Was ist Frequenz in der Elektronik?

Das ist mir schon eine Weile in den Sinn gekommen, alles hat eine Frequenz. Wie bei einem DC / DC-Wandler beträgt mein Oszilloskop 100 MHz (ich weiß, dass dies eine Bandbreite ist, aber die Einheit der Frequenz hat). Ich verstehe, dass ein Astable 555 eine Frequenz hat, die die Markierung und Raumzeit ist, basierend auf den Werten der Kappe und der Widerstände. Und dann haben Sie die Verwendung eines Bandpassfilters, der verschiedene Frequenzen filtern kann. Worum geht es also? Wie hat ein Gleichstrom eine Frequenz? Und die Beziehung zwischen Bandbreite und Frequenz, da sie die gleichen Einheiten haben.

Die Frequenz ist die Umkehrung der Zeit für sich wiederholende Ereignisse. Wenn ein einzelner Zyklus Ihres Netzes eine Dauer von 1/50 Sekunde (0,02 Sekunden) hat, gibt es 50 Zyklen in einer Sekunde (1 / 0,02). Wir sagen, die Frequenz beträgt 50 Hz.
Die Einheit für die Frequenz ist Hertz (Hz). 1 Hz entspricht 1 Zyklus pro Sekunde, ein älterer Name dafür (cps). Es ist eine praktische Einheit, auch für sehr kurze Zyklen, die wir verwenden, mit einem Präfix: MHz, GHz. Für längere Zyklen (nahe oder länger als 1 Hz) verwenden wir manchmal die Minute als Einheit: eine Herzfrequenz von 70 Schlägen pro Minute (BPM), eine Metronomeinstellung von 100 BPM.
Noch längere Zyklen werden oft als Zeitraum (1 / Frequenz) ausgedrückt.

Jedes System hat seine typischen (Frequenz-) Frequenzen. Ein Herzschlag liegt bei 1-2 Hz, und die Resonanzfrequenz eines Trampolins liegt ebenfalls in der Größenordnung von 1 Hz. Radiowellen haben einen breiten Frequenzbereich: 30 kHz (für eine entsprechende Wellenlänge von 10 km) sind VLF (sehr niedrige Frequenz), während das Magnetron eines Mikrowellenofens mit 2,45 GHz "sendet". Und während 30 kHz für Radio niedrig sind, geht es bereits weit über das hinaus, was wir akustisch wahrnehmen können.

Eine höhere Frequenz (obere Spur im Bild) eines Signals wird auf einem Oszilloskop als schnellere Wiederholung angezeigt als eine niedrigere Frequenz (untere Spur).

"Gleichstrom" (DC) als konstante Spannung hat eine Frequenz von 0 Hz.

Die Bandbreite gibt einen Frequenzbereich an, der von der unteren zur oberen Grenze reicht. Wenn Ihr Oszilloskop Signale von DC (0 Hz) bis 100 MHz verarbeiten kann, beträgt seine Bandbreite 100 MHz - 0 Hz = 100 MHz.

Frequenz im allgemeinen Sinne ist die Rate, mit der sich etwas wiederholt. Normalerweise gemessen in "Wiederholungen pro Sekunde" oder Hertz (Hz). Meine Uhr tickt mit 1 Hz. Ich gieße meinen Rasen mit einer Rate von 0,00000386 Hz. Und meine Auto-Blinker blinken mit etwa 0,5 Hz. Das ist es! Natürlich werden die Dinge etwas komplexer, wenn man bedenkt, was sich genau wiederholt. Aber "Frequenz" ist wirklich so einfach.

Ein Oszilloskop oder Bandpassfilter wird normalerweise in Hz bewertet und bezieht sich auf die Frequenz eines Signals, das es durchlaufen kann (oder nicht). In diesem Zusammenhang handelt es sich um eine Sinuswelle .

So etwas wie ein 555 oder eine andere Taktsignalschaltung spricht davon, wie oft das Signal schaltet.

