电气测量-4 第四章 数字化测量技术

第四章 数字化测量技术,本章主要介绍关于数字化测量技术的内容，着重介绍几类数字式仪表的基本原理。参考资料：申忠如等，电气测量技术，科学出版社蒋焕文等，电子测量，中国计量出版社,主要内容,第一节 概述第二节 传感器及其数字化第三节 数模转换与模数转换第四节 V/F与F/V转换第五节 数字式计数器第六节 数字式电压表第七节 数字式万用表第八节 数字式功率表第九节 数字式相位表,第一节 概述,主要内容：一、数字化测量技术及数字式仪表二、数字仪表的特点三、数字化测量技术的理论基础四、数字化测量技术的应用,一、数字化测量技术及数字式仪表,1、数字化测量技术(1)数字化测量技术的基本内容是将连续的被测物理量先转化为相应的量子化了的断续量，然后以数字编码，进而传输、存贮、进行数据处理、显示或打印。(2)原则上说，对各种物理量都存在这种处理的可能性。但是，最方便的还是电量，特别是直流电压和频率更易于数字化。(3)其它物理量可通过各种传感器或转换器变成直流电压或频率后，再对它进行数字化测量。,2、数字式仪表(1)定义：所谓数字式仪表，就是采用相应的数字测量技术，能够自动地将被测量的数值直接以数字形式指示出来(也包括记录或控制)的仪表。(2)数字式仪表的发展第一台数字式电压表出现于50年代初。由于电子计算机的应用并逐渐推广到系统的自动控制及实验研究领域，提出了将各种被观测量或被控制量转换成数码的要求，以满足实时控制及数据处理的需要；计算机的发展带动了电子技术的进步，为数字式仪表的出现提供了条件。数字式仪表的产生和发展与计算机的发展密切相关。,(3)数字式仪表与指针式仪表的比较无论是在测量方法、原理、结构或操作方法上，数字式仪表都完全不同于指针式仪表指针式仪表可以自动地给出测量结果，但测量结果是从指针相对于刻度盘的位置读出来的，并非数字量，而电桥、电位差计虽然是数字指示，但其测量过程必须有人参加平衡调节，并非自动进行。数字式仪表能够自动地将被测量的数值直接以数字形式指示出来。,二、数字仪表的特点,1、准确度高。如数字电压表测量直流的准确度可达满度的0.001%以上。2、输入阻抗高。因此，吸收被测量功率很少。如在现代的数字电压表中，基本量限的输入阻抗高达25000 M。3、测量结果直接以数字形式给出，读数方便，没有读数误差。4、测量速度快。数字电压表的测量速度每秒种可达几万到几十万次。5、灵敏度高。现代积分式数字电压表分辨率可达0.01V。6、操作简单，测量过程自动化，可以自动地判断极性、切换量程。目前，带有微处理器的数字仪表有自动校零、校准精度、补偿非线性和提供自动打印及数码输出等功能7、可以方便地与计算机配合。数字仪表可以把测量结果编码输出给计算机，以便进一步计算和控制。8、数字式仪表目前主要缺点：结构复杂、成本高、线路复杂、维修困难。,三、数字化测量技术的理论基础,1、连续量与离散量(1)连续量在时段T的无穷多个时刻上有无穷多个值，且所有值不超出某已知范围的量，亦即在时间上及幅值上均连续、无间断点的量。(2)离散量在时间上离散而幅值上连续的量(离散模拟量)或在时间上和幅值上均离散的量(数字量)。(3)离散化对于变量X(t)，在相隔T的若干有限时刻上测量，可得到相应各时刻的X1、X2、X3Xn，构成在时间上不连续的离散模拟量序列，可用于代替X(t)，称为离散化过程，时间间隔称为“步距”。,(4)图形表示,(5)量化如果对变量X(t)的观测虽然在时间上是连续的，测量结果却呈阶梯性变化，将连续量转化为幅值按级距X增减变化的量的过程称为量化。,(6)数字化将连续量经离散化和量化过程转换为数字量的过程称为数字化。(7)数字化测量技术的基础把连续量数字化。(8)模拟显示和数字显示：测量结果的模拟表示法是使测量结果与被测量之间保持连续的函数关系，例如指针式仪表的刻度尺长度与被测量之间就是这种关系。测量结果的数字化显示是把数字化的模拟量以数字量的形式显示出来。,四、数字化测量技术的应用,(一)动态测量1、定义：如果被测量是恒定的或者是变化非常缓慢的量，只测量一次就可以得到测量结果；如果被测量作较快的变化，就需要增加测量次数，用一组测量结果来反映被测量的数量和变化情况，这就是动态测量。(2) 基本的动态测量方法周期扫描法、跟踪测量法及采样保持法。,(二)周期扫描法1、工作原理,2、工作原理分析线性扫描信号S(t)的扫描周期为T。上升到最高点即自动返零，然后再开始一次新的扫描。每当S(t)上升到与被测量X(t)相等时，将生成一个复合信号(Ti,Xi)。