电磁测量课件_第七章

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1、第七章 数字测量技术,第一节 概述 第二节 数字测量的基本单元电路 第三节 频率、周期和相位差的测量 第四节 电压的测量 第五节 功率和电能的测量 第六节 元件参数的测量 第七节 智能仪表 第八节 电力系统谐波测量仪,第一节 概述,一、数字量的概念 二、数字测量的特点1准确度高； 2灵敏度高； 3测量速度快；4不存在读数误差；5测量过程自动化水平高； 6易于综合测量； 7数据易于存储和传输； 8与计算机结合，实现智能测量；9不便于观察动态过程 。,三、数字式仪表的结构,返回,数字式仪表的结构示意图,数字式仪表主要由功能转换电路、模数转换器（A/D转换器）、计数器或频率计等组成，如图所示。,第二

2、节 数字测量的基本单元电路,一、模数转换器（A/D）,1逐次逼近式模数转换器这种模数转换方式是由一个控制电路按一定编码顺序操纵 一系列开关，把参考电压通过一个电阻网络分压，分压所得的 电压按8421码排列，称为码电压Uc。被转换电压与码电压从Uc的高位到低位逐次比较，直到二者逼近到一个程度，控制电路 所编成的码即为对应的数字量。根据每次比较的结果决定取舍 Uc ，当 时，保留Uc ，开关位置闭合，数字量对应“1”， 当 时，舍去Uc ，开关位置断开，数字量对应“0”。电路如图所示。,逐次逼近式模数转换器的结构,这种模数转换器的特点是转换速度快，但由于是反映瞬时信号，所以如有干扰混入被转换信号，

3、将产生较大误差，因此抗干扰能力差。,2积分式模数转换器（双斜）如图，首先输入被转换电压Ux，积分器对其进行定时积 分，然后在积分器的输入端改接与被转换电压极性相反的基 准电压UN ，积分器再对UN进行定值积分，通过两次积分， 将输入电压转换成与其成正比的时间，用脉冲计数法测出该 时间，从而获得数字化的转换结果。,积分式模数转换器的结构,定时积分,定值积分,因为积分器输出电压逐渐减少，直到等于零为止，所以,得,设时间内计数脉冲为，时间内计数脉冲为，脉冲间隔，则,特点： （1）转换结果与积分参数RC无关； （2）抗干扰能力强； （3）转换速度慢； （4）要求基准电压稳定性好。,N1是预先给定的，则

4、 与计数脉冲N2成正比。,3单片集成模数转换器目前，工程上应用的模数转换器都是单片集成模数转换 器，它具有体积小，外部电路连接简单，使用方便等特点。 这种大规模集成电路是按照标准的模拟量输入量程设计的， 按其数字量的位数通常有8位、10位、12位、16位、32位 等。 （1）单片集成ADC0809A/D转换器ADC0809是一个有8路模拟量输入端、8位数字量共有 28个引脚的A/D，其外形引脚如图所示。其中D0D7为数 据线，IN0IN7为8路模拟输入端，ADDAADDC为三位 地址线，其他引脚功能如下：,ALE 地址锁存，低电平有效； ST 起动A/D开始转换信号，高电平有效； EOC 转换

5、结束提示； OE 允许输出信号； CLK 时钟信号；正参考电源；负参考电源；工作电源； GND 地。,ADC0809外形引脚如图,说明： ADC0809A/D 转换器的转换时间为100s； 8 位数字量最高位的“1”表示2.5V，次高位的“1”表 示+1.25V，依此类推，低位的“1”表示上一高位“1”表示的模 拟电压的一半，则8位数字量为11111111（FFH）时表示模 拟电压+5V，10000000（80H）表示+2.5V , 00000000（00H）表示0V ； ADC0809A/D 转换器只能转换正电压，如果转换负 电压时应在输入端增加偏置电路。,（2）单片集成AD570A/D转换

