电参量测量技术ppt课件

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1、第二课：电参量测量技术,2.1 频率、时间和相位的测量 2.2 电压、电流和功率测量 2.3 阻抗测量,在现代测试技术中，对于各种类型的被测量大多数都是直接或通过各种传感器、电路等转换为与被测量相关的电压、电流、时间、频率等电学基本参量后进行检测和处理的，这样即便于对被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高测量的精度。因此，了解和掌握这些基本参量的测量方法是十分重要的。本章分别介绍时间、频率和相位；电压、电流以及阻抗等参量的测量方法。 2.1 频率、时间和相位的测量 时间是国际单位制中七个基本物理量之一，单位是秒(s)。频率以单位时间内周期性振荡的次数来计量，单位是赫兹(Hz)。因此，频率测量

2、和时间测量是紧密相联系的。 频率、时间的应用与人们日常生活息息相关，而在当代高科技中显得尤为重要。例如,邮电通讯，大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制等都与频率、时间密切相关，因此准确测量时间和频率是十分重要的。 相位是描述交流信号的三要素之一。相位差的测量是研究信号、网络特性的不可缺少的重要方面。,2.1.1 频率的测量 在工业生产领域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始的旋转运动、往复运动、各种传感器和测量电路变换后的周期性脉冲等。周期性过程重复出现一次所需要的时间称为周期，用符号T(单位是s)表示；单位时间内周期性过程重复出现的次数称为频率，记为f(单位是Hz)

3、。周期与频率互为倒数关系 （2-1） 目前频率测量技术已能达到很高的精确度，因此在检测技术中，常将一些电量或其他电参量转换成频率进行测量，以提高测量的精度。 频率测量方法可分为计数法和模拟法两类。计数法测量精度高、操作简便，直接显示数字，便于与微机结合实现测量过程自动化，应用最为广泛；模拟法因为简单经济，在有些场合仍然采用。,1. 频率(周期)的数字测量 计数法测量原理 计数法就是在一定的时间间隔T内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期为TA，则计数结果为 （2-2） 计数法原理如图2-1(a)所示，周期为TA的脉冲加到闸门的输入端，宽度为T的门控信号加到闸门的控制端控制闸门的

4、开、闭时间，只有在闸门开通时间T内闸门才输出计数脉冲到十进制计数器进行计数。在闸门打开前计数器先清零，闸门关闭时，计数器的计数值N由T和TA决定。如果T和TA一为已知标准量，另一为待测量，则从计数值N和已知标准量便可求得未知待测量。,图2-1 计数法测量原理,由于T和TA两个量是不相关的，T不一定正好是TA的整数N倍，即T与NTA之间有一定误差，如图2-1(b)所示。图中t1,是闸门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，t2是闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间。处在T区间内计数脉冲个数(即计数器计数结果)为N，则 （2-3） 式中 （2-4） 显然，0t1

5、TA，0t2TA。若t1=t2，则N=0；若t1=TA，t2=0，则N=1；若t1= 0，t2=TA，则N=-1，因此脉冲计数的最大绝对误差(又称量化误差)为 N=1 （2-5） 脉冲计数最大相对误差为 (2-6),通用计数器的基本组成和工作方式 电子计数器一般都具有测量频率(测频)和测量周期(测周)等两种以上的测量功能，故统称通用计数器。通用计数器的基本组成如图2-2所示。 图2-2中整形器是将频率为fA(或fB)的正弦信号整形为周期为TA=1fA (或TB=1fB)的脉冲信号。门控电路是将周期为mTB (fB经m分频)的脉冲变为闸门时间为T=mTB的门控信号，将T=mTB代入(2-2)式可

