주파수 측정 가이드 - 주파수 측정 방법

Updated 2024. 5. 16.

내용

주파수 개요
주파수 측정 방법
권장 하드웨어 및 소프트웨어
주파수 웹캐스트 길라잡이 및 기타 방법 리소스

주파수 개요

주파수는 주기적 이벤트의 재발률입니다. 물리학에서는 회전, 진동 및 파동에서 주기성을 관찰할 수 있습니다. 아날로그 또는 디지털 웨이브폼의 경우 신호 주기를 반전하면 주파수를 얻을 수 있습니다. 주기가 작을수록 주파수는 높아지고 반대는 그 반대로 됩니다. 그림 1은 이를 나타내며, 상단 웨이브폼은 가장 낮은 주파수, 하단 파형은 가장 높은 주파수를 보여줍니다.

^{그림 1: AC 전자 로드}

주파수는 일반적으로 라디안/초 단위의 각주파수 ω 또는 헤르츠(Hz) 단위라고도 하는 1/초 단위의 ƒ로 표시됩니다. 분당 비트 수(BPM) 및 분당 회전 수(RPM)로도 주파수를 나타낼 수 있습니다. 각 주파수 ω(rad/sec) 및 ƒ(Hz)는 ω=2πƒ 공식으로 연결됩니다. 주파수는 초기 시간 t0에 지정된 기준점에서 파동의 오프셋을 설명하는 위상 φ와 관련하여 언급되며 이는 일반적으로 도 또는 라디안으로 표시됩니다. 사인파의 예를 들면 웨이브폼 함수는 과 같이 시간으로 표현되며 진폭 A, 각 주파수 ω 및 위상 φ를 상수로 사용합니다.

실제 어플리케이션의 주기적 아날로그 신호는 복잡하고, 단순한 사인 곡선으로는 거의 표현할 수 없습니다. 푸리에 분석이 복잡한 파형을 사인과 코사인 또는 복잡한 지수 함수 같은 더 간단한 함수의 합으로 분해하는 데 사용됩니다. 이러한 신호를 구성하는 주파수 성분은 종종 우리가 관심을 갖는 속성이며 이 분석을 주파수 영역 또는 스펙트럼 분석이라고 합니다. 이러한 유형의 분석은 주로 소리와 진동에 대해 필요하며 이 백서에서는 다루지 않습니다.

반면에 디지털 신호의 주파수를 얻는 것은 매우 간단합니다. 그림 2에 표시된 것과 같은 간단한 디지털 신호의 경우, 주기는 단순히 상승 경계 또는 하강 경계 사이의 시간입니다.

^{그림 2.}^{디지털 웨이브폼}

상승 경계 또는 하강 경계 사이의 시간이 약간 다를 경우 많은 샘플에 대해 평균을 내어 주파수를 결정할 수 있습니다.

주파수 측정 방법

디지털 주파수의 경우 절차는 매우 간단합니다. 저주파 신호의 경우 하나의 카운터 또는 타임베이스를 사용하는 것으로 충분합니다. 입력 신호의 상승 경계가 측정할 타임베이스 틱 수를 트리거합니다. 타임베이스는 알려진 주파수이기 때문에 입력 신호의 주파수를 쉽게 계산할 수 있습니다(그림 3 참조).

^{그림 3.}^{내부 타임베이스에 대한 디지털 신호(저주파수용 카운터 1개)}

디지털 신호의 주파수가 매우 높거나 변하는 경우 아래에 설명된 이중 카운터 방법 중 하나를 사용하는 것이 좋습니다. 동일한 하드웨어 제한이 두 이중 카운터 방법 모두에 적용됩니다. 이 제한은 측정 중인 주파수는 내부 타임베이스의 주파수를 초과하더라도 카운터가 지원하는 최대 입력 주파수를 초과할 수 없다는 것입니다.

고주파수 이중 카운터 측정 방법

고주파 신호의 경우 두 개의 카운터가 필요합니다. 한 쌍의 카운터(2개의 카운터)가 측정 중인 신호보다 훨씬 크지만 카운터 롤오버를 방지할 만큼 충분히 작은 사용자 지정 주기인 "측정 시간"(그림 4 참조)으로 펄스 트레인을 생성합니다.

^{그림 4.}^{2개의 카운터로 측정된 디지털 신호 주파수(고주파)}

이 내부 신호의 측정 시간은 내부 타임베이스의 배수, 즉 나누어져야 합니다. 그런 다음 입력 신호의 틱 수가 내부 신호에서 제공하는 알려진 기간 동안 측정됩니다. 이 틱 수를 알려진 측정 시간으로 나누면 입력 신호의 주파수를 알 수 있습니다.

2 카운터의 넓은 범위 측정 방법

주파수 변화가 있는 신호의 경우 이 이중 카운터 방법으로 전체 범위에서 향상된 정확도를 제공할 수 있습니다. 이 경우 입력 신호를 알려진 값 또는 제수로 나눕니다. 내부 타임베이스의 틱 수는 나눠진 신호의 하나의 로직 하이 신호에서 측정됩니다(그림 5 참조). 이것은 계산된 틱 수와 내부 타임베이스 주기의 곱인 로직 하이의 시간을 제공합니다. 그 다음, 여기에 2를 곱하면 입력 신호 주기의 배수인 나눠진 신호(하이 및 로우 시간)에 대한 주기를 얻을 수 있습니다. 그 다음 입력 신호 주기의 역수를 취하면 주파수를 얻을 수 있습니다.

^{그림 5.}^{2개의 카운터로 측정된 디지털 신호 주파수(큰 범위)}

이 방법은 신호의 변화를 처리하기 위해 더 긴 범위에서 값을 평균화하는 것과 비슷하지만 이 방법을 사용하면 타임베이스보다 높은 주파수의 신호를 측정할 수도 있습니다.

디지털 신호를 계측기에 연결하여 주파수 계산하기

하드웨어 타이밍이 있는 많은 디바이스가 카운터 측정에 적합할 수 있습니다. NI CompactDAQ 시스템을 예로 들어 봅시다(그림 6 참조). NI CompactDAQ의 하드웨어 타임베이스는 섀시의 백플레인에 있으며 NI C 시리즈 모듈 자체에 국한되지 않습니다.

^{그림 6.}^{NI cDAQ-9178 섀시 및 NI 9401 Digital I/O Module}

NI 9401에는 8개의 디지털 채널에 연결할 수 있는 D-Sub 커넥터가 있습니다. 각 채널은 디지털 입력 또는 출력 디바이스에 연결할 수 있는 디지털 I/O 핀 하나를 가지고 있습니다. CompactDAQ 섀시의 카운터 4개는 섀시의 모든 슬롯에서 사용할 수 있습니다. MAX(Measurement & Automation Explorer)에서 카운터 작업으로 주파수 수집을 설정하면 신호를 연결해야 하는 PFI 입력 터미널이 표시됩니다(그림 7 참조).