6、器,AD570是8位逐次比较型单片集成模数转换芯片，也 是一种常用的A/D转换器，外形引脚如图。,注意：采用双极性输入时，转换结 果的数字量11111111（FFH）表 示+5V ，10000000（80H）表示 0V，而00000000（00H）则表示 -5V示 。,AD570的外形引脚如图,在模数转换过程中应保证被测电压不变，因此，测量 一个随时间变化的电压时，应把被测量的瞬时电压暂时寄 存起来以供A/D进行转换，寄存的时间必须大于A/D转换的 时间，完成寄存电压瞬时值的器件叫采样保持器，电路如 图。,采样保持器的电路,二、采样保持器(S/H),当需要采样的瞬间，控制电路向作为开关用的场效

7、应管 T发送一脉冲信号，使T全导通，此时将对电容C充电到，在 脉冲过后，保持一段时间，供A/D转换用。开启脉冲与充放 电过程如图。,图中的Tc为捕获时间， Tc为保持时间，显然，开启 脉冲的宽度必须大于捕获时 间才能使采样保证一定的准确度，否则，充电电压达不到预计的额定值，不能真实反映被采样的信号。,开启脉冲与充放电过程图,2采样定理最高频率为f Hz以下的模拟信号，可以用采样间隔最 大为 所取得的采样信号值唯一地确定，即采样频率。,3单片集成采样保持器LF198的外形引脚如图，IN为模拟输入端，OUT为采样输出，C与GND之间应接保持电容，L为逻辑控制信号输入，控制信号大于1.4V时LF19

8、8处于采样状态。,LF198的外形引脚图,三、数模转换器（D/A）,数模转换器是模数转换器的逆变换，即把数字量变换 成模拟量，其转换原理是用数字量控制一系列电子开关， 然后对电子开关接通电路的电流求和，最后把总电流变换 成电压。下图是权电阻型D/A转换器的电路。,权电阻型D/A转换器的电路,当N为任意值时，总电流可表示为,则输出的模拟电压为,对于n 位数字量转换成的模拟量为,为片选信号； 为输入允许信号； 和 是两个写信号； 是传送控制信号； 是反馈信号输入端。,2单片集成数模转换器 8位模数转换器DAC0832 外形引脚如图。,DAC0832外形引脚图,四、计数器计数器由D型触发器或T型触发

9、器以及附加逻辑控制电 路组成，可分为异步计数器和同步计数器两大类，在数量上 以同步计数器居多。1异步计数器纯二进制异步计数器逻辑电路及波形如图。,异步计数器的逻辑电路,波形,2同步计数器 用JK触发器构成的同步计数器如图所示。,不论用JK触发器构成还是以D型触发器构成，都存在工作速度较慢的问题。,当计数脉冲到来时，应该翻转的各个触发器同时翻转。因此，有效地消除了传输延时。,同步计数器的逻辑电路,五、LED显示器 1七段LED显示器,共阴极 共阳极 七段排列顺序,对于共阴极的LED，阴极接地，当阳极信号为“1”时，发光二极管导通，该段点亮；信号为“0”时，发光二极管截止，该段不亮。对于共阳极的L

10、ED，阳极接+5V，当阴极信号为“1”时，该段不亮；信号为“0”时该段点亮。,如果在七段LED上显 示十进制或十六进制的数 字，首先应将需要显示的 数字转换成相应的段码 （又称字形码），这叫做 译码，通常有硬件译码和 软件译码两种方式。硬件译码适用于位数 较少的情况，软件译码适 用于位数较多的情况。右 图是硬件译码器与LED的 接口电路。,硬件译码器与LED的接口电路,2点阵式LED显示器 75点阵式LED的排列及显示器接口电路如图。,返回,图中的每一亮点由一个发光 二极管控制，35个亮点分 7 行 5列，通过译码器控制，可以显示各种数字、字母及特殊符号。,点阵式LED的排列及接口电路,第三节

11、 频率、周期和相位差的测量,一、频率的测量1基本原理如图电路，整形电路将被测信号变成每周期输出一个窄 脉冲的离散信号，晶体振荡器产生一个方波信号，经分频器 分频后，提供一个标准时间，通过门控电路控制闸门打开的 时间T0 则计数器在标准时间内记录的窄脉冲个数N与被测频 率的关系为,测量频率的电路框图,2测量误差根据上式可知，测量误差包括两部分 ，一部分是计数 值N的误差，由于门控信号和被测信号不同步，因此产生量 化误差,另一部分是门控信号宽度T的误差，因门控信号由晶体振荡器产生，晶体振荡器的输出频率准确度很高，故这部分误差可以忽略。因此，测量频率时产生的误差就等于量化误差，即,被测信号、整形后的