6、得图2-2中十进制计数器的计数结果为 （2-7） 由上式可见，图2-2中计数结果N与A、B两输入端所加的信号频率的比值fAfB成正比，因此图2-2所示计数器可用于频率比的测量，即工作在频率比测量方式。,图2-2 通用计数器 的基本组成,由上式可见，图2-2中计数结果N与A、B两输入端所加的信号频率的比值fAfB成正比，因此图2-2所示计数器可用于频率比的测量，即工作在频率比测量方式。 若将被测信号fx接到图2-2中A输入端(即fA=fx)，晶振标准频率fc信号接到B输入端(即fB=fc)则称计数器工作在测频方式，此时(2-7)式变为 （2-8） （2-9） 若将被测信号fx接到图2-2中B输入

7、端(即fB=fx)，晶振标准频率fc信号接到A输入端(即fA=fc)，则称计数器工作在测周方式，此时，(2-7)式变为 （2-10） （2-11）,频率(周期)的测量误差与测量范围 由(2-1)式可见，周期与频率互为倒数，只要测出其中一个就可求得另一个，因此，从理论上讲测量频率与测量周期是等效的，但是从实际测量效果来看，图2-2所示通用计数器工作在测频方式和工作在测周方式，无论测量误差还是测量范围都不一样。 测频方式 由(2-9)式可得“测频”的相对误差为 式中fc/fc称为标准频率的准确度。将(2-8)式代入上式可得测频的最大相对误差为 （2-12） 由上式可见，被测频率fx越高，分频系数m

8、越大，测频的相对误差fx/fx越小，即测频的精确度越高。,由上式可见，被测频率fx越高，分频系数m越大，测频的相对误差fx/fx越小，即测频的精确度越高。 若采用K位十进制计数器，则最大允许计数值为 （2-13） 为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求 即 (2-14） 若该计数器的计数脉冲频率最大允许值为fmax则还要求 （2-15） 为满足测量精度 ，要求 ，代入(2-12)式可知，fx应满足 （2-16）,一般晶振的精度很高，故上式简化为 （2-17） 因此可得“测频”范围为 （2-18） 由上式可见，测频方式所能测量的最低频率受测量精度要求值 的限制，所能测量的最高频率

9、受所采用的计数器的容量(Nmax)或速度(fmax)的限制。,测周方式 由(2-11)式可得测周的相对误差为 将(2-10)式代入得测周的最大相对误差为 （2-19） 因Tx=1/fx，TxTx=-fxfx，故由上式可得测周法测频的最大相对误差为 （2-20） 由上式可见，被测频率fx越低，分频系数m越大，测周的相对误差Tx/Tx越小，即测周的精度越高；同样，fx越低，m越大，用测周法测频的相对误差fx/fx越小，测频的精度也越高。,对比(2-12)式和(2-20)式可见，直接测频与测周法测频的相对误差是不一样的。若被测频率fx较高，则直接测频的相对误差较小；若被测频率fx较低，则用测周法测频

10、的相对误差较小。令(2-12)式与(2-20)式相等，可求得测频与测周相对误差都一样的中界频率f0为 （2-21） 因此，从提高测量精度考虑，当被测频率fx高于中界频率即晶振标准频率fc时，应采用直接测频法测量频率，当被测频率fx低于中界频率即晶振标准频率fc时应采用测周法测量频率。 测周法的周期测量范围，同样也受到测量精度要求值和计数器的限制，即应满足 故Tx的测量范围为 （2-22）,若取fc=fmax，并考虑到，则上式简化为 （2-23） 图2-2中分频系数m一般取10的整数次幂且分挡可选，即， m=10n (n=0，1，2，3等可选) （2-24） 代入(2-9)式和(2-11)式得

11、（2-25） （2-26） 由上式可见，改变n只是改变fx和Tx的指示数字的小数点位置。例如N=100，fc=1MHz(Tc=ls)，若取n=2，则fx=1MHz，Tx=1s。若取n=3，则fx=0.1MHz，Tx=0.1s。,2. 频率的模拟测量 简要介绍几种频率的模拟测量方法： 直读法测频 电桥法测频 电桥法测频是利用交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有关这一特性来测频的，在电桥面板上将调节电桥平衡的可变电阻(或电容)的调节旋钮(度盘)按频率刻度，则在电桥指示平衡时，测试者便可从刻度上直接读得被测信号频率fx。 这种电桥测频的精确度约为(0.51)。在高频时，由于寄生参数影响严重，会使测量精

