2011认证培训班电子测量原理.ppt

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1、2020/10/27,1,电子测量原理,2,2020/10/27,电子测量原理简介,基本电参量测量，包括频率、周期、时间、电压、阻抗等 。 时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。,3,2020/10/27,一、电子测量中的变换技术,1. 量值变换 量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。 通过量值变换，可增加测量范围，提高测量分辨力和精度。,4,2020/10/27,（1）信号放大与衰减 信号放大是为了将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理，或能驱动指示器、记录器。 测量放大器是指在测量系统中用来放大

2、微弱电压、电流或电荷信号的放大器。要求低漂移 衰减器用来降低测量系统中的信号电平 用途：使大的信号进入仪器的测量范围，或者通过降低信号电平来控制失真，或改进阻抗匹配，或对信号源去耦等,5,2020/10/27,（2）阻抗变换 电子测量中，特别是在微波测量中，当将不匹配的负载与传输线连接时，或将特征阻抗不同的传输线进行连接时，信号传输中将产生强烈反射。 为了保证良好的传输，必须在传输线与负载之间或不同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网络，改变阻抗的大小，实现阻抗的匹配。 在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗匹配，常用变压器等进行阻抗变换，以保证最佳功率传输。 电子测量仪器输入

3、端具有很高输入阻抗，输入跟随器则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。,6,2020/10/27,2. 频率变换 （1）检波： 交流电压变成直流电压 常用磁电式电表，它只能测 量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量 。 （2）斩波：把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程。 斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大。,7,2020/10/27,（3）变频（混频）,例：f=200MHz2GHz f0=170MHz1.97GHz 则 F=f-f0=30MHz 30MHz固定中频输出,8,2020/10/27,（4）倍频 倍频器是频率综合技术

4、中的乘法器。 差频倍增法,9,2020/10/27,（5）分频 分频是于对信号频率进行除法运算 （6）频率合成 频率合成是把一个（或少量几个）高稳晶振频率源 经过一系列综合的加、减、乘、除四则运算，可作 为随意调节频率的高精度信号源。 （7）取样技术 取样门电路将高频信号进行取样变换，使之以低频 形式复现出来。 它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz。,10,2020/10/27,3. 波形变换 （1）整形：将任意形状的波形变成规则的脉冲波形， 例如，用于电子计数器的输入通道中。 （2）限幅 ：把信号波形幅度限制在一定范围内 （3）微分 ：由矩形脉冲形成一个窄脉冲。 在电子计数器、取样示

5、波器、广谱信号源中广泛使用。 （4）合成 ：多种波形叠加成复杂波形。 例如合成CRT显示的视频信号波形。 （5）变换 ：方波变成三角波或正弦波，三角波变成正弦波或方波，正弦波变成方波或三角波等。 波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中。,11,2020/10/27,4. 参量变换,（1）AV变换电流、电压、电阻之间的变换 多用表中采用的AV变换，包括交流/直流（AC/DC）、电流/电压（I/V）和电阻/电压（/V）的转换，实现了交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。 （2）V/F变换模拟直流电压转换为频率 （3）V/T变换模拟直流电压转换成时间 （4）网络参数的变换,12,2020/10/2

6、7,5. 能量变换,能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换。 传感器就是能量变换器，即从非电量变换成电量 ，一般分参量 变换器及电势变换器两大类： 参量变换器是将各种物理量变换成电阻、电感、电容或磁导 率等。 例如，常用的电阻丝应变片、电感式变换器、电容式变换器 。 电势变换器是将各种物理量变换成电势、电流等电量的变换 器，例如，感应变换器、光电变换器、压电变换器、热电偶 等。 在显示器中，把电量变换成非电量机械量、光学量等。如指针的偏转、发光的数码、字符和图像等。,13,2020/10/27,例 试以数字万用表测量交流电流为例，阐述变换技术在电子测量中的应用。 交流电流/交流电

7、压的变换； 交流电压/直流电压的变换； 直流电压的幅值变换； 模拟/数字的变换； BCD码/七段码的码制变换； 显示器件的电/光转换。,14,2020/10/27,15,2020/10/27,二、电子测量中的比较技术,1.电压比较 （1）电平比较 比较两个模拟电压的大 小可用电压比较器 来实现的 。,16,2020/10/27,2. 频率（时间）比较 （1）时间差值比较：用R-S触发器可实现时差的比较,17,2020/10/27,（2）差频比较： 混频器可以实现两个频率的减法运算 还可利用差频比较法测量频率 。 （3）比例比较： 测频率 fx=Nfs ；测周期 Tx=NTS,18,2020/1

8、0/27,（4）相位比较使用鉴相器,19,2020/10/27,（5）数字比较 二进制的数N1和N2加于异或门的输入端，即可进行比较。,20,2020/10/27,三、电子测量中的处理技术,1. 基本模拟运算 运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸 如比例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除 等电路,21,2020/10/27,2. 指数和对数运算电路 利用二极管的电流与其端电压在一定条件下存在的指数关系来实现。,22,2020/10/27,3. 乘法运算或除法运算,模拟乘法器：是新型集成器件，是利用晶体管的非线性特性。,23,2020/10/27,4. 积分和微分电路,24,2020/1

