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1、项目5 频率和相位的测量,任务5.1 频率的基本测量方法 任务5.2 频率表 任务5.3 数字频率计 任务5.4 相位的测量方法 任务5.5 电动系相位表,项目5 频率和相位的测量,【项目目标】 知识目标： 1了解频率和相位测量的意义，弄清频率的模拟测量方法（电桥法、谐振法、频率电压转换法、拍频法、差频法）的工作原理和特点。 2了解时间与频率测量的特点和频率测量的方法，弄清测量时间间隔的工作原理，重点掌握电子计数法测量频率、电子计数法测量周期、中介频率的计算和减少计数器1误差的方法。 3熟悉相位测量的主要方法：指示仪表法、比较法、间接法和数字相位表法等。 技能目标： 1. 会利用频率表和数字频
2、率表测量频率、周期等参数。 2. 会利用电动系相位表测量相位。,任务5.1 频率的基本测量方法,频率的测量方法很多，按测量的原理来区分，可分为谐振式、比较式(如差拍法和李沙育图形法)和计数式三种类型。按选用的电路形式来区分。又可分为模拟式与数字式两类。 5.1.1 谐振法 任何一种无源网络，如果其频率特性存在极值，例如LC谐振回路在频率等于谐振频率时，频率特性有一个峰值；文氏电桥在谐振频率处，输出电压为零，即有一个最小值。这些网络都可用来测量频率，因为网络是无源的，所以谐振法又称为无源测量法。测量高频信号一般使用LC谐振回路，而RC选频网络则可用来测量低频信号频率。,返回,下一页,任务5.1
3、频率的基本测量方法,文氏电桥测频率原理如图5.1.1所示，调节 值使电流表G指示为零，电桥平衡时可以证明 如果令图中 ，则合并上式中的实部与虚部，并使其分别相等，可得,返回,上一页,下一页,任务5.1 频率的基本测量方法,上式表明，由电桥平衡时的RC值，可以求得被测频率值。实际运用时，如果保持C不变，可变电阻即可按频率刻度。但这种方法只适合于测量低频，因为RC值太小，寄生参量的影响就比较严重。 图5.1.2是LC谐振回路测频率的原理图，被测频率通过互感线圈与一个谐振回路耦合，调节回路的可变电容C，则回路中的电流I和电容器端电压Uc就会发生变化，当回路谐振时，即 时，电流I和电容器端电压Uc到达
4、最大值，因此可以根据谐振时的LC值，求得被测频率 。,返回,上一页,下一页,5.1.2 比较法,比较法是利用被测频率源与标准频率源比较来测量频率的方法，其测量精度主要取决于标准频率源的精确度，所以要求标准频率源的精度，最好高于被测频率源的精度个数量级。 5.1.2.1 差拍比较法 差拍比较法的测量原理如图5.1.3所示，将被测频率为 的信号源，与已知频率为 的信号源串接，合成电压将成为一个幅度波动的差拍电压，差拍频率为两信号频率之差，即,返回,上一页,下一页,5.1.2.1 差拍比较法,如果调节已知标准频率 值 ，使之等于 ，则合成后的差拍电压为零，也就是合成后电压幅度恒定不变(特殊情况下，如
5、果相位刚好相反， 的幅度与 的幅度相等，则合成后电压为零)。检查差拍电压是否为零可以用示波器，也可以用耳机。当差拍电压为零时，表示电路中的 ，可以从人值求得 值。,返回,上一页,下一页,5.1.2.2 混频比较法,混频法测频率则利用混频器，将已知标准频率 与被测频率 同时输入混频器，通过混频，可得到一个频率为 的电压，且 如果能测得混频器输出的频率为零，则说明 ，这样就可以根据 值求出 值。混频器输出频率值可以用频率计测量，当然也可以用耳机，不过耳机一般无法听到5Hz以下的声音，所以测量可能有5Hz左右的误差。,返回,上一页,5.1.2.2 混频比较法,差拍法和混频法是两种不同的方法，不要混为
