فرکانس متر چیست؟

یکی از ابزارهای مهم  و پراستفاده در بخش های مختلف سیستم های الکترونیکی و مخابراتی فرکانس متر است. این ابزار که به 2 نوع آنالوگ یا دیجیتال و باتوجه به مکان و فرکانس مورد اندازه گیری طراحی و ارائه می گردد. فرکانس متر وسیله ای برای نمایش فرکانس یک سیگنال الکتریکی تناوبی می باشد . به طور کلی فرکانس مترها در مدل های مختلفی ساخته می شوند که برای اندازه گیری فرکانس های پایین تا 900 هرتز استفاده می شود  فرکانس مترها با متوازن قرار دادن دو نیروی متضاد عمل می کند و تغییر در فرکانس ، به علت تغییر در این تعادل ، می تواند توسط انحراف یک عقربه در مقیاس اندازه گیری نشان داده شود . فرکانس مترها دارای دو سیم پیچ می باشند که برای فرکانس های متفاوت تنظیم شده است و عقربه ای که توانایی حرکت دارد .

امروزه کار با میکروکنترلرها بیش از پیش ضرورت پیدا کرده  و به موازات آن طراحی آن ها نیز وارد مرحله جدیدی شده است که امکان انعطاف پذیری بیشتری را فراهم می سازد. یکی از این میکروکنترلرها، میکروکنترل ای‌ وی‌ آر است که سهم عمده ای از مصرف را به خود اختصاص داده است.از موارد پر کاربرد میکروکنترلرها، می‌توان انجام محاسبات، اندازه‌ گیری کمیت ها و تبدیل مقادیر آنالوگ به دیجیتال را نام برد که در بیشتر دستگاه ‌ها و تجهیزات الکترونیکی امروزه استفاده می ‌شود.

فرکانس متر دیجیتال یک ابزار کلی برای نمایش فرکانس یک سیگنال الکتریکی دوره ای با دقت سه رقم اعشار است. این وسیله رویداد های شمارش شده در نوسانات را در طول یک بازه زمانی معین شمارش می نماید.
 از دستگاه فرکانس سنج می توان در فرکانس های مختلف استفاده کرد؛ فرکانس سیگنال های تناوبی به واسطه ی فرکانس متر شمرده می شوند.مکان استفاده از فرکانس متر و محدوده ی فرکانس از اهمیت بالایی در پیاده سازی برخوردار هستند.هر فرکانس متر شامل دو سیم پیچ جهت تغییر فرکانس است. همچنین شامل عقربه ای برای نمایش فرکانس می باشد.
 
دستگاه اندازه گیری فرکانس به عنوان یکی از مهمترین وسایل و تجهیزات در سیستم های الکترونیکی و مخابراتی استفاده می شود. همچنین توسط فرکانس سنج می توانیم وسایل دیگر را کالیبره کنیم. به عنوان مثال اگر یک مولد سیگنال، صفحه نمایش دیجیتال نداشته باشد، با استفاده از فرکانس متر، فرکانس مدار نمایش داده می شود.
 
با استفاده از دستگاه فرکانس متر دو نیرو که در حالت تضاد با هم قرار دارند به تعادل می رسند. اگر از حالت تعادل خارج شوند، فرکانس نیز تغییر می کند. این تغییر فرکانسی در فرکانس مترهای آنالوگ با منحرف شدن عقربه نشان داده خواهد شد.در مدارات الکتریکی فرکانس سنج ها باید به صورت موازی در مدار قرار بگیرند.

مدار فرکانس متر:

نمونه ای از یک مدار الکتریکی ساده رزونانس یک سیم پیچ در حال حرکت است. در یک نسخه، این دستگاه شامل دو سیم پیچ تنظیم شده به فرکانس های مختلف و متصل در زاویه سمت راست یک دیگر .در چنین راهی است که کل عنصر، با اشاره گر متصل می باشد و می تواند حرکت نماید.
 
همچنین  فرکانس ها در وسط محدوده باعث جریان در دو سیم پیچ می شوند، تقریبا برابر از نقطه میانی مقیاس می گردد و آن را به اشاره گر نشان می دهد . تغییرات در فرکانس باعث عدم تعادل در جریان در دو سیم پیچ می شود، و اشاره گر به حرکتی که اتفاق افتاده ، پاسخ می دهد.