9、0/27,5. 有源滤波器 分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。,25,2020/10/27,四、电子测量中的显示技术,1.指示式仪表 2.电光显示器件 （1）发光二极管（LED） 利用正向偏置PN结中电子与空穴的幅射复合发光，发出非相干光，光谱较宽，发散角大，视角效果好； LED的发光颜色多、辉度高，LED的单元体积小，电 压低、驱动电流小，寿命长。 指示灯 数字显示器,26,2020/10/27,27,2020/10/27,（2）液晶显示器（LCD） 液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体 ，液晶显示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏光的反射或透射，实现LCD的显示。 LCD具有薄型、

10、轻量、低功耗、低工作电压等特点 。 数字、字符显示 平面显示,28,2020/10/27,（3）阴极射线管（CRT） CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型。,29,2020/10/27,例 运算与处理功能在电压测量中的应用。,第一级为模拟乘法器，完成被测电压的平方运算； 第二级为积分器，完成平均运算； 第三级为开方器，完成开平方根的运算； 最后一级为放大器，按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表，按被测电压的有效值进行线性刻度。,计算公式：,30,2020/10/27,五、频率与时间的测量,频率的测量方法可以分为：,31,2020/10/27,各种测量方法有着不同的实现原理

11、，其复杂程度不同。 各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。 数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。,32,2020/10/27,1. 电子计数器的分类 按功能可以分为： （1）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。 （2）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。 （3）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。 （4）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。,33,2020/10/27,按用途可分为： 测量用计数器和控制

12、用计数器。 按测量范围可分为： （1）低速计数器（低于10MHz） （2）中速计数器（10MHz100MHz） （3）高速计数器（高于100MHz） （4）微波计数器（1GHz100GHz）,34,2020/10/27,2. 主要技术指标,（1）测量范围：0.001Hz100GHz。 （2）准确度：可达10-9以上。 （3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-710-9。 （4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（

13、可调）、灵敏度（10100mV）、输入阻抗（50 低阻和1M /25pF高阻）等。 （5）闸门时间(测频)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。 （6）时标(测周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。 （7）显示：包括显示位数及显示方式等。,35,2020/10/27,频率和周期测量原理框图,3. 计数法测频原理,36,2020/10/27,频率和周期测量原理框图,37,2020/10/27,38,2020/10/27,频率和周期测量原理框图,频率测量原理框图,（1）门控计数法测量原理,39,2020/10/27,若在一定的时间间隔T内的计得这个周期性信号的重复次数个为No时

14、，则被测信号的频率F为： F = No/T 式中：F为频率，单位为Hz。 No为计数器计数值，计数器计数定时时间为T。 一般的数字式频率计主要由四个部分构成：输入电路、闸门电路，计数显示电路和控制电路，频率和周期测量原理框图。,40,2020/10/27,测量速度与分辨力： 闸门时间T为频率测量的采样时间，T愈 大，则测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨 力愈高。,41,2020/10/27,2）周期的测量,时标计数法周期测量 原理：“对被测周期Tx，用已知的较小单位时间刻度T0（“时标”）去量化，由Tx所包含的“时标”数N即可得到Tx。即： 该式表明，“时标”的计数值N可表示周期Tx。也体现了

15、时间间隔（周期）的比较测量原理。 实现：由Tx得到闸门；在Tx内计数器对时标计数。 Tx由B通道输入，内部时标信号由A通道输入（A通道外部输入断开）。,42,2020/10/27,周期测量原理框图,43,2020/10/27,3）时间间隔的测量,时间间隔测量原理图,44,2020/10/27,4）相位差的测量,为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，得到t1、t2再取平均，则,45,2020/10/27,4. 电子计数器的测量误差,1）量化误差； （1误差） 2）触发误差； 3）标准频率误差； 4）中界频率； 测频时，被测频率fx愈低，则量化误差愈大； 测周时，被测频率fx愈高，则量化

16、误差愈大。 可见，在测频与测周之间，存在一个中界频率fm， 当fxfm时，应采用测频；当fxfm时，应采用测周方案。 例：若Ts=1s,T0=1us，则fm=1kHz,在该频率上,测频与测周的量化误差相等。,46,2020/10/27,六、信号波形测量,通用示波器 波形存储及显示技术 示波器的基本测试技术,47,2020/10/27,示波器的分类,根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类： 1 模拟示波器 采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。 2 数字示波器 对信号进行数字化处理后再显示。,48,2020/10/27,通用模拟示波器基本原理 通用模拟示波器由示波管、垂直放大器、水平放 大器、扫描发生器、同步电路及电源等部分组成。,通用模拟示波器原理框图,49,2020/10/27,一般小型示波管内部结构示意图 1.电子枪 2.荧光屏 YAy Uy Ay为示波管垂直偏转板的灵敏度，单位为厘米伏。 水平方向偏转距离与加在水平偏转板上的电压成正比： XAx