DC 회로에서 동등한 것이 없는 중요한 전기적 양은 주파수 입니다 .
주파수 측정은 교류의 많은 응용 분야에서 매우 중요하며, 특히 하나의 주파수에서만 효율적으로 작동하도록 설계된 AC 전력 시스템에서는 더욱 중요합니다.
교류가 전기기계식 발전기로 생성되는 경우, 주파수는 기계의 샤프트 속도에 정비례하고, 샤프트 속도를 측정하면 간단히 주파수를 측정할 수 있습니다.
하지만 발전기로부터 어느 정도 떨어진 거리에서 주파수를 측정해야 하는 경우에는 다른 측정 방법이 필요합니다.
주파수 측정 방법
기계적 공명 원리를 활용하다
전력 시스템에서 주파수를 측정하는 간단하지만 조잡한 방법 중 하나는 기계적 공명의 원리를 활용합니다. 탄성(탄력성)의 속성을 지닌 모든 물리적 물체는 진동을 선호하는 고유한 주파수를 갖습니다.
튜닝 포크는 이것의 좋은 예입니다. 한 번 치면 길이에 맞는 특정 음조로 계속 진동합니다. 긴 튜닝 포크는 공명 주파수가 낮습니다. 짧은 튜닝 포크보다 음계에서 음조가 낮습니다.
점점 더 큰 음叉가 나란히 배열된 행을 상상해 보세요. 모두 공통된 받침대에 장착되어 있으며, 그 받침대는 전자석을 통해 측정된 AC 전압(또는 전류)의 주파수로 진동합니다.
어느 튜닝 포크가 공진 주파수에서 그 진동 주파수에 가장 가까울수록 가장 많이 흔들리는 경향이 있습니다(또는 가장 크게 흔들립니다). 포크의 갈래가 충분히 약하다면, 우리는 끝에서 각각을 검사할 때 보이는 흐릿함의 길이로 각각의 상대적인 운동을 볼 수 있을 것입니다.
글쎄요, 갈퀴와 비슷한 패턴으로 자른 판금 조각으로 "튜닝 포크" 모음을 만들면 진동하는 리드 주파수계가 완성됩니다.
진동 리드 주파수계 다이어그램.
이 미터의 사용자는 코일에 적용된 AC 전압의 주파수에서 집단적으로 흔들리는 모든 길이가 다른 리드의 끝을 봅니다. 적용된 AC와 공진 주파수가 가장 가까운 리드가 가장 많이 진동하며 다음과 같습니다.
진동 리드 주파수 미터 전면 패널.
진동 리드 미터는 분명히 정밀 기기는 아니지만 매우 간단하기 때문에 견고하게 제작하기 쉽습니다. 종종 소형 엔진 구동 발전기 세트에서 엔진 속도를 설정하여 주파수가 60(유럽에서는 50) 헤르츠에 다소 가까워지도록 하는 목적으로 사용됩니다.
Tank Circuit의 한 형태 사용
리드형 미터는 정확하지 않지만 작동 원리는 그렇지 않습니다. 기계적 공진 대신 전기적 공진을 대체하고 탱크 회로(병렬 인덕터와 커패시터) 형태로 인덕터 와 커패시터를 사용하여 주파수 미터를 설계할 수 있습니다. 아래 그림을 참조하세요.
하나 또는 두 구성 요소를 모두 조정할 수 있으며, 회로에 계측기를 배치하여 두 구성 요소에 걸리는 전압의 최대 진폭을 표시합니다.
조정 손잡이는 주어진 설정에 대한 공진 주파수를 표시하도록 교정되며, 장치가 미터의 최대 표시에 맞게 조정된 후 주파수를 읽습니다.
기본적으로 이것은 조정 가능한 필터 회로이며, 브리지 회로와 유사한 방식으로 조정된 후 읽힙니다(브리지 회로는 "null" 조건에 대해 균형을 맞춘 다음 읽어야 함).
LC 공진 주파수가 테스트 주파수에 맞춰지면 공진 주파수 미터가 "피크"에 도달합니다.
이 기술은 아마추어 무선 기사들에게 인기가 많습니다(적어도 카운터 라고 불리는 저렴한 디지털 주파수 계측기가 등장하기 전까지는 그랬습니다 ). 특히 회로에 직접 연결할 필요가 없기 때문입니다.
인덕터 및/또는 커패시터가 테스트 회로에서 충분한 누설 자기장(각각 자기 또는 전기 ) 을 가로채서 계측기가 표시되도록 할 수만 있다면 계측기는 작동합니다.
주파수를 측정하는 것과 다른 유형의 전기 측정에서 가장 정확한 측정 방법은 보통 알려지지 않은 양을 알려진 표준 과 비교하는 것이며, 이 기본 기구는 두 양이 서로 같을 때를 나타내는 것 이상의 역할을 하지 않습니다.