Ti表示从每次扫描开始到对应点的时间，Xi表示相对应的被测量的瞬时值。根据三角形相似若k已知，可直接计算时刻Ti的测量值Xi。周期扫描的主要缺点由于锯齿波的扫描周期不可能无限短，单位时间内可测定点数不多，因此不能用于测量快速变化的被测量。,(三)跟踪测量法1、工作原理,2、工作原理分析(1)数字信号源输出跟踪信号S(t)。(2)对于快速变化的被测量X(t)，跟踪信号S(t)始终跟踪X(t)变化，跟踪的差距不超过一个级距。(3)以数码形式记录S(t)的两个参数，即幅值Xi和瞬时时间Ti，重新转化为模拟量时，就可以复现被测量X(t)。(4)跟踪测量法的特点：跟踪测量法可以测量快速变化的被测量。每一次跟踪只需要改变一个级距，跟踪过程相当于不断地进行测量，所以获得的信息要比周期扫描法多。逻辑控制比较复杂，且只适用于单个的被测量。若有多个被测量需要同时跟踪时，必须有多个测量设备同时工作。,(四)采样保持法1、工作原理2、工作原理分析采样保持法是对动态信号按一定的时间进行采样，将所得的瞬时值保存在若干个记忆单元中，然后再依次对记忆元件进行数字化测量。,第二节 传感器及其数字化,主要内容：一、传感器二、传感器的应用三、传感器数字化,一、传感器,1、传感器的定义(1)定义：国标(GB766587)定义传感器为：能够感受规定的被测量并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或装置，即是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。(2)含义：传感器是一种装置，能完成检测任务。它的输出量是与某一被测量有对应关系的量，且具有一定的精度。量包括物理量、光、电气、化学量、生物量等。,2、传感器的组成(1)敏感元件：传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分。 (2)转换元件：传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。 (3)转换电路：把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。,3、气体压力传感器(1)敏感元件(气膜盒)：被测压力P的变化引起气膜盒上半部移动，产生输出位移量。(2)转换元件(磁芯与电感线圈)：磁芯位移引起电感量的变化。(3)转换电路：磁芯的变化引起转换电路输出变化。,4、传感器的一般特性(1)线性度(产生系统误差)以及线性化处理。(2)迟滞(产生系统误差)。(3)重复性(产生随机误差)。(4)灵敏度与灵敏度误差。(5)分辨力与阈值：分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值(死区)。 (6)分辨率：当用满量程的百分数表示分辨力时称为分辨率。(7)稳定性：温度稳定性、抗干扰稳定性、时间稳定性。实际上是不稳定性。(8)静态误差(精度)。(9)动态特性。,二、传感器的应用,1、传感器的分类(1)按传感器的工作原理：物理型、化学型、生物型。(2)按传感器的构成原理：结构型(定理、数学公式)、物性型(与材料有关)、复合型。结构型：利用物理学的定律等构成，与材料无关。其结构的几何尺寸(如厚度、角度、位置等)在被测量作用下会发生变化，从而获得与被测非电量具有确定关系的电信号。 物性型：利用物质的某些客观属性构成，与构成材料密切相关。其构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量、并可将其转换成电信号。 复合型：将转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器。即将不能直接转换成电信号的非电量，变换成可直接利用某些敏感材料的物质特性转换成电信号的量(如应变、光、磁、热、水分和某些气体)，再利用相应物性型敏感元件转换成电信号。,(3)按能量转换：能量控制型(包括外加电源、应变电阻、热阻、光阻)；能量转换型(包括压电效应、热电效应、光电效应)。(4)按物理形式分类：电参量：电阻式、电感式、电容式磁电式：磁电感、霍尔、磁栅。压电式光电式气电式热电式波式：超声波、微波。射线式。半导体式。(5)按用途分类：位移、压力、温度、振动、电流、电压、功率等。,2、传感器的应用(1)在测量系统中的应用基本的电子测量系统由传感器、信号调节、显示系统和电源四个部分组成。