6、一谈。差拍法并不产生一种新的频率信号，其合成电压仍含有两个频率，只是合成电压幅度在变化，当然也可能幅度为零。混频法通过混频器产生出一个新的频率的电压，混频后电压始终是一个等幅波，频率等于 ， 与 之差不同时，输出频率也随之变化，所以混频法又称为外差法。,返回,下一页,5.1.2.3 示波器李沙育图形法,利用电子示波器进行频率比较是非常方便的，具体方法有多种，其中应用最广的是李沙育图形法。关于李沙育图形法可以参阅项目6。 利用李沙育图形法测量频率时，只要频率变化几分之一赫，显示的李沙育图形就会转动，分辨率很高。因而对被测频率和标准频率的绝对稳定度要求较高。由于一般的高频信号源达不到这样高的绝对稳
7、定度，所以这种方法一般只用来测量低频信号频率。,返回,上一页,下一页,5.1.2.4 电子计数测频法,由于数字集成电路的飞速发展和普及，电子计数器具有测频精确度高，使用方便，测量速度快，容易实现自动化等优点，所以，它已成为现代频率测量的重要手段，在频率工程测量中用得更加普遍。测量原理及方法参阅任务5.3。,返回,上一页,下一页,任务5.2 频率表,我国电力系统的额定频率为50Hz，一般就将50Hz范围的频率称为工频。测量工频的指示仪表有两类：电动系频率表和变换式频率表。 5.2.1电动系频率表 电动系频率表是用于测量电网频率的直读式仪表，由于它结构简单，测量结果可靠，使用方便，价格便宜，所以应
8、用比较普遍。,返回,上一页,下一页,5.2.1.1 结构,为了避免电压波动对频率读数的影响，电动系频率表大多采用比率表型的结构，测量机构如图5.2.1所示，测量电路如图5.2.2所示。 图中固定线圈A在结构上分成两段，以便获得较均匀的磁场。可动线圈有两个，彼此在空间错开90，可动部分不装游丝。利用固定线圈A与可动线圈B1之间的电动力矩作为转动力矩；用固定线圈A与可动线圈B2之间的电磁力矩作为反作用力矩。因此在通电前既无作用力矩又无反作用力矩，可动线圈呈随遇平衡状态。,返回,上一页,下一页,5.2.1.2 工作原理,设通过固定线圈A的电流为I，通过可动线圈B1，B2的电流分别为 。给定的电流参考
9、方向如图5.2.1的标注。因此两个线圈通电后所产生的电磁力Fl，F2的给定方向如图中箭头所示，力F1，F2对可动线圈平面的垂直分量分别为 式中 为可动线圈B1与轴线间的夹角。,返回,上一页,下一页,5.2.1.2 工作原理,若线圈分别通以交流电 , 按电动系仪表工作原理设 为常数，可得可动线圈Bl，B2所受的瞬时力矩分别为 可动线圈所受的平均力矩分别为,返回,上一页,下一页,5.2.1.2 工作原理,由图5.2.3可知，电源电压 与固定线圈支路的电流 之间的相位差为 ， 与图5.2.2电路中的RLC有关。在忽略线圈B1的阻抗后，可认为B1支路为纯电容电路，电流 超前 为90，可得 为线圈B2支
10、路的电流，在忽略线圈B2和A的感抗成分之后，可近似认为 与 同相，即,返回,上一页,5.2.1.2 工作原理,将式(5-)代入式(5-)和式(5-)，可以得到,返回,下一页,5.2.1.2 工作原理,从图5.2.1给定的电流参考方向可知，可动线圈B1产生的力矩Ml与可动线圈B2产生的力矩M2其正方向刚好相反，所以当Ml = M2，时，可动部分处于平衡状态，可推出平衡条件为 设可动线圈B1，B2的结构、尺寸、匝数均相同，可近似认为k1 = k2，代入上式得,返回,上一页,下一页,5.2.1.2 工作原理,上式表明，当测量电路参数一定时，可动线圈B1与固定线圈轴线间夹角，即偏离中央位置的偏转角是被
