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1、第2章 电参数检测技术,本章提要 本章介绍频率（周期）、相位、电压、电流和阻抗等常见电参数的测量方法。 其中，在电流的测量方法中介绍了霍尔元件及其在电流测量中的应用。,内容简介,频率（周期）、相位的测量技术 电压和电流的测量技术 阻抗的测量技术简介,2.1.1 频率（周期）的测量技术,频率的测量方法主要有模拟法和计数法两类。 计数法具有测量精度高、速度快、操作简便、可以直接显示数字、便于与微机结合实现测量过程自动化等优点，应用最为广泛； 模拟法由于简单、经济等原因，在某些场合目前仍被使用。,1. 频率的模拟测量技术,由电路原理可知，LC谐振回路在频率等于谐振频率时，幅频特性有一个峰值； RC文
2、氏电桥在频率等于谐振频率处，输出电压为零，即有一个最小值。 频率的模拟测量原理是对于无源网络，若它们的频率特性存在极值，就可以利用这个极值点来实现频率的测量。,（1）文氏电桥法测频,文氏电桥法测频是利用电桥电源频率与交流电桥的平衡条件之间的关系来实现频率的测量，电路如图2-1所示。 将频率为fx的被测交流信号加在文氏电桥的一组对角线上，G为指示电桥平衡的检流计。,图2-1 文氏电桥测频电路,当交流电桥达到平衡时，有下式 （2-1） 由式（2-1）可知，电桥的平衡条件为 即，等式左右两端实部、虚部分别相等为电桥平衡的两个条件。 若取R1=R2=R，C1=C2=C 则平衡条件为 （2-2）,由式（
3、2-2）可知，图2-1中的电桥在R3=2R4的条件下，调节R（或C）可使电桥对被测信号频率fx达到平衡（检流计指示最小）。在电桥面板上可变电阻（或电容）调节旋钮（度盘）如果按频率刻度，测试者便可从刻度上直接读得被测信号频率fx。一般情况下，电阻的调节相对电容的调节容易，通常采用固定电容，调节电阻的方式。 文氏电桥测频法的测频精确度大约是（0.51）。在高频时，由于寄生参数的影响严重，测量精确度大大降低，所以这种测频法仅适用于10kHz以下的音频范围。,（2）谐振法测频,谐振法测频是利用电感、电容串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实现频率的测量，电路如图2-2所示。 频率为fx的交流信号加到
4、变压器的初级绕组上，调节电容C，当LC电路达到谐振点时，电流表或电压表将指示最大值，此时 如果电容的调节度盘按谐振频率刻度，则测试者可直接从刻度盘上读出被测频率值。 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。,图2-2 谐振法测频电路,（3）频率/电压转换法测频,频率/电压转换法测频的原理如图2-3所示。,图2-3 频率/电压转换法测量频率 （a）结构图；（b）波形图,图2-3（a）中，频率为fx的正弦信号ux经脉冲形成电路转化为等周期的尖脉冲uA，该尖脉冲经单稳多谐振荡器，转化为周期为Tx，宽度为，幅度为Um的矩形脉冲列uB，其波形如图2-3（b
5、）所示。uB的平均值U0（即直流分量）为 用低通滤波器滤除uB的全部交流分量。输出的直流电压用电压表指示，如果电压表表盘依照（2-3）式按频率刻度，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被测频率fx。 以频率/电压转换法制成的频率计最高测量频率可达几兆赫，误差一般为百分之几。这种测量方法的突出优点是可以连续监测频率的变化。,（4）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便指零，此时的标准频率值即被测频率值。比较法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
6、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0.11V。拍频法和差频法在常规场合很少采用。,（5）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。,3. 频率的数字化测量,（1）计数法测量频率 用石英晶体振荡器产生的标准时钟信号经过分频后，得到周期为Td的脉冲信号，用来控制计数器的门电路的开启。如果被测信号的周期为Tx，在Td这段时间内进入计数器的脉冲
7、个数Nx为 所以 Td越大，记录的脉冲个数Nx越多，f x的精确度越高。,（2）用计数器测量周期,当被测信号频率较低时，用计数器测量频率得到的读数Nx的位数较少，这样使测量误差增大。为此，采用测量周期的方法来增加读数的位数，降低测量误差。 测量周期时，被测信号经过放大、整形、分频（或者不分频）后，去开启控制门。通过控制门进入计数器的是晶体振荡器产生的周期为T0的脉冲，亦称填充脉冲。假设计数器计得的数为Nx，被测周期为Tx，若未经分频直接用Tx开启控制门，则进入计数器的脉冲个数为 即 （2-4）,式中，f 0为标准频率。所以计数器的读数和被测量的周期成正比。 若改变填充脉冲的频率f 0，可以改变
8、被测周期的测量范围。当被测周期较小时，为了增加读数位数，提高测量准确度，可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样也可以扩展测量周期的上限值。,（3）用计数器测量时间间隔,测量两个脉冲之间的时间间隔的电路框图如图2-4所示。 被测的两个脉冲分别送入A、B两个通道。A通道的信号经放大、整形后去打开计数门；而B通道的信号经放大、整形后关闭计数门。这样，控制门开启的时间即为两脉冲的时间间隔T0。开门时间内计数器计得的标准脉冲个数可以度量时间间隔。即 式中，T0为标准脉冲的周期。,图2-4 测量时间间隔的电路框图,（4）用计数器测量频率比,用计数器可以测量两个信号的频率之比，其框图如图2-5所示。
