar 440 gånger per sekund ger det en musiknot med frekvensen 440 Hz.
• Hjärtslag: Ditt hjärta slår regelbundet. Om det slår 60 gånger per minut motsvarar det ungefär 1 slag per sekund, så dess frekvens är cirka 1 Hz.

I grund och botten säger frekvensen hur ofta något upprepas. Ju högre frekvens, desto oftare inträffar händelsen.

Låt oss bryta ner sinusvågor och frekvens med hjälp av några bilder:

1). Sinusvågen (bilden nedan är från https://reviseomatic.org/)

sinusvåg med toppar, dalar och en komplett cykel märkt

*  Toppar: De högsta punkterna på vågen.

* Troughs: De lägsta punkterna på vågen.

* Cykel: En fullständig upprepning av vågmönstret.

2). Frekvens

Frekvensen är antalet cykler som inträffar under en sekund. Den mäts i Hertz (Hz).

• Exempel: Om sinusvågen ovan fullbordar en cykel varje sekund är dess frekvens 1 Hz.

3).Hur frekvensen påverkar vågformen

(Denna bild kommer från https://www.cs.csustan.edu/)

tre sinusvågor med olika frekvenser: låg frekvens, medelhög frekvens, hög frekvens

* Låg frekvens: Vågen har färre cykler per sekund, vilket gör att den upplevs som bredare och långsammare.

* Hög frekvens: Vågen har fler cykler per sekund, vilket gör att den ser smalare och snabbare ut.

Viktiga punkter

• Våglängd: Avståndet mellan två på varandra följande toppar eller dalar. Högre frekvens innebär kortare våglängd.
• Amplitud: Vågens höjd från mittlinjen till en topp eller ett dal. Amplituden påverkas inte av frekvensen.

Förståelse för frekvens hjälper oss att analysera och tolka signaler inom elektronik. Genom att observera hur vågformer förändras med frekvensen kan vi identifiera potentiella problem och se till att våra kretsar fungerar korrekt.

2.Hur man mäter frekvens med ett oscilloskop och en multimeter

Frekvensen kan mätas på några olika sätt, beroende på vilken typ av signal det gäller och vilka verktyg du har tillgång till. Här är några vanliga metoder:

1) Använda en frekvensräknare

• Hur det fungerar: En frekvensräknare är ett specialinstrument som är särskilt utformat för att mäta frekvens. Den räknar antalet cykler i en signal inom en given tidsperiod och visar resultatet i Hertz (Hz).
• Hur man använder den:
  • Anslut frekvensräknaren till signalkällan.
  • Välj lämpligt inmatningsområde på räknaren.
  • Räknaren mäter och visar frekvensen automatiskt.

2). Använda ett oscilloskop

• Hur det fungerar: Ett oscilloskop visar en visuell representation av en signal i form av en vågform. Du kan bestämma frekvensen genom att mäta den tid det tar för en komplett cykel (perioden) och sedan beräkna frekvensen med hjälp av formeln: Frekvens = 1 / Period.
• Hur man använder den:
  • Anslut oscilloskopets prober till signalkällan.
  • Justera tidsbasen och den vertikala skalan på oscilloskopet för att få en tydlig bild av vågformen.
  • Mät tiden för en hel cykel (period) med hjälp av oscilloskopets graticule eller markörer.
  • Beräkna frekvensen med hjälp av formeln som nämns ovan.

