电子测量数字测量方法

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1、Chapter 4,数字测量方法,4.1 电压测量的数字化方法4.2 直流数字电压表4.3 多用型数字电压表 4.4 频率的测量4.5 时间的测量4.6 相位的测量,4.1 电压测量的数字化方法,数字化测量是将连续模拟量转换成断续的数字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。 进行数字化处理，比较方便的量是直流电压和脉冲(或交流)频率。对应的测量仪器是数字电压表 ( DVM ) 和电子计数器(一般称计数式频 率计 )。,* 直流 DVM 的测量原理,* 综合数字化仪表的测量原理,4.2 直流数字电压表,一、DVM的特点：,1数字显示2准确度高3量程转换灵活：自动转换、手动转换分辨力高测量速度快输

2、入阻抗高抗干扰能力强,二、DVM的主要类型：,按工作方式分类,1. 逐次逼近型、2. 并行比较型/串并行型、3. 积分型、4. -调制型、5. 电容阵列逐次比较型6. 压频变换型,1. 并行比较型 DVM 工作原理,(1)电路,输入电压通过比较器与各个比较器的反相端电压比较，比较器反相端电压是参考电压UR通过电阻分档的电压，输入电压比哪些个档的参考电压高，则哪些个比较器就输出高电平，但是由于比较器后接优先编码器，所以只有最高级别的比较器输出的高电平被编码。,右图是3位并行A/D转换器。设参考电压为8V，比较器反相端的分档电压为1V，2V，3V，4V，5V，6V，7V。在第1个采样到来时，输入模

3、拟量大于3V，则有三个比较器都输出高电平，但优先编码器只对反相端接3V分档电压的比较器的输出进行编码，输出数字量为011。余此类推，有如下的表格：,(2)特点优点：转换速度快。缺点： 转换位数越多，需比较器数量越多。N位AD转换器需 2n-1 个比较器。,2逐次比较型 DVM 工作原理,(1)特点 优点：转换速度较慢。 缺点： 转换电路相对精炼。,(2)电路,(3) 例 DVM做4次比较，基准Ur = 1V， 输入Ui =0.68V，,放大器积分输出：,工作过程：时段：定时积分, T1 = t2-t1 ; 时段：定值积分，从t2开始，过零结束;,若时钟频率为F，则T2 期间的脉冲数：,(2)基

4、本原理：,(1)电路结构,3双积分型 DVM 工作原理,(2)应用电路：,由集成块7106构成3位半数字电压表的典型电路如图,4U-F变换型 DVM 工作原理,(1)电压反馈式UF转换器组成原理,被测电压Ux经放大后输出电压Uo，经过U-F 转换器获得频率为UF 的序列脉冲。经过F-U 电路转换成UF ，再与UX 比较，产生差值电压U UX - UF 。两者差使UO及F 输出改变，如此循环，直至动态平衡。 若放大器的增益足够大，则U0， UX UF 。因为UF 正比于F ，UX 正比于F ， 即： UX kF,(2)特点 U/F型A/D转换器多用电压反馈形式。具有较好的抗干扰能力, 准确度和输

5、入阻抗高。,其中,(3)原理电路,(4)应用电路： 恢复型UF 转换器电路图1,恢复型UF 转换器电路图2,三、DVM的测量误差：,DVM的固有误差，常用下列两种方式表示：,其中： aUX 为示值相对误差，与读数成正比，称为读数误差。它与仪器各单元电路的不稳定性有关。, b UX 为不随读数变化的满度误差，由量化误差和0点误差等组成。量化是把本来有无穷个取值的模拟量用有限个数字量来表示的过程。0点偏移如同磁电式电压表的机械0点没有调好一样，对于DVM，多发生在末位数字上。,满度误差与被测电压大小无关，而与所取量程有关，常常用正负几个字来表示。为了避免满度误差对测量结果的影响，应选择合适的量程，