(2)在控制系统中的应用。,(3)传感器的应用领域传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一。传感器是航空、航天和航海不可缺少的器件。传感器是机器人的重要组成部件。在生物医学、医疗器械领域具有重要作用。日常生活中具有重要作用。,三、传感器数字化,(一)意义1、传统传感器传统传感器为模拟式，将物理量(位移、温度、压力等)转换成具有确定关系的电量(如电压或电流)。或者说用这些电量来模拟被测量作为输出。如要与微机或各种数字化仪器相联，需通过模数转换器把模拟量转换成数字信息。模拟量(电压、电流)易受电磁场的干扰，不利于直接远距离传输；半导体器件本身存在非线性失真和随机噪声；模拟电路的电子元器件受温度的影响而造成参数和特性的变化，从而不可避免地会产生信号的失真和信噪比劣化。传感器常常必须工作在恶劣的环境下，信号十分微弱，特别在要求高可靠性的场合，模拟传感器难以为力。,2、数字传感器数字传感器是将待测量(位移、温度、压力、应力)直接转换成数字量或准数字量。其信号原则上不受放大器和信号处理系统温度漂移影响，具有极高的抗干扰能力，适用于远距离传输；同时数字传感器又有很高的精度与稳定性，功耗小、成本低；可以与数字设备(计算机，计数器，数字显示系统等)直接相联，用微控制器或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。3、二者比较 很明显，在自动检测和自动控制领域，数字传感器具有巨大的优势。,(二)数字传感器的特点具有高抗干扰能力和高信噪比，有利于在恶劣环境下使用。常能免于噪声和外来信号的干扰。数据可以高速远距离传输，而不会引入动态滞后。能同时做到高测量精度和大范量范围。能与计算机直接接口。可以进行大量数据的高速处理。响应速度受各种因素的制约。在某些要求高速响应的测控系统中，有时可能会成为问题。但在自动控制系统中，当传感器用于信号检测和反馈，去控制数字执行器时，数字传感器就可同时达到很大的控制精度和响应速度。数字传感器与数字执行器配合使用，适合于重复性工作。数字传感器很容易和其它各种数字电路接口。,(三)数字传感器类型1、直接数字式传感器直接数字式传感器是指它的输出为二元形式(0-1)的信号，它包括各种编码器(直接编码器、光栅、磁栅、感应同步器、CCD或类似的光敏器件以及触发器式的传感器)。2、准数字式传感器准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。它们输出信号可以为频率脉冲个数、相位或脉冲宽度。包括机械式的(振弦、振杆、振膜、振筒、振壳等)、声学的、光学的(包括激光器)以及电学的(各种L、C、R组合形成的振荡器)。,第三节 数模转换与模数转换,主要内容：一、概述二、数模转换DAC三、模数转换ADC,一、概述,1、为了实现数字化测量，及构造数字化传感器，构造计算机控制系统，首先要把模拟量转化为数字量。把模拟量转化为数字量的部件或环节称为“模-数转换器”，或“AD转换器”。2、有些情况下，还需要把数字量转化为模拟量以完成某些控制或调节任务。把数字量转化为模拟量的部件或环节称为“数-模转换器”，也称为“ DA转换器”。3、AD和DA转换器是数字化测量技术和计算机控制系统的重要环节。,二、数模转换DAC,(一)数模转换器的作用(1) 用于重建以数字形式加工、存贮或传送的信号。将某种形式的数字量转换为模拟电压、电流或增益。(2) 常用于微型计算机的模拟输入、输出系统，为微型机系统的数字信号和模拟连续信号之间提供接口。(3)作为各种数控图形发生器(示波器、xy绘图仪等)的驱动源。(4)常用作各种模拟执行元件(伺服电机、模拟电表、可编程电源用于锁相环路的电压频率转换器等)的驱动源。(5)在使用微处理器进行增益控制、信号衰减、乘法运算等方面也广泛使用。(6) 作为许多AD转换器的重要部件。,(二)结构框图及特点1、结构框图,2、结构特点数-模转换器采用电阻(或电容)网络，借助于一个适当的模拟参考电压，把代表某量的数字码转换成对应的模拟量。绝大多数DAC都为电流输出，有的兼有电流和电压输出。(3)输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的。(4)数字输入方式有并行的，也有串行的。(5)大多数DAC既可对普通二进制数字进行单极性转换，通过改变外部接线又可以对补码、反码、偏移二进制码或符号数字码进行双极性转换。