Der Begriff "DC" wird oft missbraucht, nehmen Sie ihn also nicht zu ernst. Meistens bezieht es sich auf ein Netzteil, das eine konstante Spannung ausgibt. Es kann sich aber auch auf alles beziehen, was ein Signal ausgibt, das nur eine positive Spannung ist. Oder es könnte sich auf ein Signal beziehen, das eine "meist konstante" Spannung ist. Wenn sich das Signal jedoch wirklich nicht ändert, hat es eine Frequenz von Null.

Bandbreite und Frequenz haben eine Beziehung - ähnlich wie ein Auto und ein Baseball miteinander verbunden sind (beide werden in Meilen pro Stunde gemessen).

Wie in der obigen Antwort angegeben, ist die Häufigkeit das Maß für die Wiederholung eines Ereignisses. Lassen Sie mich beschreiben, was dies in verschiedenen Kontexten bedeutet, da Sie mehr als eine Frage zur Häufigkeit gestellt haben.

Sinus

In diesem Fall ist die Frequenz die Anzahl der positiven (oder negativen) Spitzen im Signal in einer Sekunde. Die Sinuswelle ist ein Beispiel für die Wellen, die mit der Wechselstromversorgung verbunden sind. Eine Wechselstromversorgung mit einer Frequenz von 60 Hz bedeutet also, dass sich die Sinuswelle ihrer Spannung 60 Mal pro Sekunde wiederholt. Ein Gleichstromsignal (es ändert sich nicht mit der Zeit) soll eine Frequenz von 0 Hz haben.

Sinuswellen sind außerhalb des Wechselstrombereichs viel nützlicher und sinnvoller. Tatsächlich können wir Signale in zwei Teile klassifizieren, nämlich periodisch (Signale, die ein Muster über die Zeit wiederholen) und aperiodisch (Signale, die sich nicht zeitlich wiederholen).

Eine Sinuswelle ist das grundlegendste periodische Signal. Das liegt daran, dass nur eine Frequenz zugeordnet ist. Wir können alle periodischen und aperiodischen Signale mit einer Kombination von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen darstellen. Ein periodisches Signal besteht aus einer Grundfrequenz und harmonischen Frequenzen. Zum Beispiel bedeutet eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 100 Hz tatsächlich, dass sie eine Grundfrequenz von 100 Hz hat und die harmonischen Frequenzen (immer ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz) 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz usw. sind. Die mit aperiodischen Signalen verbundenen Frequenzen erfordern etwas mehr involvierte Diskussion, deshalb werde ich es hier nicht aufnehmen.

Filter

Ein (elektronischer) Filter ist ein Gerät, das Frequenzen buchstäblich "filtert". Wenn ein Filter beispielsweise angibt, dass es sich um ein Tiefpassfilter (LPF) mit einer Grenzfrequenz von 1 kHz handelt, bedeutet dies, dass jede an seinem Eingang auftretende Sinuswelle genau dann den Ausgang erreicht, wenn sie eine Frequenz von weniger als 1 kHz hat. Wenn wir also eine Rechteckwelle von 10 Hz durch diesen LPF leiten, sehen wir am Ausgang nur die Harmonischen der Rechteckwelle, die weniger als 1000 Hz (100 Harmonische) betragen.

Wenn wir nicht alle (unendlich für Rechteckwellen) Harmonischen (Sinuswellen) einbeziehen und sie mit der Grundfrequenz-Sinuswelle addieren, erhalten wir keine Rechteckwelle. Die resultierende Welle wäre jedoch eine Annäherung an die Rechteckwelle. Daher ist es praktisch unmöglich, eine genaue Rechteckwelle mit einer beliebigen Frequenz zu erzeugen.

DC / DC-Wandler

Ich denke, dies ist Ihr Hauptthema, wie ein DC-Ding eine Frequenz haben kann. Tatsächlich verwendet ein DC-DC-Wandler eine Rechteckwelle (im Wesentlichen ein Schalter, der wiederholt ein- und ausgeschaltet wird), um eine Gleichspannung (ex. 5 V) in eine andere Gleichspannung (ex. 20 V) umzuwandeln. Die Frequenz des Schalters, mit der diese Funktion ausgeführt wird (DC-DC-Wandlung), wird als Frequenz des DC-DC-Wandlers bezeichnet.

