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1、 1 第五章数字化电测仪表 5 1概述5 2频率 周期的数字化测量5 3相位的数字化测量5 4电压的数字化测量5 5电阻 电容的数字化测量5 6电功率的数字化测量5 7作业 back 2 第五章数字化电测仪表 数字量是信号幅度随时间做离散型变化的物理量 将被测对象离散化和数据处理后以数字形式显示的仪表称为数字 显示 仪表 通过测量装置 电路 把电测结果以数字形式显示 记录和控制的仪表称为数字式电测仪表 基于计算机技术 运用单片机技术 将被测对象离散化和数据处理后以数字形式显示 打印 存储和通信的仪表称为智能 数字 显示 仪表 电子测量仪器正向量程扩大化 集成化 模块化 智能化 虚拟化 网络化
2、跨专业多功能化 数字化趋势发展 而这些发展趋势的核心是数字化 无论高档还是低档仪器 数字化越来越普及 数字化技术已运用于各个领域 5 1概述 3 第五章数字化电测仪表 5 1 1结构 模拟量 数字量 数字式仪表结构框图 4 第五章数字化电测仪表 准确度高 数字电压表测量直流电压的准确度可达10 6数量级 输入阻抗高 数字电压表基本量程的输入阻抗高达1000M 以上 灵敏度高 现代的积分式数字电压表的分辨率可达到1 V以下 直接读数 结果以数字形式直接给出 测量速度快 数字电压表的测量速度高达每秒上万次 测量过程自动化 操作简单 5 1 2特点 5 例如 某数字万用表的最大显示是1999 某数字
3、万用表为位 首位数1 1999进位后能达到的整数位值 能显示完全10进制 0 9 的位数 第五章数字化电测仪表 5 1 2特点 6 第五章数字化电测仪表 5 1 3分类 back 按显示位数分3 4 5 6 7位等按准确度分低 0 1 以下 中 0 01 以下 高 0 01 以上 按测量速度分低速 中速 高速按使用场合分标准型 通用型 面板型按测量参数分直流电压表 交流电压表 功率表 频率表 相位表 万用表等 7 5 2 1 1时间 频率的基本概念1 时间和频率的定义2 时间和频率的标准3 时频测量的特点4 测量方法概述5 2 1 2电子计数器概述1 电子计数器的分类2 主要技术指标3 电子计
4、数器的发展 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 8 1 时间和频率的定义 时间有两个含义 时刻 即某个事件何时发生 时间间隔 即某个时间相对于某一时刻持续了多久 频率的定义 周期信号在单位时间 1s 内的变化次数 周期数 如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次 则频率可表达为 f N T 时间与频率的关系 可以互相转换 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 9 2 时间和频率的标准 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 时间与频率的原始标准a 天文时标b 原子时标石英晶体振荡器a 组成b 指标频率稳定度的表征a 频
5、率稳定度b 长期频率稳定度的表征c 短期频率稳定度的表征 10 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 天文时标 原始标准应具有恒定不变性 频率和时间互为倒数 其标准具有一致性 宏观标准和微观标准宏观标准 基于天文观测 微观标准 基于量子电子学 更稳定更准确 世界时 UT UniversalTime 以地球自转周期 1天 确定的时间 即1 24 60 60 1 86400为1秒 其误差约为10 7量级 11 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 天文时标 为世界时确定时间观测的参考点 得到平太阳时 由于地球自转周期存在不均匀性 以假想的平太阳作为基
6、本参考点 零类世界时 UT0 以平太阳的子夜0时为参考 第一类世界时 UT1 对地球自转的极移效应 自转轴微小位移 作修正得到 第二类世界时 UT2 对地球自转的季节性变化 影响自转速率 作修正得到 准确度为3 10 8 历书时 ET 以地球绕太阳公转为标准 即公转周期 1年 的31556925 9747分之一为1秒 参考点为1900年1月1日0时 国际天文学会定义 准确度达1 10 9 于1960年第11届国际计量大会接受为 秒 的标准 12 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 原子时标原子 分子 在能级跃迁中将吸收 低能级到高能级 或辐射 高能级到低能级 电磁波
7、其频率是恒定的 hfn m En Em式中 h 6 6252 10 27为普朗克常数 En Em为受激态的两个能级 fn m为吸收或辐射的电磁波频率 1967年10月 第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义 秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9 192 631 770个周期的时间 1972年起实行 为全世界所接受 秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准 准确度提高了4 5个量级 达5 10 14 相当于62万年 1秒 并仍在提高 13 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 原子时标原子钟原子时标的实物仪器 可用于时间 频率标准的发
8、布和比对 铯原子钟准确度 10 13 10 14 大铯钟 专用实验室高稳定度频率基准 小铯钟 频率工作基准 铷原子钟准确度 10 11 体积小 重量轻 便于携带 可作为工作基准 氢原子钟短期稳定度高 10 14 10 15 但准确度较低 10 12 14 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 石英晶体振荡器普通电子系统内部时间 频率基准采用石英晶体振荡器 简称 晶振 为基准信号源 基于压电效应产生稳定的频率输出 但是晶振频率易受温度影响 其频率 温度特性曲线有拐点 在拐点处最平坦 普通晶体频率准确度为10 5 采用温度补偿或恒温措施 恒定在拐点处的温度 可得到高稳定 高