,(三)技术特性1、转换准确度输入端加给定数字代码时所测得的模拟输出值与理想输出值之间的差值。这个静态转换误差是增益误差、零点误差、线性误差的综合。2、分辨率转换器的最低位对应的电压值与满度电压值之比。例如，10位DAC的分辨率为1(210-1)，近似表示为0.001；或用转换器的位数来表示，如12位DAC的分辨率为12位，或近似表示为1212。,3、线性度指转换器实测的输入-输出特性曲线与经过校准的DAC的理想直线的偏离程度。通常用非线性误差来表征转换器的线性度。,4、微分非线性表示在输入数码整个范围内，相邻各数字代码之间引起的模拟跃变值的差异。若相邻跃变值相等，都为最低位的等效值，则微分非线性为零；若相邻跃变值间的差异超过最低一位的等效值(即量距电压)，则将引起微分非线性误差5、稳定时间(建立时间)输入数字代码产生满度变化时，其模拟输出达到稳态值LSB(最低有效位)所需的时间。6、温度系数在规定的范围内，以温度每升高一度引起输出模拟电压变化的百分数定义。温度系数包括增益温度系数和零点温度系数，按整个温度范围内的平均偏差定义。,(四)T型电阻网络DAC1、结构：常用T型电阻网络DAC由T型R-2R电阻网络、模拟切换开关、基准源和运算放大器等组成，构成电流求和电路，由被转换的二进制数码控制。当二进制数码某位di=1时，相应开关与基准源VR接通；di=0时，相应开关接地。,2、工作原理(3位DAC，D=d2d1d0=d222+d121+d020)(1)节点等效电阻a,b,c向左的等效电阻为2R；a,b,c向右的等效电阻为2R；Ka,Kb,Kc向下等效电阻为2R+2R|2R=3R；(2)节点电流当开关Ka,Kb,Kc连通VR时，均产生电流I=VR/3R,(3)相加点的电流Ka连通VR(I在a点分流)：Kb连通VR(I在b点和a点分流)：Kc连通VR(I在c点、b点和a点分流)：对n位DAC：(4)输出电压：,(五)权电阻型DAC1、结构：由权电阻网络、模拟切换开关、基准电源和运算放大器组成，构成电压求和电路。,2、工作原理(1)模拟开关由输入数码控制。若di1，则相应开关接基准电源VR，该支路电流为IiVR(23-iR)，若di0，开关接地，该支路电流为零。(2)流向放大器点的电流总和：(3)n位DAC：(4)输出电压：,(六)集成DAC及其应用1、按结构类型分类：(1)组件型器件：由分立元件或集成电路组件构成。(2)混合集成型器件：把分立的晶体管管芯或集成组件的基本功能单元粘附在绝缘衬底上，再通过薄膜或厚膜技术在同一绝缘衬底上制作电阻、电容和金属连线，构成具有完整功能的数模转换器件。(3) 单片集成型器件：按集成工艺又分双极型、MOS型和双极与MOS相容型。2、其它分类(1)输出形式电流输出型：DAC0832,AD7522电压输出型：AD558,AD7224(2)极性单极性电压输出、双极性电压输出(3)位数8位、10位、12位等(4)特殊用途双DAC(MP-10,AD7528)；四DAC(AD7525)。,三、模数转换ADC,(一)ADC的作用及类型1、作用模数转换器是将模拟量转换为数字量的装置，这个转换过程称为编码。2、基本转换方式直接转换：把电压直接转换为数字量；间接转换：先把电压转换成某一中间量(例如时间间隔、频率)，然后再由中间量转换成数字量。3、基本分类根据输出与输入量的关系，ADC可分成两种类型：非积分式：ADC的输出反映模拟输入量的瞬时值，如逐次逼近式ADC、斜波比较式ADC等；积分式：ADC的输出反映模拟输入量在转换期间的平均值，如双积分式ADC、VF型ADC等。,4、常见ADC类型,5、性能比较(1)非积分式：在对输入信号的瞬时值进行变换时，周期性干扰信号也与输入信号一起被转换后输出，产生误差。(2)积分式：如果AD转换器的转换时间为周期性干扰信号周期的整数倍，则干扰被平均消除，输出不受干扰。,(二)主要技术特性1、静态特性参数(1)绝对准确度和绝对误差在输入相同信号Vi的条件下，用实际AD转换器输出与理想数学模型输出的接近程度表征ADC的绝对准确度，也可以用它们之间的差值表征其绝对误差。(2)数字误差实际AD转换器和理想数学模型(模拟部分与实际转换器同样地受到各种约束，只有数字部分是理想的)都接入同一输入信号Vi时，两者输出数码值的差异。主要表现为量化误差，一般为分度值(最低有效位LSB)的二分之一。,(3)模拟误差实际ADC与理想数学模型(只有模拟部分是理想的，而其数字部分则和实际转换器一样受到各种约束)两者都接入同一Vi时，两者输出数码值的差异。