6、使被测电压显示的位数尽量多。 例: 用某型DVM测量0.5V电压， 若使用200 V量程时，显示000.52V,满度误差2个字,误差的影响是很大的； 而使用2 V量程时，能显示0.5002 ,这时的满度误差2个字,误差就小多了。 与其他仪器一样，DVM除了上述固有误差之外，还有影响误差等。例如: 输入阻抗、环境温度 等引起的误差。,例题: P145例1,纠教材 P145 之“综上所述”,4.3 多用型数字电压表,* 多用表组成：,一、交流电压直流电压转换器：,模拟式电压表利用二极管构成的平均值和峰值检波电路，驱动直流微安表指针偏转，如图 (a)。 这种检波器是非线性的，因为二极管非线性特性和阀

7、值电压VT的影响，使检波输出的线性很差，如图 (b)所示。输出电压瞬时值 uo与交流输入电压瞬时值ui 存在如下关系： 当 ui 较低时, 其很大部分消耗在非线性二极管压降UDV上, 当ui UT=0.6V时；uo= 0 ，这种畸变对于测量变换是不允许的。,(b),1. 直接二极管检波 ：,1) 采用运放式半波检波原理： 它利用运放的高增益来补偿二极管正向管压降。 若运放 A1 的开环增益 K01105，二极管 VD1 的压降为UT=0.6V，在输入端引起的等效电压损失为：, 这样的补偿使得VD1的等效正向压降减小到 6V，二极管可以视为理想检波器件，输入与输出之间呈现良好的线性。如图 (d)

8、 所示。,2. 运放半波式检波 ：,2) 采用运放式半波检波实用电路：,其中：当输入交流电压进入负半波时，由 VD2 ，R3形成负反馈通道。检波级的增益由R1R2的比例决定，本电路中这两个电阻均为10k，增益为l。正半波时经 VD1 进行半波检波，完成AC-DC变换作用。,3. 运放全波式检波 ：,当输入信号为正时，即: ui 0，VD2导通 VD1截止。半波检波电路输出为：,加法电路对ui 和 uo1两电压进行求和运算，其输出电压为：,若取 RlR2R3R5= 2R4 , 则：uo= ui,当输入信号为负时，即ui 0，VD2截止 VD1导通; uo1=0, 加法电路A2的输出电压为:,A2

9、加有两路电压输入：,二、电阻直流电压转换器：,R-U 转换电路1：,二、电阻直流电压转换器：,与双积分DVM相配合的R-U 转换电路：,在定时积分(采样)阶段, 合S1, 对ux 积分; 然后合S2, 对uN进行定值积分,当积分输出电压过0时，比较时间：,可见, Rx 与ux成正比, ux又与T2 成正比。将Rx转换成T2后，再利用脉冲计数法即可实现Rx的数字显示。,将采样电阻串联在放大器的反馈回路中，设点虚地，则：,三、直流电流直流电压转换器：,I-U 转换电路a：,让被测电流流过标准电阻，再用直流DVM测量电阻上的电压，即实现这一转换。,I-U 转换电路b：,利用3位半DVM组成的简易数字

10、电流表电路。, I-U 转换电路c：,一、时间与频率标准,时间和频率测量的一个重要特点就是：时间是一去不复返的。寻找按严格相等的时间间隔重复出现的周期现象就成为制定时间和频率标准的首要问题。,早期，人们把地球自转当作符合上述要求的频率源，把由地球自转确定的时间计量系统称为世界时。随后人们又制定了根据太阳来计量时间的计时系统,这种计时系统的精度比世界时有了大幅度的提高。,科学技术的发展，对时间计量的准确度提出越来越高的要求。为了适应这种需要，国际天文学会定义了以地球绕太阳公转为标准的计时系统，称为历书时 ET 。 1952年9月，国际天文学会第8次大会通过了历书时的正式定义。这种计时系统采用19

