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1、1,第七章 电气参数的测量,电气测量技术,2,7.1 频率、周期和时间间隔的测量,第七章：电气参数的测量,3,频率、周期和时间间隔的含义,频率：单位时间内被测信号重复出现的次数,或者是单位时间内振荡的次数。 表达式：f=N/tf 被测信号的频率N 电振动次数或脉冲个数t 产生N次电振动或N个脉冲所需的时间 周期：电信号一个循环所需要的时间. 表达式：T=1/f 时间间隔：任意两个时刻间的间隔,4,频率的计数法测量原理,输入通道：由放大电路和整形电路组成，整形为方波信号 时间基准电路：由石英晶体振荡器、整形和分频电路组成。 控制电路：使主闸门在所选择的基准时间内打开 计数和显示电路。,5,计数法
2、测量频率的误差分析,误差包括了计数器的量化误差和主闸门开启时间的相对误差。 前者取决于主闸门开启时间的长短。开启时间越长，相对误差越小。 后者取决于晶体振荡器的准确度和频率稳定性。,极限情况下最大相对误差为：,主闸门开启时间的相对误差,计数器的量化误差, 最大为1个字.,闸门时间为,相对误差,分频数,晶振标准频率,晶振的稳定度,选择合适的石英晶体和振荡电路。 为了获得高稳定度，常将晶振放置在恒温槽中，温度选为0温度系数温度,+触发误差,6,周期的计数法测量,当被测信号频率较低时，采用测量周期的方法。 当被测信号频率较高时，采用测量频率的方法。 被测信号由B通道输入，经放大整形后为方波，配合时基
3、选择开关，产生合适的时基信号触发门控双稳信号，控制打开主闸门的时间。 石英晶振经整形、倍频或分频后产生标准时钟脉冲，称为时标信号。 在主闸门开启时间内对时标信号进行计数,计数器的读数,时标信号的周期,周期倍乘系数,7,计数法测量周期的误差分析,误差包括了量化误差、晶振稳定度和触发误差。 若周期倍乘开关选择在1位，n=1,计数器的量化误差, 最大为1个字.,晶体振荡器的稳定度G,量化误差取决于计数值大小。对同样被测周期，时标信号周期0愈小，周期倍乘选择愈大，则量化误差愈小。,将被测周期T加以倍乘扩展后,最大相对误差为,触发误差：取决于转换电路的触发点稳定性。 正弦波转为方波时.由于触发灵敏度漂移
4、,或叠加的噪声引起的误差 转换电路应选用触发点稳定,信噪比高的电路. 整形电路采用施密特电路，同时采用周期倍乘扩展，可在一定程度上克服,8,直接测频和直接测周期之间中介频率的确定,为了获得较高的测量精度 如果被测频率较高，则采用直接测量频率法； 如果被测频率较低时，应采用直接测量周期法。 中介频率f0 ：对于同一信号用直接测量频率和直接测量周期的误差相等时，所对应的输入频率。,n测周期时的周期倍乘系数 0测周期的时标信号周期 t测频率时主闸门开启的时间,9,时间间隔的计数测量,与周期的测量类似 主闸门开启时间为两个信号上升沿的时间差,10,7.2 相位的测量,第七章：电气参数的测量,11,相位
5、-频率转换器原理（1）,相位的数字化测量类似于用频率计测量时间的原理 两正弦波信号经放大整形，得方波脉冲序列 经鉴相器，得宽度与两信号相位差呈线性关系的脉冲波 计数得相位差大小,被测量信号周期,相位差时间,时标脉冲序列,T0 时标脉冲的周期 Nx 在Tx时间内计数值 T 被测信号的周期,12,相位-频率转换器原理（2）,由于周期T未知，须分两次测量，并经计算得到x测量精度直接受时标信号频率的影响。例如,考虑T=NT*T0,在Tx时间内计数值,在整个周期内计数值,精度要求0.1，则要求,即当被测信号频率增大时，时标信号频率相应增大到3600倍,另有触发误差：输入正弦波经过整形变为方波信号时，门限
6、电平的漂移或干扰给测量带来的误差。,13,相位测量的误差（1）,用异或门鉴相克服门限电平平移所带来的误差 假设通道A为理想状态，通道B的门限电平发生漂移。 鉴相电路采用异或门。 C1为正常异或门输出 C2为门限电平产生漂移后异或门输出波形 两者波形不同，但总面积相等，总的计数脉冲不变 克服了门限电平漂移所带来的误差。,整形器门限电平漂移对测量的影响,14,相位测量的误差（2）,用平均法减小噪声误差 噪声干扰使Tx的前沿和后延时间均可能产生随机的摆动，增大误差。 如图中1、2间和3、4间 噪声是随机的，采用平均测量法可以减弱噪声的影响 设重复采样n次，总的读数N为：,15,7.3 电压、功率和电