偏移误差(零点误差)实际ADC在零输入时的输出数码值。,增益误差当偏移误差为零时，实际ADC的输入-输出特性曲线与理想曲线之间的差，在数值上以满度时的偏差表示。非线性误差实际ADC输入-输出特性曲线与理想直线之间的偏差。,2、动态特性参数ADC的动态特性主要由转换时间和转换速率两个相关的技术指标来描述。(1)转换时间完成一次转换所需要的时间，它是从对输入信号采样瞬时开始，直到获得有效的数字输出代码为止的时间。(2)转换速率单位时间内完成转换的次数，以s-1为单位。在分时系统中，转换速率的倒数必须大于转换时间，转换装置才能正常工作，因为转换速率不仅与ADC转换时间有关，而且还与其恢复时间(ADC相邻的两次转换之间的休止时间)有关。,(三)逐次逼近式AD转换器1、基本结构及原理以DAC为主，加上比较器、控制逻辑及时钟等，利用一种“二进制搜索”技术来确定对检测电压Vx的最佳近似值。,2、工作过程(1)由高到低逐位改变逐次逼近寄存器的值，并将DAC输出电压与输入电压比较，根据“小者留，大者弃”的原则，最终确定各位的数码值。(2)令dn-1=1,dn-2=dn-3=d1=d0=0若VcVx，说明转换结果偏小，则保留dn-1=1；若VcVx，说明转换结果偏大，则置dn-1=0；(3)令dn-2=1,dn-3=dn-4=d1=d0=0若VcVx，说明转换结果偏小，则保留dn-2=1；若VcVx，说明转换结果偏大，则置dn-2=0；(4)重复上述过程，直至d0转换结束。(5)D=dn-1dn-2dn-3d1d03、常见型号：8位的ADC 0801、ADC 0804、ADC 0808、ADC0808、ADC0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD 579；12位的AD574、AD578、AD7582等,(四)斜坡比较式ADC1、基本结构,2、工作原理斜坡型ADC也称时间编码式ADC，将被测电压Vx与一个与时间成比例的斜坡电压相比较，从而把被测电压变换成与之成正比的时间间隔，即先完成V-T变换，再用计数器测量出这段时间间隔，确定出相应的被测电压值。,3、工作过程(1)开始测量时，主控脉冲发生器首先发出回零脉冲使计数器置零，且主控脉冲经过延迟环节，延迟t时间后，触发斜坡电压发生器输出线性斜坡电压Vk，可以从负到正变化，也可以相反。(2)斜坡电压Vk送往信号比较器和零比较器。当输入电压Vx在t1时刻和斜坡电压大小相等、极性相反时，信号比较器输出正开门信号，使闸门打开，计数器开始计数。(3)经过一段时间到tt2时，斜坡电压为零，则零比较器输出变化，使闸门关闭，计数器停止工作。(4)闸门开门到关闭这段时间与被测电压Vx成正比，对这段时间数字编码，得到被测电压的数值。,(五)积分式ADC1、V-F变换型AD转换器(1)工作原理这类转换器是一种间接型AD转换器，将被测直流电压模拟量Vx变换成与其成正比的脉肿序列，然后在一段精确的时间(采样时间)内，用计数器累计所产生的脉冲数，实现AD变换。这种转换技术测到的数值是在选定时间间隔内的电压平均值，因此，不使用滤波器就具有较高的抗干扰能力。,(2)定时间复原型V-F转换,工作过程：当输入端加入正的被测电压Vx时，A点电压将正比于时间往负方向变化，当达到比较器下限电平V2时比较器动作，启动复原电压发生器，使其输出端B点输出绝对值远大于Vx的负向电压Vo。Vo通过二极管D加到积分器相加点，积分器输入端有两个信号，但是由于|Vo|Vx|，且Vo0，A点开始向正向变化。当A点电压达到比较器的上限比较电平V1时，比较器再次动作，切断复原电压Vo。积分器的输入端又只有Vx，并在Vx作用下A点电位再次往负方向变化，开始第二个周期。不断重复上述过程，在积分器A点的电压将是振幅为V的锯齿波。,锯齿波频率F设对Vx的积分时间为T1，对Vx-Vo的积分时间为T2，T2|Ii|，且两者极性相反，则开关S闭合期间积分器输出V01回扫。经过Tk时间，开关S断开，积分器又在Ii作用下重新输出负斜波。上述过程周而复始，于是在比较器输出端可以得到一列负脉冲。,负脉冲V02 的频率f设Ii单独作用的时间为Tx，在此期间注入积分器的电荷为1，Ii和Ij共同作用的时间为Tk，它们注入相加点的电荷为2 ，可以列出下面两个方程：,2、双积分V-T型A/D转换器(1)基本结构及原理先对被测电压Vx做定时积分，再用同一个积分器对相反极性的基准电压Vk进行反向定值积分，直到积分器的输出返回零。