11、00年1月1日0时(ET)起的回归年长度作为计量时间的单位，定义“秒是按1900年起始时的地球公转平均角速度计算出的一个回归年的1315569259747“，称之为历书秒。86400历书秒被规定为一历书日。历书秒可以认为是“秒”的第二次定义，它在1960年的第11届计量大会上得到认可。,4.4 频率的测量,地面上每个观切点都有自己的子午圈，在同一瞬时，不同经度上的观测点将有不同的时刻值。通常把这样的天文观测点测直接测定的世界时称为地方时，记做UTo。在此的基础上修正了地球极移的影响，产生了UT1：在UT1 的基础上修正了季节性变化的影响，产生了UT2。它的稳定度比世界时提高了两个数量级，达到了

12、10-9量级。,1. 原子频标的基本原理 根据量子理论，原子或分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，而只能跃迁。当由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其辐射频率 f 严格地决定于两能级之间的能量差，即：,由于该现象是微观原子或分子所固有的，非常稳定。 若设法使原于或分子受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率。这就是原子频标的基本原理。,h为普朗克常数；E为跃迁能级间的能量差。,1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：秒是与铯 Cs133原子基态的两个超精细能级间跃迁时，相对应辐射的 9192631770 个周期的持续时间。原子时的时刻起点为19

13、58年1月1日0时。,铯原子钟的精度已达10-14 10-15量级，甚至更高。这相当于数十万年乃至百万年不差1s。铯原子钟分为大铯钟和小铯钟两种，两者的原理相同。大铯钟都是安置于专用实验室，作为频率基准；小铯钟则可作为良好的频率工作标准。,2. 铯原子钟,3.氢原子钟 氢原子钟亦称氢原子激射器。它是从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，当原子从高能级跃迁到低能级时，辐射出频率准确的电磁波，可用其作为频率标准。 氢原于钟的短期稳定度很好，可达10-14 10-15量级；但由于储存泡壁移效应等影响，其精度只能达到10-12 量级。,4.铷原子钟 铷原子钟是一种体积小、重量轻、便于携带的原子频标，由

14、于存在老化频移等影响，其精度约为10-11量级，只能作为工作标准。5.离子储存频标 离子储存频标，亦称离子阱频标，该类频标存在的主要问题是储存的离子与残存气体碰撞产生的碰撞频移，以及由于储存的离子数量少，而使信噪比较低等。预计离子阱频标的精度可达 10-15 10-16 量级，甚至更高。 从基本原理和技术方案来看，离子阱频标的确有较大的发展潜力，可能成为未来的时间频率基准。 我国陕西天文台是规模较大的现代化授时中心，它有发格时间与频率的专用电台。台内有氢原子钟和瑟原子钟，成为我国原子时间标准。它能够保持三万年以上才有1s的偏差。中央人民广播电台的北京时间报时声，就是由陕西天文台授时给北京天文台

15、，再通过中央人民广播电台播发的。,6.频段的划分 国际上规定30kHz以下为甚低频、超低频，30kHz以上每10倍频程依次划分为低、中、高、甚高、特高、超高等频段。 在微波技术中,按波长 (m)300/f (MHz)划分为米波/分米波/厘米波/毫米波等波段。 在一般电子技术中把 : 20Hz 20kHz的频段称为音频， 20Hz 20MHz 频段称为视频，30kHz 几十GHz频段称为射频。当然，这些界限也只是一个大致的划分。 在电子测量技术中，一种划分法是以30kHz为界，以下称低频测量，以上称高频测量；另一种划分法是以100kHz(或lMHz)为界，以下称低频测量，以上称高频测量(一般，正弦波信号发生器就是这样划分的)。我们采用后一种划分。,目前多用电子计数器 测频，它具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简便、直接显示数字等特点，尤其是与微处理器相结合，实现了程控化和智能化，构成智能化计数器。目前，电子计数器几乎取代了模拟式测量仪器。,二、频率测量方法,三、电子计数式频率计,1. 计数式频率计的测频原理,