12、确度大大下降，所以这种电桥测频法仅适用于10kHz以下的音频范围。 谐振法测频 谐振法利用电感、电容串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实现测频。当被测频率加到变压器式的谐振电路中时，调节电容使谐振电路达到谐振。如果电容的调节度盘按谐振频率刻度，则可直接从该刻度读出被测频率值。谐振法测量频率的误差大约在(0.251)范围内，常作为频率粗测或某些仪器的附属测频部件。,频率-电压(f-V)转换法测频 这种测频方法的原理是利用相关电路把正弦频率fx转换为周期相等、宽度、幅度均为定值的矩形脉冲列，用低通滤波器滤除其全部交流分量，则平均值即直流分量为 （2-27） 输出的直流电压用依照(2-27)式按

13、频率刻度的电压表指示，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被测频率fx。f-V转换式频率计最高测量频率可达几兆赫。可以连续监视频率的变化是这种测量法的突出优点。,比较法测频 比较法测频就是用标准频率fc与被测频率fx进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时指零仪表(零示器)便指零，此时的标准频率值即被测频率值。比较法测频可分为拍频法测频与差频法测频两种。前者是将待测频率信号与标准频率信号在线性元件上叠加产生拍频。后者是将待测频率信号与标准频率信号在非线性元件上进行混频。目前拍频法测量频率的绝对误差约为零点几赫兹，差频法测量频率的误差可优于10-5量级，最低可测信号电平达0.1V1V。拍频法和

14、差频法在常规场合很少采用。 示波器测量频率 用示波器测量频率有两种方法：一种是将被测信号加到示波器的Y通道，在荧光屏上测量被测信号的周期。另一种是将被测信号和标准频率信号分别加到示波器的X，通道和Y通道，观测荧光屏上显示的李沙育图形。,2.1.2 时间间隔的数字测量,图2-3 时间间隔测量原理,时间间隔和周期的测量都是测量信号或信号间的时间长度。所以，它们的测量方案基本相同，如图2-3所示，所不同的仅是此处的门控电路不再采用计数触发方式，而只是要求根据测量时间间隔，给出起始计数和终止计数两个触发信号。因此，设置了B、C两个通道，可以将起始信号UB接入B通道，使门控双稳电路置1，因而主闸门开启，

15、基准时标通过主闸门进入计数器计数；当终止信号Uc接通C通道，使门控双稳电路复零时，主闸门关闭，计数结束。从而得到了两个被测信号的时间间隔。 若时间间隔即门控信号的宽度(闸门时间)为tx，选用时标周期为Tc(图中Tc=1s，10s，10s分挡可选)，则计数结果为 （2-28） 将上式与(2-10)式对比可见，时间间隔的测量相当于分频系数m=1的周期Tx的测量情况。测时间间隔不能像测周期那样把被测信号分频即周期扩大m倍来减小量化误差。测量时间间隔的误差分析与测量周期的误差分析相似，一般来说，测量时间间隔的误差比测周期时大。,2.1.3 相位差的数字测量 测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；与标准移相器比较(零示法)；把相位差转换为电压来测量；把相位差转换为时间间隔来测量等。 1. 相位-电压转换法 相位-电压转换式数字相位计的原理框图如图2-4(a)所示。其各点波形如图2-4(b)所示。E1和E2为频率相同、相位差x的两个被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成两个方波，再经微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，鉴相器为非饱和型高速双稳态电路，被这两组负脉冲所触发，输出周期为T，宽度为Tx的方波，若方波幅度为Ug，则用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，此方波的平均值