11、测频率 的函数，如果仪表的指针装在B1线圈上，角 就是指针与标尺中心的夹角，从式可知，指针偏离标尺中心夹角 与被测频率 有关。 设被测频率 ( 即测量电路的谐振频率)， 代入(5-1-12)可求得 ，也就是说 时指针停在标尺中心即固定线圈A的轴线位置。,返回,上一页,下一页,5.2.1.2 工作原理,若被测频率 ， ， 角为负，即指针从标尺中心沿顺时针方向偏转(按图5.2.1轴线偏右为负角)。 若被测频率 ， ， 角为正，即指针从标尺中心沿逆时针方向偏转(按图5.2.1轴线偏左方向为正角)。,返回,上一页,下一页,5.2.2 变换式频率表,变换式频率表由磁电系测量机构和变换电路组成，变换电路将
12、被测频率转换为一定大小的直流电流，然后通过磁电系测量机构进行测量，由于磁电系仪表结构简单，灵敏度高，精确度高，而变换电路并不十分复杂，因此这种频率表广泛应用于安装式仪表中。 将频率变换为直流电流的方法很多，比较常用的是微分型变换电路，图5.2.4是它的电原理图，整个变换电路由方波形成、微分、整流、指示和偏置等五个环节组成。,返回,上一页,下一页,5.2.2 变换式频率表,图中VDl和VD2稳压管组成方波形成环节，被测电压经稳压管双向限幅后转换成同频率的方波，方波经C。微分后转换为同频率的尖脉冲，如果电路中C。值和指示电表内阻R满足条件 (T为被测电压的周期)，则C。充电时间就十分短，形成的尖脉
13、冲波形就基本相同，若用 表示充电电流，则脉冲波形可用下式表示 式中U为经整形稳压管后的方波峰值，2U为方波的峰峰值。,返回,上一页,下一页,5.2.2 变换式频率表,VD3，VD4，Cl组成整流滤波环节，微分后得到的正向尖脉冲将通过指示电表，由于磁电系仪表的偏转角正比于通过它的电流平均值，故可以将式(5-2-13)积分并求出正向脉冲电流平均值，即 由于电路中 ，故上式可化简为 （52） 式中， 为被测频率值。 由上式可知，被测频率越高，转换的尖脉冲个数就越多，脉冲电流平均值就越大，这样就可以用磁电系电表直接读出被测频率值。,返回,上一页,下一页,5.2.2 变换式频率表,电路中的VD5，C2，
14、Rl，R2作为偏置电路，偏置的目的是为了调节机械零点的频率值。因为一般工频频率表所测量的频率范围并不要求从0开始，例如45Hz55Hz，900Hz 1000Hz等等。偏置电路可以通过调节R1，改变机械零点的频率读数，因为方波电压通过微分得到的电流 方向是从上到下，而经过Rl，R2，VD5的电流 方向是从下到上，如果调节 平均值使之等于45Hz时尖脉冲电流 的平均值，这时机械零点灯频率值就等于45Hz。 现在已开始大量使用数字频率计。但在监测配电盘仪表时，数字仪表不如模拟指示仪表那样便于远处观察，所以也有的配电盘频率表采用数字电路指针显示的所谓准模拟方式。,返回,上一页,下一页,任务5.3 数字
15、频率计,数字式频率计，它是利用电子学的方法，测出一定时间内输入脉冲的数目，并将结果以数字形式显示出来。数字式频率计一般都具有测量频率、周期、频率比，时间间隔以及累计输入脉冲个数(计数)等一机多用的功能，故也称“通用计数器”或“电子计数器”。它的优点很多，如测量精度高、速度快、操作简便、直接数字显示、易于实现自动化等。,返回,上一页,5.3.1数字式频率计的测频原理,数字式频率计的原理方框图如图5.3.1所示，频率为 的被测信号由脉冲形成电路转变成幅度恒定的矩形窄脉冲，其重复频率等于被测频率 然后加到闸门(这里是与门)的输入端A，在闸门的另一输入端B加有时间宽度为T的门控信号来控制闸门的开、闭时间。由逻辑门电路的功能可知，只有在时间T内被测信号才能通过闸门，并输出N个脉冲，到脉冲计数器进行计数。根据频率的定义可知：,5.3.1数字式频率计的测频原理,门控信号的作用时间T必须是非常准确的，以它作为时间基准(时基)，由时基信号发生器提供。时基信号发生器由一个高稳定的石英振荡器和一系列数字分频器组成，由它输出的标准时间脉冲(时标)形成门控信号去