反向积分的时间间隔与被测电压Vx成正比。利用电子计数器对此时间间隔进行数字编码，便可得出被测直流电压Vx的数字值。,(2)工作过程预备阶段t0时刻发出控制信号，计数器复位。采样阶段从t1开始，对电子开关切换到积分器输入端的被测电压进行定时积分。同时发出门控信号打开闸门，使计数器从零开始对时钟脉冲信号计数。当计数器到满量程时，经历的时间T1t2-t1是常数。计数器发出进位脉冲，恢复到零状态。进位脉冲使控制逻辑电路将电子开关接向基准电压Vk。比较测量阶段基准电压Vk接入积分器后，积分器在前一阶段积分电压基础上进行反向积分，输出电压由Vo随时间直线下降。计数器同时开始从零对时标信号计数。当积分器输出电压为零时，零电平比较器动作，使控制逻辑电路输出的门控信号复原，计数器停止，计数结果即电压Vx的数字值，也表示被测电压Vx在T1内的平均值的数字值。,(3)结果分析在T1阶段：在T2阶段：计数器的最终计数值N2正比于Vx的平均值。,第四节 V/F与F/V转换,主要内容:一、概述二、V/F变换器三、F/V变换器,一、概述,1、功能V/F变换器将输入信号的电压幅值参数转换成与之成固定关系的频率参数，易于远距离无扰传输；F/V变换器将输入信号的频率参数转换成与之成固定关系的电压幅值参数。2、类型(1)按结构划分：模块式结构高精度，变换不可逆；单片集成式体积小，变换可逆；(2)按工作原理：单片集成V/F变换器：超宽扫描多谐振荡器式，如AD537；电荷平衡振荡器式(定电荷复原型V-F转换器)，如VFC32；单片集成F/V变换器：脉冲积分式；锁相环式。,二、V/F变换器5GVFC32V,1、工作原理图及引线图,2、典型用法(1)正电压输入VF变换器,(2)负电压输入VF变换器,(3)双极性输入VF变换器,(4)电路元件值选择原则,三、F/V变换器,1、工作原理图,2、工作过程当输入为一定频率的脉冲信号时，经微分送到比较器进行比较，使比较器输出状态翻转。单稳进入工作期，并输出一脉冲驱动电子开关闭合，1mA恒流源流过放大器(A)的反馈支路。由于反馈支路接有滤波电容C2，所以输出V0为脉动直流电压，该电压的大小正比于输入信号的频率fi。,第五节 数字式计数器,主要内容：一、电子计数器的基本结构二、电子计数器测量频率三、电子计数器测量周期四、电子计数器测量时间间隔五、电子计数器测量频率比六、电子计数器功能扩展七、电子计数器测量误差分析,一、电子计数器的基本结构,1、电子计数器的方框图用于测量频率的电子计数器由五大部分组成。五大部分的不同组合可以完成不同的测量任务。,2、电子计数器各部分的功能(1)整形、放大部分：把各种不同波形和幅值的被测信号转换成波形标准的信号。该信号的频率与被测信号相同，其幅值和前沿足以满足后续电路的要求。为了完成不同的测量任务，在一台电子计数器中可能有两套完全相同的整形、放大部分，通常称为A通道和B通道。(2)石英晶体振荡器：输出标准频率。如12MHz。(3)分频器：对标准频率信号分频，得到周期已知的系列标准信号，用作计数器的标准计数脉冲，或用作标准时间(时基信号)，用于控制计数器的门电路。(4)控制门：控制进入计数器中的被测脉冲的个数。(5)计数器：在控制门打开期间，记录下被测量的脉冲数，并以数字形式显示出来。,二、电子计数器测量频率,1、测频计数器基本结构及功能测量频率的电子计数器的方框图及各组成部分的功能如前所述。2、工作过程：(1)被测信号(周期为Tx)经放大整形电路处理后所得标准信号(周期为Tx)送入控制门。(2)石英晶体振荡器产生的标准频率信号经过分频器分频后产生时间长度已知(Td=nT0)的时基信号。(3)在门控信号作用下，控制门打开，标准信号通过控制门到达计数器，形成信号序列。(4)计数器对信号序列进行计数并显示结果。,3、频率测量结果(1)频率定义：单位时间内信号变化次数。 f=N/T(2)已知条件：设被测信号(标准信号)周期为Tx，频率fx；石英振荡器周期和频率分别为T0和f0；分频器输出信号(门控信号)周期和频率分别为Td和fd。(3)测量结果：在时间Td内，计数器计数值为NX，即被测信号变化NX次 fx=Nx/Td = fd Nx fx=kNx(4)例：Td=1s，Nx=1000，则fx=1000/1=1KHz Td=10s，Nx=1000，则fx=1000/10=0.1KHz则改变分频比n的值，可以改变频率计数器的量程。且适当选择Td，可使计数结果Nx与被测频率fx具有相同数值(不考虑小数点)，可直接显示频率值。