9、准确的频率输出 15 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 石英晶体振荡器 晶体振荡器的主要指标有 输出频率 1MHz 2 5MHz 5MHz 10MHz 日波动 2 10 10 日老化 1 10 10 秒稳 5 10 12 输出波形 正弦波 输出幅度 0 5Vrms 负载50 几种不同类型的晶体振荡器指标 16 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 频率稳定度的表征 频率准确度频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差 即 长期 短期稳定度对频率稳定度的描述引入时间概念 即在一定时间间隔内的频率稳定度 则有长期稳定度与短期稳定度 长
10、期 年 月 日 短期 秒级 17 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 长期频率稳定度长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化 即频率的老化漂移 多数高稳定的石英振荡器 经过足够时间的预热后 其频率的老化漂移往往呈现良好的线性 增加或减少 如下图 图中表示了实际频率随时间的变化 由图可得频率稳定度K K表示了在t1 t2时间内的相对频率漂移 即频率准确度的变化 18 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 短期频率稳定度 时域定义 在时域内用相对频率起伏来表征频率的不稳定性 对瞬时频率f t 作有限次 n次 测量 得到f1
11、 f2 fn 用贝塞尔公式计算其估计值 频域定义 在频域内用相位噪声来表征频率的不稳定度 19 3 时频测量的特点 最常见和最重要的测量时间是7个基本国际单位之一 时间 频率是极为重要的物理量 在通信 航空航天 武器装备 科学试验 医疗 工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量 测量准确度高时间频率基准具有最高准确度 可达10 14 校准 比对 方便 因而数字化时频测量可达到很高的准确度 因此 许多物理量的测量都转换为时频测量 自动化程度高 测量速度快 back 5 2频率 周期的数字化测量 第五章数字化电测仪表 20 4 测量方法概述 频率的测量方法可以分为 back 5 2频率 周期的数字
12、化测量 第五章数字化电测仪表 21 5 2 2 1数字测量原理 第五章数字化电测仪表 1 门控计数法测量原理 时间 频率量的特点频率是在时间轴上无限延伸的 因此 对频率量的测量需确定一个取样时间T 在该时间内对被测信号的周期累加计数 若计数值为N 根据fx N T得到频率值 为实现时间 这里指时间间隔 的数字化测量 需将被测时间按尽可能小的时间单位 称为时标 进行量化 通过累计被测时间内所包含的时间单位数 计数 得到 测量原理将需累加计数的信号 频率测量时为被测信号 时间测量时为时标信号 由一个 闸门 主门 控制 并由一个 门控 信号控制闸门的开启 计数允许 与关闭 计数停止 22 5 2 2
13、 1数字测量原理 闸门可由一个与 或 或 逻辑门电路实现 这种测量方法称为门控计数法 其原理如下图所示 上图为由 与 逻辑门作为闸门 其门控信号为 1 时闸门开启 允许计数 为 0 时闸门关闭 停止计数 测频率时 闸门开启时间 闸门时间 即为采样时间 测时间 间隔 时 闸门开启时间即为被测时间 第五章数字化电测仪表 23 频率 周期的数字化测量可以由电子计数器来实现 测量频率或计数时 用时间基准信号控制主闸门 测量周期时 用被测信号控制主闸门 对时基信号计数 在电子计数器的各个部件中 改变被测信号和时基信号的流向 就可以实现不同的功能 第五章数字化电测仪表 5 2 2 1数字测量原理 24 电
14、子计数器 基本组成 1 输入通道2 主门电路3 计数与显示电路4 时间基准电路5 控制电路 第五章数字化电测仪表 5 2频率 周期的数字化测量 25 第五章数字化电测仪表 5 2电子计数器原理 26 第五章数字化电测仪表 5 2电子计数器原理 1 A B输入通道 作用 它们主要由放大 衰减 滤波 整形 触发 包括出发电平调节 等单元电路构成 其作用是对输入信号处理以产生符合计数要求 波形 幅度 的脉冲信号 通过预定标器 外插件 还可扩展频率测量范围 斯密特触发电路 利用斯密特触发器的回差特性 对输入信号具有较好的抗干扰作用 27 第五章数字化电测仪表 5 2电子计数器原理 2 主门电路 功能
15、主门也称为闸门 通过 门控信号 控制进入计数器的脉冲 使计数器只对预定的 闸门时间 之内的脉冲计数 电路 由 与门 或 或门 构成 其原理如下图 由 与门 构成的主门 其 门控信号 为 1 时 允许计数脉冲通过 由 或门 构成的主门 其 门控信号 为 0 时 允许计数脉冲通过 门控信号 还可手动操作得到 如实现手动累加计数 28 第五章数字化电测仪表 5 2电子计数器原理 3 计数与显示电路 功能 计数电路对通过主门的脉冲进行计数 计数值代表了被测频率或时间 并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来 为了便于观察和读数 通常使用十进制计数电路 计数电路的重要指标 最高计数频率 计数电路一般由多
16、级双稳态电路构成 受内部状态翻转的时间限制 使计数电路存在最高计数频率的限制 而且对多位计数器 最高计数频率主要由个位计数器决定 不同电路具有不同的工作速度 如74LS 74HC 系列为30 40MHz 74S系列为100MHz CMOS电路约5MHz ECL电路可达600MHz 29 第五章数字化电测仪表 5 2电子计数器原理 4 时基产生电路 功能 产生测频时的 门控信号 多档闸门时间可选 及时间测量时的 时标 信号 多档可选 实现 由内部晶体振荡器 也可外接 通过倍频或分频得到 再通过门控双稳态触发器得到 门控信号 如 若fc 1MHz 经106分频后 可得到fs 1Hz 周期Ts 1s 的时基信号 经过门控双稳态电路得到宽度为Ts 1s的门控信号 30 第五章数字化电测仪表 5 2电子计数器原理 5 控制电路 功能 产生各种控制信号 控制 协调各电路单元的工作 使整机按 复零 测量 显示 的工作程序完成自动测量的任务 如下图所示 31 1 频率的测量 测量频率的误差 back 第五章数字化电测仪表 5 2频率 周期的数字化测量 32 测量频率的误差 back 在测量频率时 主闸