7、能 的测量,第七章：电气参数的测量,16,作业,信号由三个正弦组成，f1=3Hz，f2=4Hz，f3=5Hz。用离散傅里叶变换（DFT）分析相关信号 请确定DFT参数。,17,交流电压的测量,从测量的角度，根据电压数值分为高、中、低三个范围 对高电压需要降压 对于低电压、微电压需要放大交流电压测量可分为：平均值测量、有效值测量、峰值测量 测量方案 通过交直流变换，将交流电压转换成直流电压测量 根据定义，用数字化测量技术进行,18,用线性检波器测量交流电压的平均值,交流电压平均值的表示：,线性检波器：也称平均值检波器 用运算放大器的负反馈特性克服检波的非线性。精度高、线性度好、频率范围宽和动态过
8、程短。,全波,半波,输入ui0时，运放输出uo,0时运算放大器开环使用,19,用线性检波器测量交流电压平均值的误差分析,主要包含：非线性误差、频率附加误差、电压失真度误差。 非线性误差：由于实际运放并非完全理想，导致运放输入极间电压u不可能真正为零，所引起的误差。 输入阻抗Ri和开环放大倍数Ad不是无穷大 输出电阻也不是零频率附加误差：集成运放随着工作频率增高，开环放大倍数下降，从而产生的误差。 电压失真度误差：当交流电压失真度较大时，在平均值到有效值换算过程中产生的误差。 实际应用中，常需要测量交流电压的有效值。 对纯正弦波只需要测量平均值，乘以波形系数可换算成有效值。 全波检波器，波形系数
9、为1.11；半波检波器，波形系数为2.22,期望的线性检波,非线性误差,20,交流电压峰值的测量（1）,峰值检波器：将信号峰值保持一段时间，再进行测量的电路。 当输入信号的波峰系数一定时，可用来测量其有效值 又称峰值保持器。 波峰系数：波峰与有效值之比 对于纯正交流电压，km=1.4142,21,交流电压峰值的测量（2）,最基本的峰值检波器 由一个二极管和一个保持电容组成 分为串联和并联两种形式,过程： t=0，ui正向时，经二极管向保持电容C充电 当ui上升到最大值时，使输出uo保持峰值不变。,要求： 放电回路=RC 被测信号的最大周期Tmax 充电回路d=RdC 0，D2截止，D1导通，A
10、1给C充电 Rf为深度负反馈，减小D1非线性。 R2、R1、C组成滞后环节，增加稳定度,23,交流电压有效值测量,对于非正弦电路，有效值与平均值和峰值无确定关系 交流电压有效值： 检波器的构成： A1、A2为差分放大器，A3为倒相器，A4为积分器，M为乘法器。,有效值检波器原理图,u0ui，积分后使U0减小 U0ui，积分后使U0增大 由于系统的负反馈，最终使U0=Ui（ui的有效值） 二极管D防止正反馈,24,时间分割乘法器式的功率-电压转换器（1）,功率的数字表达：p(t)=u(t)i(t) 时间分割乘法器式的功率测量过程 将u(t)和i(t)输入到乘法器中，得到与功率p成正比的模拟电压
11、将该电压经V/F转换变为频率量输入计数器计数，并确定计数时间t 计数值反映了在t时间内的平均功率 如果t足够短，也可近似反映瞬时功率,25,时间分割乘法器式的功率-电压转换器（2）,时间分割乘法器 由节拍方波E0，参考电压UR，积分器A、比较器等组成 对输入电压Ux进行脉冲宽度调制，即将节拍方波E0提供的周期T分割为T1和T2 时间差T1-T2正比于UxUx：输入电压 Ix：输入电流 Uy=IxRy为与电流成比例的转换电压,26,时间分割乘法器式的功率-电压转换器（3）,时间分割乘法器式数字功率表达： 由电压互感器、电流互感器、标准电阻、时间分割式乘法器、量程转换器、功率显示器等五部分组成数字式功率表的主要误差 电压互感器的比差1和相角差1 电流互感器的比差3和相角差4 电流互感器负载阻抗的幅值误差5和相位误差6 时间分割式乘法器系数的幅值误差7和相位误差8 时间分割式乘法器系数的非线性误差9 、漂移误差10 量程转换器分压系数的误差11 功率显示器的传递误差12,27,采样计算法数字式瓦特计和电度表,由微型计算机组成典型双路数据采集系统 分别采集电压、电流数据 计算平均功率 N为单位时间内采样次数平均功率乘以测量时间得到电度,