12、波形、门控信号及计数脉冲的波形如图所示。,测量电路中的波形图,二、周期的测量1测量原理周期的测量与频率的测量类似，其原理电路如图所示。,时标信号为频率已知的高频脉冲，被测信号经整形变成脉冲，经触发器变成与被测周期相等宽度的门控信号打开闸门，使计数器在这段时间内记录时标信号的脉冲个数。设时标信号脉冲间隔为 ，计数器值为N，则被测信号周期为,测量周期的电路框图,被测信号、整形输出、门控信号、时标信号及闸门输出的 信号波形如图。,测量电路中的波形图,2测量误差 测量周期的误差为,返回,三、相位差的测量,测量相位差的电路框图,设两个同频正弦电压经整形变成方波，两方波信号相与得 到宽度为T0的正脉冲，则

13、两电压的相位差时间为,转换成角度为,这种方法应先测量出T和N，经计算可得两电压的瞬时相 位差，也可以用触发器代替与门，把相位差直接转变成方波， 再测方波的宽度。,第四节 电压的测量,一、直流电压的测量 1直流数字电压表(1) 分类,表7-3 直流数字电压表的分类,（2）特点准确度高、 输入阻抗高、 灵敏度高、测量速度快、不 存在读数误差、自动化水平高。（3）结构 如图，量程切换器是将被测电压变换成A/D转换器所需 的电压范围，模数转换器将模拟电压转变成数字量，再由计 数器实现记录，数字显示一般用数码管和译码电路构成显示 器。,直流数字电压表的结构框图,2电压-频率变换（VFC）把被测电压变换成

14、与其对应的频率，再利用测量频率的 方法进行测量，也是测量电压的一个途径。下图是 9400VFC 单电源供电的电路图。,9400VFC单电源供电的电路图,二、交流电压的测量通过AC/DC变换器将交流电压转换成直流电压，再用 直流数字电压表进行测量，可以实现交流电压的测量。所 以，交流电压的数字测量可以认为是直流数字电压表的扩展 应用。,1峰值响应的AC/DC转换电路,峰值检波的AC/DC转换电路 由检波二极管和 保持电容组成， 其原理电路如图 所示。,峰值响应的AC/DC转换电路,2平均值响应的AC/DC转换电路平均值响应的AC/DC转换电路由线性整流电路和低通 滤波器构成，如图所示。,平均值响

15、应的AC/DC转换电路,3有效值响应的AC/DC转换电路 双偶AC/DC转换器原理如图所示。,返回,双偶AC/DC转换器原理图,当直流（或交流）电流流过热偶变换器的加热丝时，产生 热量，该热量传到热电偶时，热电偶两端便产生一个热电势,而,因此，热电势与电流的有效值的平方成正比。,三、数字多用表,随着电子技术的发展，数字电压表已由单一测量直流电 压发展为测量交流电压、交流电流、功率、相位等许多物理 量，因此，这种多功能的数字电压表又称为数字多用表。有 些数字多用表还具有测量信号频率、元件参数等更多功能。 各种测量功能的数字仪表都是在直流数字电压表的基础上附 加一些转换电路构成的，下图是数字多用表的结构框图。,数字多用表的结构框图,第五节 功率和电能的测量,一、单相有功功率的测量,数字式功率表的原理框图,被测负载的电压为ux 电流为ix， ix经电阻得到 方波发生器输出的节拍方波电压的周期被分为两个不等的 时间间隔T1和T2，它们的差值与被测电压的大小成正比对UN 脉冲宽度的调制后,设,有,瞬时功率,此时，时分割乘法器输出的电压与被测信号的有功功率 成正比。,滤掉,由此可见，时分割乘法器的输出电压反映了输入电压 ux和uy瞬间平均值的乘积，实际上“瞬间”的含义是相对的， 它就是节拍方波的周期T，在实际中它不可能是无限小，因 此随着ux和uy频率的增高，运算误差越来越大。,