,三、电子计数器测量周期,1、测周计数器基本结构及功能(1)基本结构方框图,(2)各部分功能：(i)整形、放大部分：把各种不同波形和幅值的被测信号转换成波形标准的信号。该信号的频率与被测信号相同，其幅值和前沿足以满足后续电路的要求。(ii)石英晶体振荡器：输出标准频率。如12MHz。(iii)分频器：一个分频器对标准频率信号分频，得到周期已知的系列标准信号，用作计数器的标准计数脉冲；一个分频器对放大整形电路的输出信号进行分频，用作标准时间(时基信号)，控制计数器的门电路。(iv)控制门：控制进入计数器中的计数脉冲的个数。(v)计数器：在控制门打开期间，记录下计数脉冲个数，并以数字形式显示出来,2、工作过程被测信号(周期Tx)经过放大、整形、分频(周期nTx)或者不分频(周期Tx)后，形成门控信号，用于开启控制门，晶体振荡器产生的周期为T0的脉冲(也称填充脉冲)通过控制门进入计数器计数。,3、周期测量结果(1)已知条件被测信号周期Tx，门控信号周期为nTx；计数脉冲周期mT0；计数器结果为Nx。(2)测量结果在时间nTx内得到Nx个周期为mT0的计数脉冲nTx = Nx mT0 Tx = (m T0/n)Nx Tx =kNx(3)例：m=1,n=1,T0=10-6s, k=10-6,Nx=1536, Tx=1.536ms m=1000, n=1,T0=10-6s, k=10-3,Nx=1536, Tx=1.536s(4)改变分频比m和n可以改变测周计数器的量程。通过适当选择参数，可使计数结果Nx与被测周期Tx具有相同数值(不考虑小数点)，可直接显示周期值。,四、电子计数器测量时间间隔,1、基本结构,2、工作过程被测脉冲分别送入A和B通道。A通道信号经放大整形后打开控制门，B通道信号经过整形放大后关闭控制门。因此，控制门开门的时间即为两脉冲的间隔时间T。3、测量结果时间间隔T可用标准脉冲周期T0和计数值Nx来度量，其数值为 TNxT0,五、电子计数器测量频率比,1、基本结构,A通道,填充,2、工作过程及结果(1)工作过程：若两个频率分别为fA和fB，且fAfB，则其周期TATB。fA经整形、放大后去控制控制门的开门时间，fB输入A通道，经整形、放大后当作填充脉冲去计数。用此方法可以很方便地测量转动体的转速比以及分频器和倍频器等的频率比。(2)结果：根据计数器测量频率的工作原理有：fA是门控信号频率，fB是计数脉冲频率，fB= fA Nx计数器的读数Nx=fB/fA = TA/TB(3)例： fA=100Hz, fB=10000Hz Nx=fB/fA =10000/100=100,六、电子计数器功能扩展,1、扩展功能图2、扩展内容：(1)高低频扩展(2)灵敏度扩展(3)预置计数器(4)可逆计数器(5)差值计数器(6)计算计数器(7)非电量测量,七、电子计数器测量误差分析,1、计数器测量频率的误差根据误差传递公式,2、计数器测量周期的误差根据误差传递公式3、结论(1)计数器测频：信号频率fx越高，1误差越小；信号频率过低， 1误差增大，应采用先测量周期再计算频率的方法。(2)计数器测周：增大n或减小m可以降低测量误差。,第六节 数字式电压表,主要内容：一、直流数字电压表二、交流数字电压表三、数字电压表的误差四、数字电压表的输入特性五、数字电压表的抗干扰特性,一、直流数字电压表,1、直流数字电压表是能自动的以数字形式显示测量结果的直流仪表。因为被测量的直流电压是模拟量，数字电压表首光用AD转换器把模拟量转换成数字量，用电子计数器记录并显示出和被测电压成正比的数字量，以被测电压值刻度。2、直流数字电压表由于采用不同的AD转换器而使其工作原理、仪表结构和性能有很大差别。,二、交流数字电压表,(一)交流电压的表征1、峰值VP交流信号波形最高点所对应电压。2、平均值在某段时间(周期)内信号幅值的平均值。3、有效值V在一个周期内，交流电压通过纯电阻负载所产生的热量与一个直流电压在同一个负载产生的热量相等时，该直流电压的幅值。,4、波峰因数与波形因数波峰因数KP：峰值与有效值之比。波形因数KF：有效值与平均值之比。,(二)交流数字电压表基本原理首先通过AC/DC转换器，将交流电压Vx(t)转换成与其峰值、平均值或者有效值成一定关系的直流电压，再利用直流数字电压表测量该直流电压，间接测得交流电压参数。,(三)平均值检波器1、整流（检波）将交流电压半周内的平均值或全周内绝对值的平均值转换成直流电压，称整流或检波。