 
انواع فرکانس متر

فرکانس مترهای متنوعی وجود دارند که بعضی از آنها جهت اندازه گیری فرکانس های پایین تا فرکانس های بالا همچون ۹۰۰ هرتز کاربرد دارند. فرکانس مترها به دو صورت دیجیتال و آنالوگ وجود دارند. در گذشته از فرکانس متر های آنالوگ استفاده می‌شد اما با گذشت زمان به دلیل دقت کم، فرکانس سنج های دیجیتال جایگزین آنها شدند.از جمله پر فروش ترین انواع فرکانس مترها می توان به فرکانس متر ارتعاشی و فرکانس سنج دیسک چرخان اشاره کرد.

این دستگاه با متوازن قرار دادن دو نیروی متضاد فعالیت می نماید و تغییر در فرکانس ، به علت تغییر در این تعادل ، می تواند توسط انحراف یک عقربه در مقیاس اندازه گیری نمایش داده شود.این دستگاه دو سیم پیچ دارد که برای فرکانس های متفاوت تنظیم شده است و عقربه ای که توانایی حرکت دارد .

 
فرکانس متر آنالوگ

یکی از انواع قدیمی فرکانس سنج ها است که از دقت چندانی برخوردار نیستند. صفحه نمایش فرکانس متر آنالوگ دارای یک عقربه است که مقادیر فرکانس را نشان می دهد.این نوع بسیار دقیق عمل نمی کند به همین دلیل احتمال خطای اندازه گیری در آن بالا می رود. وقتی که ملزم به استفاده از منحنی تغییرات باشیم، فرکانس متر آنالوگ کار برد دارد.
 
برای تعیین فرکانس در مدارهای الکترونیکی و همچنین تابلو برق ساختمان، فرکانس متر آنالوگ در قالب پلی کربنات کاربرد دارد. این فرکانس سنج ها در دو نوع ۹۰و ۲۴۰ درجه وجود دارند. این دستگاه علاوه بر راحتی در استفاده در تابلوهای برق، مقیاس خطی دارد و به سادگی می توان شیشه و قاب دور آن را عوض کرد. همچنین شامل یک قالب پلی کربنات و یک محافظ شیشه ای می باشد.

فرکانس متر دیجیتالی

پس از مدل قدیمی تر فرکانس متر، نوعی جدید با نام فرکانس متر دیجیتال ظهور کرد. این نوع فرکانس مترها در انواع متفاوت با فرکانس متغیر یا ثابت وجود دارند. همچنین وجود صفحه نمایش تفاوت بارز آن با فرکانس مترهای نوع قبلی است.
 
 کار این دستگاه دریافت ولتاژ سینوسی خاص فرکانس و تبدیل آن به زنجیره ای از پالس های یک طرفه است. عدد روی صفحه نمایش، فرکانس سیگنال ورودی است. بازه زمانی نمایش فرکانس به صورت ۰.۱، ۱.۰ و ۱۰ ثانیه می باشد. دقت آن تا سه رقم اعشار است.
 
اگر یک فرکانس متر دیجیتال خارج از محدوده ی مشخص فرکانسی باشد، ممکن است عملی دور از ذهن داشته باشد. منحرف شدن نشانگر روی صفحه ی دستگاه، نشان از تغییر فرکانس دارد.از فرکانس مترهای دیجیتال به دلیل دقت بالا در سنجش فرکانس، برای آزمایش کردن تجهیزات رادیویی، اندازه گیری های متغیر های فیزیکی همچون دما و فشار، سنجش میزان لرزش و در مبدل های اندازه گیری استفاده می شود. فرکانس مترهای دیجیتال میکرو پروسسوری تا ۲۶۰ ولت ورودی از برق صنعتی می گیرند و می توانند فرکانس برق شهری را از ۳۰ تا ۹۰۰ هرز و با ۰.۲درصد دقت محاسبه کنند.