3). Använda en multimeter för frekvensmätning

• Hur det fungerar: Vissa digitala multimetrar har en inbyggd frekvensmätningsfunktion. Det gör även vår nya modell ZT-703S oscilloskop multimetrar, De kan mäta frekvensen hos AC-signaler.
• Hur man använder den:
  • Gå till menyn på sjätte sidan på ZT-703S oscilloskop multimetrar tryck på tangenten F1 för att komma till de utökade applikationerna. På skärmen visas nu alternativ för bildsökning och signalutmatningsmönster. Välj signalutgång och tryck sedan på MENU-knappen för att komma till gränssnittet för signalgeneratorns utgångsinställningar.
  • Använd pilknapparna upp och ned för att välja sinusvåg, fyrkantsvåg, triangelvåg, halvvåg, helvåg eller sågtandsvåg som utgångsvågform. Skärmens displayfönster visar synkront motsvarande vågform.
  • Använd vänster- och högerpiltangenterna för att växla frekvensenhet mellan 1Hz och 1KHz.

• Obs: denna operation är från ZT-703S oscilloskop multimetrar användarmanual på sidan 25

  4). Mjukvarubaserad mätning

• 

  • Hur det fungerar: Det finns programvaror som kan mäta frekvensen med hjälp av datorns ljudkort eller andra inmatningsenheter. Dessa program analyserar den inkommande signalen och beräknar frekvensen.
  • Hur man använder den:
    • Anslut signalkällan till datorns ljudingång eller annan lämplig ingång.
    • Installera och kör programvaran för frekvensmätning.
    • Följ programvarans anvisningar för att mäta frekvensen.

• Viktiga överväganden:

  • Signaltyp: Vilken metod du väljer kan bero på vilken typ av signal du mäter (t.ex. sinusvåg, fyrkantsvåg, pulståg).
  • Frekvensområde: Kontrollera att det instrument du använder kan mäta frekvensområdet för din signal.
  • Noggrannhet: Mätnoggrannheten beror på instrumentet och signalkvaliteten.

  3. Faktorer som påverkar frekvensmätningar

  Det finns en del potentiella felkällor som påverkar frekvensmätningar, t.ex. brus, signalförvrängning, felaktig placering av proben osv. Här följer några ytterligare detaljer om några av dessa felkällor:

  • Buller: Brus kan orsakas av en mängd olika faktorer, t.ex. termiskt brus, skottbrus och flimmerbrus. Det kan minskas genom att använda en förstärkare med lågt brus eller genom att filtrera signalen.
  • Signalförvrängning: Signaldistorsion kan orsakas av faktorer som klippning, mättnad och olinjäritet. Den kan minskas genom att använda en förstärkare av hög kvalitet och genom att se till att signalen inte överbelastas.
  • Felaktig placering av proben: Proben ska placeras på en plats där den kan fånga upp signalen starkt och utan störningar. Den ska också vara korrekt orienterad.
  • Störningar: Störningar kan orsakas av andra signaler i omgivningen, t.ex. radiovågor eller elektromagnetiska fält. Störningarna kan minskas genom att skärma av signalen eller genom att använda ett filter som blockerar de störande signalerna.

  (Dessa rapporteras av nedanstående webbplatser för bildforskning)

• 

  Det är därför viktigt att vara medveten om de potentiella felkällorna vid frekvensmätningar, så att du kan vidta åtgärder för att minimera dem.

  Korrekt inställning och kalibrering av frekvensmätutrustningen är avgörande för att få exakta och tillförlitliga mätningar. Här får du veta varför:

  1. Noggrannhet och tillförlitlighet:
  • Säkerställer att mätningarna är korrekta: Kalibreringen verifierar att utrustningen mäter frekvenser inom de specificerade noggrannhetsgränserna. Utan kalibrering kan avläsningarna bli felaktiga, vilket leder till felaktiga slutsatser.  
  • Minskar antalet fel: Korrekt installation minimerar externa faktorer som störningar eller felaktiga anslutningar som kan förvränga avläsningarna.
  • Konsekvent: Kalibreringen säkerställer att utrustningen ger konsekventa avläsningar över tid, vilket möjliggör tillförlitliga jämförelser och trendanalyser.
  2. Efterlevnad och standarder:
  • Uppfyller industristandarder: Många branscher har bestämmelser som kräver kalibrerad utrustning för kvalitetskontroll och säkerhet.  
  • Spårbarhet: Kalibrering kopplar mätningar till nationella eller internationella standarder, vilket säkerställer global enhetlighet och jämförbarhet.  
  3. Beslutsfattande:
  • Välgrundade beslut: Exakta frekvensmätningar är nödvändiga inom många olika områden, från forskning och utveckling till tillverkning och telekommunikation. Korrekt installation och kalibrering säkerställer att beslut som baseras på dessa mätningar är korrekta.  
  • Undvik kostsamma misstag: Felaktiga mätningar kan leda till bristfälliga konstruktioner, produktionsfel eller till och med säkerhetsrisker.  
  4. Utrustningens livslängd:
  • Förlänger livslängden: Regelbunden kalibrering kan identifiera slitage eller potentiella problem i ett tidigt skede, vilket möjliggör underhåll i rätt tid och förhindrar förtida fel.  
  • Optimerar prestandan: Korrekt inställning och kalibrering säkerställer att utrustningen fungerar på bästa sätt och maximerar dess kapacitet.

    Korrekt inställning och kalibrering är grundläggande för att säkerställa noggrannhet, tillförlitlighet och konsekvens i frekvensmätningar. De är avgörande för välgrundat beslutsfattande, efterlevnad av standarder och maximering av livslängden. När du letar efter en tillförlitlig oscilloskop multimetrar, det är bättre att vara uppmärksam på dessa faktorer.

    4.Tillämpningar av frekvensmätning

  • 

    Frekvensmätning är ett viktigt verktyg inom elektronik och teknik. Nedan finns praktiska exempel på hur det används i olika branscher:

    1).felsökning av elektroniska kretsar

    • Identifiering av felaktiga komponenter: Genom att analysera avvikelser i förväntade signalfrekvenser (t.ex. med hjälp av oscilloskop eller spektrumanalysatorer) kan ingenjörer upptäcka felaktiga oscillatorer, filter eller sensorer.
    • Diagnostisering av signalintegritetsproblem: Mät klocksignaler eller PWM-utgångar för att lokalisera timingfel, brus eller distorsion i kretsar.
    • 2) Test av ljudutrustning
      • Analys av frekvenssvar: Utvärdera förstärkare, högtalare och mikrofoner för att säkerställa plana svarskurvor för ljudåtergivning med hög kvalitet.
      • Kalibrering av ljud: Använd verktyg som ljudanalysatorer för att ställa in equalizers, mixers eller hörlurar för optimal prestanda.
      • 3) Telekommunikation
        • Signalmodulering/demodulering: Mät bärfrekvenser i radio-, Wi-Fi- eller mobilnät (t.ex. 5G, LTE) för att säkerställa korrekt signalöverföring.
        • Hantering av spektrum: Övervaka frekvensband för att undvika störningar i satellitkommunikation eller fiberoptiska system.

        4) Digitala system

        • Klocksynkronisering: Verifiera klockfrekvenser i mikroprocessorer, FPGA:er eller minnesmoduler för att förhindra felaktiga tidsmatchningar.
        • Validering av datahastighet: Testa seriella kommunikationsprotokoll (t.ex. USB, SPI) till 4

        5) Kraftsystem

        • Stabilitet i elnätet: Övervaka nätfrekvensen (50 Hz eller 60 Hz) för att upptäcka överbelastning av elnätet eller fel på generatorn.
        • Integration av förnybar energi: Synkronisera växelriktare för sol/vind med nätfrekvensen för att säkerställa stabil strömförsörjning.