2、平均值电压表：利用平均值检波器将交流电压平均值转换成直流电压后，再利用直流数字电压表测量出该直流电压的大小，就可以间接地测量出交流电压的大小。3、平均值检波器(1)用二极管接成桥式整流或全波、半波整流电路(2)用运算放大器和二极管组成 “线性检波器”,4、半波线性检波器(1)基本结构(2)工作原理,5、全波线性检波器(1)基本结构(2)工作原理,(四)有效值交直转换器直接测量出任意波形电压有效值的检波器1、类型热电式、模拟运算式、用计算机采样计算等。2、热电式(1)实现原理：根据热电偶产生的热电势与其加热丝中交流电流有效值的平方成正比而实现。(2)热电偶,(3)双热电偶式有效值交直流转换器,3、模拟运算式有效值交直流转换器A1、A2加法器，A3反向器，A4积分器，M乘法器,4、采样计算方式的有效值电压测量(1)理论根据采样定理根据采样定理，对一个具有有限频谱(0f0)的连续函数X进行采样(离散化)，当采样频率fs2f0时，采样函数能不失真的恢复到原来函数。若被测交流电压为Vx(t)，离散采样值为Vi，则Vx(t)的有效值可按有效值定义进行计算：只要采样的时间间隔Ts1/fs准确，且被测信号的周期满足条件TxNTs，则计算准确度取决于被测量的一个周期中采样次数N的大小。,(2)测量方法,(五)峰值检波电路1、正峰值检波-保持电路(1)基本结构(2)工作原理工作前，电容C放电到零。在放大器的同相输入端加入正向电压Vx，使二极管D1导通，给电容器C充电，电路构成全反馈。若放大器的开环放大倍数足够大，则Vx=V0；若Vx继续增大，电容的电压亦不断增加。 Vx到极大值后开始降低，二极管D1立即反偏而截止，放大器处于开环状态，而使放大器输出端电压变负，使D1可靠的截止，而V0保持不变。二极管D2用来防止D1截止时放大器深度饱和，同时也减小了D1的反向电压。,2、负峰值检波保持电路正峰值检波-保持电路中D1和D2反接。3、峰峰值检波保持电路,(六)单片集成电路AD736简介AD736是AD公司的一种低价、低功耗的真有效值(true RMS)测量芯片。它可以对输入信号进行真有效值、平均整流值和绝对值的测量。,三、数字电压表的误差及准确度,(一)数字电压表误差及其工作条件1、误差(1)基本误差：数字仪表在标准条件下的误差称为基本误差。(2)附加误差：当工作条件偏离基本条件时，应以基本误差和附加误差之和来表示仪表误差。2、工作条件(1)标准条件(参比条件)(2)额定工作条件：引起仪表附加误差的各种条件的变化范围。3、准确度(1)基准准确度：在标准周期内，在基准条件下预热和预调后的规定时间内，仪器规定的误差极限。也称“固有误差”，反映了数字电压表内在质量的优、劣。(2)额定准确度：在校准周期内，在额定工作条件下预热、预调后的规定时间内，仪器的误差极限。亦称“工作误差”，反映了仪表受环境条件影响的情况。,(二）误差的表示,四、数字电压表的输入特性,( 一)输入电阻影响数字电压表输入电阻一般为10M-10000M,(二)偏置电流的影响(1)数字电压表内前置放大器输入端不可避免存在着偏置电流。(2)偏置电流在仪表内部流过衰减器电路而闭合，当被测信号接入仪表后，仍会有部分偏置电流流入被测量，并在被测量内阻上产生电压降而引起测量误差。(2)流入被测量内部的偏置电流称仪表的零电流。(3)偏置电流应尽量减小。,五、数字电压表的抗干扰特性,(一)串模干扰及其抑制1、串模干扰（常态干扰）(1)定义：由外界条件引起的、迭加在被测电压上的干扰信号，通过测量仪器的端钮，与被测量一起进入测量仪器而产生测量误差。(2)串模干扰信号：直流和交流两种。最严重的交流串模干扰是空间的工频磁场在输入回路中产生的工频感应电势e，以及工频电场引起的漏电电流在输入回路的阻抗上产生的电压降Vi。在输入回路中，接触电势和热电势en引起直流串模干扰。,2、串模干扰抑制(1) 工频电磁场引起的串模干扰：在仪表的输入端加滤波器。无源的双T型滤波器可以对工频干扰有40dB的衰减。(2) 工频磁场引起的感应电势：将输入导线绞合。(3)工频电场引起的干扰：将输入导线屏蔽，并将屏蔽层接大地。(4)积分型AD转换器从原理上对工频干扰有无限的抑制力。(5)由环境温度、湿度等因素引起的直流串模干扰：在接线时注意。例如，选择接触电势小的材料做接线端、降低温度的扰动等。,3、串模抑制比(SMRR)(1)数字电压表对串模干扰的抑制能力用串模抑制比来表示。(2) SMRR越大，表示数字电压表对串模干扰的抑制能力越强。一般数字电压表的SMRR为2060dB。,(二)共模干扰及其抑制1、共模干扰共模干