9、若两个频率分别为f A和f B，且f Af B，则其周期TATB。f A经整形放大后输入至B通道，去控制计数门的开启，f B输入至A通道，经放大整形后作为填充脉冲输入至计数器，计数器的读数为 （2-5） 用这种方法可以方便地测量旋转体地转速比及分频器的频率比。,图2-5 测量频率比的原理框图,2.1.2 相位的数字化测量,1. 相位数字化测量的原理 相位的数字化测量主要采用过零鉴相法，其原理框图如图2-6所示。 图2-6中，具有相位差x的两个同频率正弦信号e1和e2，经过放大、整形后变成方波，其前后沿分别对应正弦波的正向过零点和负向过零点，其波形如图2-7所示。可以用两信号波形过零的时间差表示
10、两信号的相位差。,图2-6 过零鉴相法测量相位的原理框图,设两个同频率信号的周期为T，相位差为x，两信号波形过零点的时间差为Tx，则存在下列关系式 （2-6） 显然，测出T及Tx，即可求出相位差x。,图2-7 过零鉴相法测量相位的波形图,2. 数字化相位计,（1）相位/电压式相位计 相位/电压转换式数字相位计的原理框图如图2-8（a）所示。,图2-8 相位/电压转换式数字相位计,图2-8（a）中，e1和e2为频率相同、相位差为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点的尖脉冲，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
11、T，宽度为Tx的方波，其各点波形如图2-8（b）所示。若方波幅度为Ug，则此方波的平均值即直流分量为 （2-7） 式中，T为被测信号的周期，Tx由两信号的相位差x决定，即 （2-8）,将式（2-8）代入（2-7）可得 若A/D的量化单位取Ug/3600，则A/D转换结果即为x的度数。,（2）相位/时间转换法,将上述相位/电压转换法中鉴相器的时间间隔Tx用计数法对它进行测量，便构成相位/时间转换式相位计，如图2-9所示。它与时间间隔的计数测量原理基本相同，若时标脉冲周期为TC，则在Tx时间内的计数值为,图2-9 相位/时间转换式数字相位计原理图,如果采用十进制计数器计数，而且时标脉冲周期TC与被
12、测信号周期T满足以下关系式 式中，n为正整数。 由上式可知，时标脉冲频率f C与被测信号频率f x的关系为 由于时标频率f C不允许太高，所以计数式相位计只能用于测量低频率信号的相位差，而且要求测量精度越高（即n越大），能测量的频率f x越低。此外，当被测信号频率f x改变时，时标脉冲频率fC也必须相应改变。这些是计数式相位计的缺点。,2.2 电压和电流的测量技术,直流电压的测量技术 2. 交流电压的测量技术,霍尔效应与霍尔元件,1879年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）首先在金属材料中发现霍尔效应。 最先用于磁场测量； 20世纪50年代后，由于微电子技术的发展，开始用半道理材料制成霍尔
13、元件。 霍尔传感器广泛用于电磁测量，压力，加速度，振动等方面的测量。,1）霍尔效应,霍尔效应的实质是磁电转换效应。 如图2-15所示的有限尺寸的霍尔材料中，在y方向加电流I，在z方向加恒定磁场B.,图2-15 霍尔效应,此时，半导体中的载流子（设为电子）将受洛伦兹力F的作用向-x方向运动，使-x平面上堆积了负电荷，+x平面上就有多余的正电荷，从而在半导体内又产生了一个横向电场。这个横向电场的电场力与洛伦兹力的方向正好相反，在这两种力的作用下，使-x平面上堆积的负电荷越来越多，横向电场力就越来越大。由于洛伦兹力F保持不变，当作用在电子上的洛沦兹力和横向电场力相平衡时，电子的运动就会停止。在稳定状
14、态下，半导体片两侧面（x方向）的负电荷和正电荷相对积累，形成电动势，这种现象称为霍尔效应。,由此而产生的电动势称为霍尔电势。霍尔电势VH的大小为： VH=KHIB （2-9） 式中，KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电势差的大小；I为控制电流；B为磁感应强度。 式（2-9）是表示传感器受磁面与所加磁场成直角的情况。如果受磁面与所加磁场夹角为，则式（2-9）为 VH=KHIBsin （2-10）,在工程应用中，控制电流I通常为几毫安到几十毫安；B的单位可为高斯（Gs）或特斯拉（T），1特斯拉（T）104高斯（Gs）；KH通常表示电流为1mA，磁场为1k
15、Gs时的输出电压，单位为mV/(mAkGs)，它与元件材料的性质和几何尺寸有关。,2）霍尔元件材料及特点,霍尔元件常用材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铅（InAs）、砷化镓（GaAs）等。目前常用的有InSb和GaAs两种，其特性如图2-16所示。,由图2-16可见两者都具有良好的线性特性。InSb材料霍尔元件的特点：稳定性好，受漂移电压的影响较小；霍尔电压受温度变化影响较大；频率特性较差。GaAs材料霍尔元件的特点：霍尔电压的温度系数较小；线性好；灵敏度低。,目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。 其中N型锗容易加工制造, 其霍尔系数、 温度性能和
16、线性度都较好。N型硅的线性度最好, 其霍尔系数、 温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感, 尤其在低温范围内温度系数大, 但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温度系数也较小, 输出特性线性度好。,3）霍尔元件外形及符号,霍尔元件的外形如图2-17（a）所示，由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔元件的结构如图2-17（b）所示，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面上焊接有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线；在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊接有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。图2-17（c）为霍尔元件符号。 （a）外形 （b）结构