이것은 DC(휘트스톤) 브리지 회로 의 기본 원리이며 , 과학 전반에 적용되는 건전한 계량 원리입니다. 정확한 주파수 표준(단일 주파수를 매우 정확하게 유지하는 AC 전압 소스)에 접근할 수 있다면, 비교를 통해 알려지지 않은 주파수를 측정하는 것은 비교적 쉬울 것입니다.
석영 수정을 사용하다
그 주파수 표준에 대해 알아보기 위해 우리는 다시 음叉, 혹은 적어도 석영 수정 이라 불리는 음叉의 더 현대적인 변형에 주의를 기울여야 합니다 .
석영은 압전성 이라는 매우 흥미로운 특성을 지닌 자연적으로 발생하는 광물입니다 . 압전 재료는 물리적으로 스트레스를 받으면 길이에 걸쳐 전압을 생성하고, 외부 전압이 길이에 걸쳐 인가되면 물리적으로 변형됩니다.
이런 변형은 대부분의 경우 매우, 매우 미미하지만 존재합니다.
석영 암석은 외부 전압에 의해 발생하는 작은 굽힘 범위 내에서 탄성(탄력)을 가지며, 이는 석영 암석 자체의 기계적 공진 주파수를 갖고 있어 전기 전압 신호로 나타날 수 있음을 의미합니다.
즉, 석영 칩을 치면 칩의 길이에 따라 결정되는 고유한 주파수로 '울림'이 나고, 이 공진 진동으로 석영 칩의 여러 지점에 동등한 전압이 생성되고, 이 전압은 칩 표면에 고정된 전선을 통해 도청될 수 있습니다.
이와 반대로 석영 칩은 진동 리드 주파수계의 리드와 마찬가지로 정확히 적절한 주파수에서 AC 전압이 인가되어 "여기"되었을 때 가장 많이 진동하는 경향이 있습니다.
석영 암석 조각을 원하는 공진 주파수에 맞게 정밀하게 절단한 다음, 외부 전기 회로에 연결하기 위한 전선이 있는 보호 쉘 내부에 해당 칩을 안전하게 장착합니다.
이렇게 포장하면, 그 결과 장치는 간단히 크리스털 (혹은 때때로 " xtal ")이라고 불립니다. 회로도 기호는 아래 그림에 나와 있습니다.
수정(주파수 결정소자) 회로도 기호.
전기적으로, 그 석영 칩은 직렬 LC 공진 회로와 동등합니다. (아래 그림) 석영의 유전 특성은 등가 회로에 추가적인 용량성 요소를 제공합니다.
석영 수정 등가 회로.
직렬로 표시된 "커패시턴스"와 "인덕턴스"는 석영의 기계적 공진 특성의 전기적 등가물일 뿐입니다. 이들은 크리스털 내에서 개별적인 구성 요소로 존재하지 않습니다. 유전체(절연) 석영 본체를 가로지르는 와이어 연결로 인해 병렬로 표시된 커패시턴스는 실제이며 전체 시스템의 공진 응답에 영향을 미칩니다.
여기서 수정 동역학에 대한 전체적인 논의는 필요하지 않지만, 수정에 대해 이해해야 할 것은 이 공진 회로 동등성과 이를 발진기 회로 내에서 어떻게 활용하여 안정적이고 알려진 주파수의 출력 전압을 달성할 수 있는지입니다.
공진 소자인 크리스털은 일반적으로 인덕터와 커패시터로 만든 탱크 회로보다 훨씬 높은 "Q"( 품질 ) 값을 갖습니다. 이는 주로 누설 저항이 상대적으로 없기 때문에 공진 주파수가 매우 확실하고 정밀하기 때문입니다.
공진 주파수는 석영(기계적으로 매우 안정된 물질)의 물리적 특성에만 의존하기 때문에 석영 수정을 사용한 시간에 따른 공진 주파수 변화는 매우 매우 낮습니다. 이것이 석영 무브먼트 시계가 높은 정확도를 얻는 방법입니다. 즉, 석영 수정의 공진 작용으로 안정화된 전자 발진기를 통해서입니다.
그러나 실험실 응용 분야에서는 더 큰 주파수 안정성이 필요할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 해당 크리스털을 온도 안정화 환경(일반적으로 오븐)에 두어 석영의 열 팽창 및 수축으로 인한 주파수 오류를 제거할 수 있습니다.
하지만 주파수 표준의 궁극을 위해 지금까지 발견된 어떤 것도 단일 공명 원자의 정확도를 능가하지 못합니다. 이것이 소위 원자 시계 의 원리인데 , 이는 진공에 매달린 수은(또는 세슘) 원자를 외부 에너지에 의해 자극하여 고유한 주파수로 공명시킵니다.
그 결과 주파수는 전파 신호로 감지되고, 인류에게 알려진 가장 정확한 시계의 기초를 형성합니다. 전 세계의 국가 표준 연구소는 이러한 초정밀 시계를 몇 개 유지하고, 과학자와 기술자가 주파수 교정 목적으로 조정하고 사용할 수 있도록 원자의 진동에 기반한 주파수 신호를 방송합니다.