Bandbreite und Frequenz

Kehren wir noch einmal zum Filter zurück. Wir haben gerade gesehen, was ein LPF macht. Es gibt andere Arten von Filtern. Hochpassfilter (HPF), Bandpassfilter (BPF) und vieles mehr. Denken wir über BPF nach. Ein BPF hat die Eigenschaft, dass nur die Frequenzen (Sinuswellen) zugelassen werden, die sich in einem festen Wertebereich befinden. Ein BPF mit Grenzfrequenzen von 100 Hz und 5 kHz lässt nur die Frequenzen in diesem Bereich durch. Wir können also sagen, dass die "Bandbreite" unseres Filters (5000 - 100 = 4900 Hz) beträgt. Selbst ein LPF kann eine Bandbreite haben, die der Grenzfrequenz selbst entspricht.

Bandbreite ist ein Begriff, der in viel mehr Zusammenhängen als in Filtern verwendet wird. Eine allgemeinere und lockerere Erklärung ist, wie schnell ein Gerät arbeiten kann (wenn es sich bei diesem Gerät also um einen Filter handelt, wie hoch ist der obere Grenzwert dieses Filters, vorausgesetzt, der untere Grenzwert ist uns egal).

Häufigkeit in Computern

Ich weiß, dass Sie nicht darum gebeten haben, aber dies ist der richtige Ort, um auch dieses Thema zu behandeln. Was bedeutet es, wenn Sie sagen, ich habe einen 3-GHz-Computer?

Ein Computer hat eine CPU, die alle mathematischen und logischen Operationen unter Verwendung digitaler Schaltungen ausführt. Jede Operation in der CPU ist in eine oder mehrere Anweisungen unterteilt. Diese Anweisungen werden dann in mehreren Stufen verarbeitet. Jede Stufe der Befehlsverarbeitung dauert einige Zeit, und die Stufe, die die maximale Zeit benötigt, entscheidet über die Frequenz der CPU. Wenn also eine CPU-Stufe mit maximaler Zeit = 1 ns (Nanosekunde = 0,000000001 Sekunde) dauert, können wir diese CPU mit 1 GHz (1/1 ns) betreiben. Dies ist eine sehr grundlegende Erklärung für ein sehr komplexes Konzept, daher ist es nicht zu genau und unterscheidet sich zwischen verschiedenen CPUs.

Wir leben in einem Meer von Molekülen und Atomen usw. Wenn eine Sendeantenne eine Frequenzwelle erzeugt, wirkt sie tatsächlich wie ein Schleudertrauma (einfach ausgedrückt, NICHT TECHNISCH) auf dieses Meer von Atomen und Molekülen, wie eine Welle, und wann Wir sprechen über die Frequenz in einem Stromkreis, einem Draht mit elektrischen Eigenschaften. Wir meinen normalerweise einen alternativen Strom, Wechselstrom, wie der Name schon sagt, der zwischen positiv und negativ wechselt, wodurch eine Sinuswelle erzeugt wird und als Frequenz bezeichnet werden kann.

Kein großer Unterschied zur TX-Übertragung, wenn man sie allgemein betrachtet.

Stellen Sie sich vor, ein Sender sendet ein Signal, er sendet einen wehenden Schleudertrauma, egal ob omnidirektional oder fächerförmig, er durchdringt alles außer Eisenmaterialien, die es je nach Material oder Frequenz umleiten oder reflektieren.
Stellen Sie sich noch einmal den Schleudertrauma vor: Wenn Sie Ihre Hände wiederholt und schnell bewegen, erzeugen Sie eine hohe Frequenz, und wenn Sie ihn langsam bewegen, eine niedrige Frequenz.
Schauen Sie sich den Schleudertrauma an, eine schnelle Bewegung hat eine kürzere Reichweite und eine langsame Bewegung eine größere Reichweite.