        6). ny teknik

        • IoT-enheter: Validera sensorns samplingsfrekvens (t.ex. temperatur, rörelse) för tillförlitlig datainsamling.
        • Fordonssystem: Mät motorvarvtal via vevaxelns positionssensorer eller testa ADAS-radarfrekvenser (t.ex. 77 GHz)
        • 5. Tips och tricks för exakta frekvensmätningar
        • 1.Välja rätt utrustning:
        • Frekvensområde: Välj en frekvensräknare eller oscilloskopmultimeter som exakt kan mäta det frekvensområde du arbetar med. Använd inte en enhet med begränsat mätområde för högfrekventa signaler, eller vice versa.
        • Noggrannhet och upplösning: Tänk på vilken noggrannhet och upplösning som krävs. Enheter med högre upplösning ger mer exakta mätningar, men kan vara dyrare.
        • Ingångsimpedans: Anpassa mätinstrumentets ingångsimpedans till signalens källimpedans för att undvika signalreflektioner och felaktigheter.
        2. Placering av prober och anslutningar:
        • Rena anslutningar: Se till att alla anslutningar är rena och säkra för att minimera brus och störningar. Använd kablar och kontakter av hög kvalitet.
        • Korrekt jordning: En bra jordanslutning är avgörande för korrekta mätningar. Använd en kort jordanslutning med låg impedans.
        • Minimera ledlängderna: Håll probkablarna så korta som möjligt för att minska effekterna av kapacitans och induktans, särskilt vid mätning av höga frekvenser.
        • Skärmning: Använd skärmade kablar och prober för att minimera upptagningen av externa elektromagnetiska störningar.
        • Laddningseffekter: Tänk på att mätinstrumentet i sig kan belasta den krets som testas. Välj prober med hög ingångsimpedans för att minimera denna effekt.
        3. Signalöverväganden:
        • Signalens amplitud: Se till att signalens amplitud ligger inom det acceptabla intervallet för mätinstrumentet. En för låg signal kan vara svår att mäta exakt, medan en för hög signal kan överbelasta ingången.
        • Signalform: Var uppmärksam på signalens form (sinus, fyrkant, puls etc.). Vissa frekvensräknare fungerar bäst med specifika vågformer. Förvrängda eller brusiga signaler kan leda till felaktiga avläsningar.
        • Brusreducering: Om signalen är brusig kan du använda filtreringstekniker för att minska bruset innan du mäter frekvensen.
        • Stabilitet: Se till att signalfrekvensen är stabil under mätningen. Fluktuationer i frekvensen kan göra det svårt att få en korrekt avläsning.
        4. Kalibrering och underhåll:
        • Regelbunden kalibrering: Kalibrera din mätutrustning regelbundet för att säkerställa noggrannheten.
        • Självkalibrering: Många moderna instrument har inbyggda rutiner för självkalibrering. Använd dessa regelbundet.
        • Uppvärmningstid: Låt mätinstrumentet få tillräcklig uppvärmningstid för att stabilisera sig innan mätningarna påbörjas.
        • Miljö: Undvik extrema temperaturer, luftfuktighet och vibrationer, eftersom dessa kan påverka mätningarnas noggrannhet.
        5. Mätteknik:
        • Gating-tid: För frekvensräknare väljer du en lämplig gate-tid. Längre gate-tider ger högre upplösning men tar längre tid. Kortare gate-tider är användbara för snabbt föränderliga frekvenser.
        • Medelvärdesbildning: Använd medelvärdesbildande tekniker för att minska effekterna av brus och jitter.
        • Utlösande: Om du använder ett oscilloskop ska du ställa in triggernivån och lutningen korrekt för att säkerställa stabila och exakta mätningar.

        6.resurser för vidareutbildning

        Handledning på nätet:

        • Handledning i elektronik: Webbplatser som Electronics Tutorials (t.ex. electronics-tutorials.ws) erbjuder grundläggande förklaringar av frekvensmätningskoncept.
        • Allt om kretsar: All About Circuits (allaboutcircuits.com) har artiklar och forum där du kan hitta information om testutrustning och mätteknik.
        • YouTube: Sök på YouTube efter "frequency measurement tutorial" eller "oscilloscope tutorial" för videodemonstrationer.