 
کاربرد هایی از فرکانس متر دیجیتال :

•    برای آزمایش تجهیزات رادیویی
•    اندازه گیری دما، فشار و دیگر مقادیر فیزیکی.
•    اندازه گیری لرزش، فشار
•    مبدل های اندازه گیری

مدارهای فرکانس متر دیجیتالی

با کنار هم قرار گرفتن IC های دیجیتال در مدار، فرکانس متر به وجود می آید. با توجه به برنامه، مقداری به مدار داده شده و بر همین اساس شمارش پالس ها می تواند بالا رونده یا پایین رونده باشد.بعد از قسمت ورودی، آمپی فایر آنالوگ در مدار قرار می گیرد که باعث تقویت ولتاژ می شود. خروجی نیز مستقیم به کانتر یا شمارنده اتصال پیدا می کند.با توجه به ساختار فرکانس سنج دیجیتالی، در شبکه های AC جهت نشان دادن فرکانس مورد استفاده قرار می گیرد.

فرکانس متر ارتعاشی

فرکانس سنج های ارتعاشی انواع ساده ی فرکانس مترها هستند‌. اکثراً فرکانس منبع را با استفاده از آن نمایش می دهند. از جمله فرکانس مترهای آنالوگ است که آن را با نام فیدر ارتعاشی الکترومغناطیسی نیز می شناسند. معمولاً این نوع فرکانس متر در مانیتور کردن فرکانس AC و اندازه گیری مدارها کاربرد دارد. همچنین یک فرکانس متر مقرون به صرفه است زیرا فاقد بخش های مکانیکی همچون یاتاقان، چرخ دنده و غیره است که به مرور زمان فرسایش می یابند.
 
از این نوع اغلب در تابلوهای اندازه گیری فرکانس، با رنج کم تا متوسط مورد استفاده قرار می گیرند. مثلاً از آن در اندازه گیری ژنراتور و منبع تأمین قدرت از ۵۰ تا ۶۰ هرتز استفاده می شود.همچنین در صنعت پردازش برای ایجاد جریان وزنی دانه و ذرات مواد مورد استفاده قرار می گیرد.

 
فرکانس متر دیسک چرخان

در این دستگاه از دو سیم پیچ به منظور چرخش صفحه ی دیسک استفاده می شود. یک سیم پیچ صفحه ی دیسک را در راستای عقربه ی ساعت و دیگری در خلاف جهت عقربه می چرخاند.با استفاده از فرکانس سنج دیسک چرخان فرکانس و بسامد منبع تغذیه و سیگنال های تجهیزات مهم را بررسی می کنند.سیم پیچ اول را به صورت موازی با مقاومتی بزرگ در مدار می بندیم. در مرحله ی بعد سیم پیچ دوم به طور متوالی با یک اندوکتانس خواهیم بست. در نهایت هر دو مدار به صورت موازی در مدار اصلی قرار می گیرند.

 
عملکرد فرکانس متر دیجیتال

فرکانس متر دیجیتال از یک یک دستگاه کوچک تشکیل شده که ولتاژ سینوسی فرکانس را به یک زنجیره از پالس های یک طرفه تبدیل می نماید. فرکانس سیگنال ورودی، همان مقدار نمایش داده شده هست به این صورت که ، به طور میانگین در یک بازه زمانی مناسب از 0.1، 1.0 یا 10 ثانیه است. این سه فاصله زمانی به طور متوالی تکرار می گردند. همانطور که واحدهای شمارش حلقه بازنشانی می شوند، این پالس ها از طریق دروازه زمان پایه عبور می نمایند و سپس وارد دروازه اصلی می شوند که دروازه زمانی برای یک دوره مشخص از بازه زمانی باز می شود.

در فرکانس متر دیجیتال ازمدارات دیجیتال بهینه سازی شده استفاده می شود. شمارنده (Counter) ی فرکانس تعداد تناوب سیگنال ورودی را در هر ثانیه بر اساس لبه های بالا رونده و پایین رونده سیگنال، مطابق با تنظیمات شمارنده محاسبه می کند در مدارات الکترونیکی IC هایی به عنوان کانتر وجود دارد. این IC ها پالس های ورودی را می شمارند. خروجی آن ها به صورت کد باینری یا BCD می باشد که غالبا توسط دیکدر های مختلف بر روی سون سگمنت یا صفحات LCD  نمایش داده می شوند.