실제적인 부분
이제 실제적인 부분으로 넘어가겠습니다. 정확한 주파수의 원천 을 확보했다면 어떻게 그것을 알려지지 않은 주파수와 비교하여 측정값을 얻을 수 있을까요?
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 판이 있고 빔의 위아래에 한 쌍의 판이 있습니다.
수직 및 수평 편향판이 있는 음극선관(CRT).
한 AC 신호로 빔을 위아래로 편향시키고(해당 AC 전압 소스를 "수직" 편향 판에 연결) 또 다른 AC 신호로 빔을 좌우로 편향시키면(다른 한 쌍의 편향 판 사용), 이 두 AC 주파수의 비율을 나타내는 패턴이 CRT 화면에 생성됩니다 .
이러한 패턴을 리사주 패턴 이라고 하며 전자공학에서 주파수를 비교 측정하는 데 일반적으로 사용되는 수단입니다.
두 주파수가 동일하다면 CRT 화면에 간단한 도형이 나타나며, 이 도형의 모양은 두 AC 신호 간의 위상 변화에 따라 달라집니다. 다음은 동일한 주파수의 두 사인파 신호에 대한 리사주 도형의 샘플링으로, 오실로스코프(CRT를 "움직임"으로 사용하는 AC 전압 측정 기기)의 표면에 나타나는 대로 표시했습니다.
첫 번째 그림은 서로 완벽하게 위상이 일치하는 두 개의 AC 전압으로 형성된 리사주 도형입니다.
리사주 그림: 주파수는 동일하고 위상 변화는 0도입니다.
두 AC 전압이 서로 동상이 아니면 직선이 형성되지 않습니다. 오히려 리사주 도형은 타원처럼 보이고 두 신호 사이의 위상 변화가 정확히 90°이고 진폭이 같으면 완벽한 원형이 됩니다.
리사주 그림: 동일한 주파수, 90도 또는 270도 위상 변화.
마지막으로 두 AC 신호가 위상이 서로 직접 반대되는 경우(180° 이동) 다시 선이 생성되지만 이번에는 반대 방향으로 배향됩니다.
리사주 그림: 주파수는 동일하지만 위상은 180도 변함.
동일하지 않은 신호 주파수에 직면했을 때, 리사주 도형은 훨씬 더 복잡해집니다. 다음 예를 고려하면 수직/수평 주파수 비율이 주어집니다.
리사주 그림: 수평 주파수는 수직 주파수의 두 배입니다.
수평 및 수직 주파수의 비율이 복잡할수록 리사주 그림은 더 복잡해집니다. 수평 및 수직 주파수 비율이 3:1인 다음 그림을 고려해 보세요.
리사주 그림: 수평 주파수는 수직 주파수의 3배입니다.
... 그리고 아래 그림에서는 3:2의 주파수 비율(수평 = 3, 수직 = 2)을 나타냅니다.
리사주 그림: 수평/수직 빈도 비율은 3:2입니다.
두 AC 신호의 주파수가 서로 정확히 단순한 비율이 아닌 경우(그러나 가까운 경우), 리사주 곡선은 두 파형 사이의 위상각이 0°와 180° 사이를 오가면서 천천히 방향을 바꾸면서 "움직이는" 것처럼 보입니다.
두 주파수가 서로 정확한 정수 비율로 고정되면 리사주 모양은 CRT 화면에서 안정적으로 나타납니다.
리사주 도형의 물리학은 주파수 비교 기법으로서 그 유용성을 주파수 비율이 간단한 정수 값(1:1, 1:2, 1:3, 2:3, 3:4 등)인 경우에만 제한합니다.
이러한 한계에도 불구하고, 리사주 수치는 접근 가능한 주파수 표준(신호 발생기)이 있는 곳이라면 어디에서나 주파수 비교의 인기 있는 수단입니다.
검토:
- 일부 주파수계는 기계적 공명의 원리에 따라 작동하며 측정된 주파수에서 흔드는 고유하게 조정된 일련의 "리드" 사이의 상대 진동으로 주파수를 표시합니다.
- 다른 주파수 미터는 전기 공진 회로(일반적으로 LC 탱크 회로)를 사용하여 주파수를 표시합니다. 하나 또는 두 구성 요소는 정확하게 교정된 조정 손잡이로 조정 가능하도록 만들어졌으며, 민감한 미터는 공진 지점에서 최대 전압 또는 전류를 읽습니다.
- 주파수는 CRT를 사용하여 리사주 도형을 생성할 때와 같이 비교적 방식으로 측정할 수 있습니다. 기준 주파수 신호는 석영 크리스털을 공진 장치로 사용하는 발진기 회로를 통해 높은 정확도로 만들 수 있습니다. 초정밀을 위해 원자 시계 신호 표준(개별 원자의 공진 주파수 기반)을 사용할 수 있습니다.