        Applikationsanteckningar:

        • Tillverkare av testutrustning: Besök webbplatserna för tillverkare av testutrustning som Tektronix, Keysight (tidigare Agilent), Fluke och Rigol. De har ofta tillämpningsanvisningar om specifika mättekniker och utrustning.
        • Komponenttillverkare: Komponenttillverkare som Analog Devices och Texas Instruments tillhandahåller ofta tillämpningsanvisningar för användning av deras komponenter i frekvensrelaterade kretsar.

        Böcker:

        • "The Art of Electronics" av Horowitz och Hill: En klassiker inom elektronik med detaljerad information om mätteknik.
        • "Electronic Instrumentation and Measurement Techniques" av W.D. Cooper och A.D. Helfrick: En lärobok som behandlar olika elektroniska mättekniker.

        Organisationer:

        • IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): IEEE publicerar tidskrifter och konferensrapporter om instrumentering och mätning.

        Genom att följa dessa tips och använda de föreslagna resurserna kan du förbättra noggrannheten i dina frekvensmätningar och fördjupa din förståelse för de underliggande principerna. Kom ihåg att övning är nyckeln! Ju mer du arbetar med frekvensmätningsutrustning, desto skickligare kommer du att bli.

        5.Slutsats

        Frekvens är antalet cykler av en upprepad händelse per tidsenhet, vanligen mätt i Hertz (Hz), vilket betyder cykler per sekund.

        Våglängd är avståndet mellan två på varandra följande punkter i en våg som befinner sig i samma fas (t.ex. två toppar eller två dalar). Frekvens och våglängd är omvänt proportionella.

        Period är den tid det tar för en komplett vågcykel. Det är inversen av frekvensen.

        Amplitud är den maximala förskjutningen av en våg från dess jämviktsläge. Den representerar vågens styrka eller intensitet.

        Fas beskriver positionen för en punkt i en vågcykel i förhållande till en referenspunkt. Det hjälper till att förstå hur vågor interagerar med varandra.

        Vikten av att förstå frekvens:

        • Grundläggande för kretsanalys: Frekvensen är en grundläggande parameter när man analyserar och konstruerar elektroniska kretsar. Den påverkar hur komponenter som kondensatorer och induktorer beter sig.
        • Signalbehandling: Att förstå frekvens är avgörande inom signalbehandling, där signaler manipuleras och analyseras baserat på deras frekvensinnehåll.
        • Kommunikationssystem: Frekvenser är ryggraden i kommunikationssystem, eftersom information överförs med hjälp av signaler med specifika frekvenser.
        • Felsökning: Genom att analysera signalfrekvenser kan man identifiera felaktiga komponenter och diagnostisera problem i elektroniska kretsar.
        • Val av komponent: Att välja rätt komponenter till en krets beror ofta på hur de beter sig vid specifika frekvenser.
        • Systemdesign: För att konstruera elektroniska system, från ljudförstärkare till radiosändare, krävs en djup förståelse för frekvenser och vad de innebär.

        Frekvenser är en av elektronikens hörnstenar. Den är inblandad i nästan alla aspekter, från grundläggande kretsanalys till komplexa kommunikationssystem. En gedigen förståelse för frekvensbegrepp är nödvändig för alla som arbetar med elektronik, så att de kan konstruera, analysera, felsöka och förstå beteendet hos elektroniska kretsar och system.

        ZOYI Online Shop tillhandahåller digitalt oscilloskop, smart digital multimeter, professionell digital multimeter, automatisk och manuell multimeter, dubbelinsprutad digital multimeter, Bluetooth digital multimeter etc. Vi erbjuder överlägsen kundsupport, gratis fraktservice och 12 månaders garanti om något går fel.

        Välkommen att lämna dina kommentarer om du har några frågor eller tvivel om vad som är frekvens. Och välkommen att besöka vår ZOYI onlinebutik för att lära dig mer om frekvensmätningsverktyg.