 
چگونه فرکانس متر بسازیم؟

برای ساخت یک فرکانس متر به کمی دانش، میکروکنترلر AVR و یک صفحه نمایش LCD نیاز داریم. با استفاده از برنامه ی کد ویژن به راحتی می توان برنامه ی آن را نوشته و اجرا کنید.از این نوع فرکانس متر می توانید به جهت یادگیری بیشتر درباره ی عملکرد فرکانس و نحوه ی کار فرکانس متر استفاده کنید.جهت استفاده از آن به عنوان فرکانس متر واقعی باید علاوه بر ایزوله ی مدار، ابزاری را به عنوان ورودی به سیگنال بیفزایید. همچنین مدارتان نیز باید از دقت بالایی برخوردار باشد.

فرکانس متر دیجیتال چگونه کار می کند؟

فرکانس متر دیجیتال از مدارهای دیجیتالی بهینه شده استفاده می کند. فرکانس شمار فرکانس سیگنال ورودی را با توجه به افزایش و کاهش لبه های سیگنال با توجه به تنظیمات شمارنده محاسبه می کند. IC ها به عنوان شمارنده در مدارهای الکترونیکی وجود دارد. این IC ها پالس های ورودی را شمارش می کنند. خروجی آنها معمولاً به صورت کد باینری یا BCD است که توسط رمز گشا های مختلف روی صفحه های سون سگمنت یا LCD نمایش داده می شود.

شمارنده فرکانس دیجیتال چگونه کار می کند؟

از آنجا که مترها فقط پالس های دیجیتالی را تشخیص می دهند ، به یک مبدل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به پالس های دیجیتال نیاز دارند. به همین دلیل ، یک مدار ویژه در دستگاههای فرکانس متر دیجیتال مورد نیاز است تا موج ورودی فرکانس و دامنه مشابه محدود به سطوح TTL ایجاد شود. یک بخش نمونه برداری از سیگنال (اصلاح فاز و دامنه) شامل بخش هایی برای تقویت یا تضعیف سطح TTL و تبدیل آن مورد نیاز است. در کنار دو مرحله فوق ، برخی از طرح ها همچنین از قسمت حفاظت و فیلتر کردن در برابر نفوذ استفاده می کنند.

شمارنده همیشه فواصل را می شمارد و مقدار را نشان می دهد. این بدان معناست که باید یک شمارنده برای شمارش ورودی در زمان ثابت وجود داشته باشد. صفحه نمایش مقادیر تجزیه و تحلیل شده را خوانده و شمارنده دوباره پاک می شود تا ورودی دوباره خوانده شود. با این عملیات ، دستگاه همیشه فرکانس صحیح را با خواندن مداوم مقادیر و به حداقل رساندن خطا نمایش می دهد.

طراحی و ساخت فرکانس متر دیجیتال

انواع دیگری از فرکانس سنج ها وجود دارد که با میکرو کنترلر های صنعتی ساخته می شوند. میکروکنترلر PIC16C54 دارای 13 پین ورودی/خروجی است که 12 عدد از آنها برای کارهای معمولی استفاده می شود. از این پین ها برای تنظیم قسمت 4 تا 7 استفاده می شود که فرکانس اندازه گیری شده را نشان می دهد.

بقیه پین ها برای اتصال به ثبت داخلی PIC به نام RTCC استفاده می شوند. پین RTCC می تواند این رجیستر یا دستورالعمل های داخلی و پالس های خروجی را شمارش کند. در اینجا از قدرت آن به عنوان شمارنده پالس استفاده می شود.

از یک تشدید کننده سرامیکی یا کریستالی باید استفاده شود. فرکانس متر باید تافرکانس8 MH سیگنال ورودی را باید اندازه بگیرد. بنابراین به  پردازشگر خیلی سریع نیاز است. تشدید گر خود تراشه تافرکانس4 MHzرااندازه می گیرد ولی انواع کریستالی تا 20MHz را اندازه می گیرند. بنابراین برای میکروکریستال20MHz انتخاب می شود. هرکدام از دستورالعمل های PIC 4 تا clockcycle زمان برای اجرای دستورالعمل ها  نیاز دارد. بنابراین PIC 20MHz درهرثانیه5 میلیون دستورالعمل را اجرا می کند.

 
نتیجه گیری

 
در گذر زمان فرکانس مترها دچار تغییر و تحول گشته اند و هر روزه فرکانس مترهای جدید و با دقت بالاتر به عرصه ی تولید وارد می شوند.با وجود دقت بالای فرکانس سنج های دیجیتال، اما همچنان از نوع آنالوگ آن نیز در آزمایشگاه ها و مکان های دیگر استفاده می شود.