第3章电参量测量技术.ppt

第3章电参量测量技术,电参量测量技术,本章分别介绍时间、频率和相位、电压、电流以及阻抗等参量的测量方法。,检测方法：直接或通过各种传感器、电路等转换为与被测量相关的电压、电流、时间、频率等电学基本参量。,优点：便于对被测量的检测、处理、记录和控制；可以提高测量的精度。,本章主要内容,3.1频率、时间和相位的测量,3.1.1频率的测量3.1.2时间间隔的数字测量3.1.3相位差的数字测量,3.1.1频率测量,在工业生产领域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始的旋转、往复运动、各种传感器和测量电路变换后的周期性脉冲等。周期与频率互为倒数关系:,频率测量方法：计数法精度高，应用广泛。模拟法简单经济。,（3-1）,3.1.1频率测量,计数法原理如图3-1(a)所示,（3-2）,计数法就是在一定的时间间隔T内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期为TA，则计数结果为:,1.频率(周期)的数字测量,（1）计数法测量原理,3.1.1频率测量,周期为TA的脉冲加到闸门的输入端，宽度为T的门控信号加到闸门的控制端，只有在闸门开通时间T内才输出计数脉冲进行计数。,3.1.1频率测量,处在T区间内计数脉冲个数(即计数器计数结果)为N，则,显然，脉冲计数的最大绝对误差N=1。脉冲计数最大相对误差为：,3.1.1频率测量,通用计数器一般都具有测频和测周两种方式。基本组成如图3-2所示。,（2）通用计数器的基本组成和工作方式,图3-2中整形器是将频率为fA(或fB)的正弦信号整形为周期为TA=1fA(或TB)的脉冲信号。门控电路是将周期为mTB(fB经m分频)的脉冲变为闸门时间为T=mTB的门控信号，将T=mTB代入(3-2)式可得图3-2中十进制计数器的计数结果为：,（3-7）,由上式可见，图3-2中计数结果N与fAfB成正比，此时计数器工作在频率比测量方式。,3.1.1频率测量,如图3-2中A输入端(fA=fx)，晶振标准频率fc信号接到B输入端(fB=fc)，则计数器工作在测频方式，此时(3-7)式变为：,（3-9）,3.1.1频率测量,若将被测信号fx接到图3-2中B输入端(即fB=fx)，晶振标准频率fc信号接到A输入端(即fA=fc)，则称计数器工作在测周方式，此时，(3-7)式变为,(3-11),3.1.1频率测量,（3）频率(周期)的测量误差与测量范围,理论上讲测量频率与测量周期是等效的，但从实际测量来看，图3-2所示通用计数器工作在测频方式和工作在测周方式，其测量误差和范围都不一样。,测频方式由(3-9)式可得“测频”的相对误差为：,3.1.1频率测量,进一步推导可得测频最大相对误差为：,由上式可见，被测频率fx越高，分频系数m越大，测频的相对误差fx/fx越小，测频的精确度越高。,若采用K位十进制计数器，为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求：,（3-13），（3-14）,3.1.1频率测量,同时，最大相对误差还应满足测量精度的要求，因此fx应满足：,（3-16）,一般晶振的精度很高，fc/fc可忽略，故上式简化为：,（3-17）,因此可得“测频”范围为：,（3-18）,3.1.1频率测量,测周方式,由(3-11)式可得测周的相对误差为：,将(3-10)式代入得测周的最大相对误差为：,因Tx=1/fx，TxTx=-fxfx，故由上式可测周法测频的最大相对误差为：,（3-19）,（3-20）,3.1.1频率测量,由上式可见，被测频率fx越低，分频系数m越大，测周的相对误差Tx/Tx越小，即测周的精度越高测频的精度也越高。,小结若被测频率fx较高，则直接测频的相对误差较小若被测频率fx较低，则用测周法测频的相对误差较小。当f0fc（中介频率）时，测频与测周相对误差都一样。,从提高测量精度考虑，当被测频率fx高于fc时应采用直接测频法；当被测频率fx低于fc时应采用测周法。,3.1.1频率测量,测周法的周期测量范围，同样也受到测量精度要求值和计数器的限制，即应满足故Tx的测量范围为：,（3-22）,若取fc=fmax，并忽略晶振的误差，则上式简化为,（3-23）,3.1.1频率测量,图3-2中分频系数m一般取10的整数次幂且分挡可选，即m=10n(n=0，1，2，3等可选)。此时,改变n只是改变fx和Tx的指示数字的小数点位置。,（3-25），（3-26）,，,例：N=100，fc=1MHz(Tc=ls)，若取n=2，则fx=1MHz，Tx=1s。若取n=3，则x=0.1MHz，Tx=0.1s。,3.1.1频率测量,2.频率的模拟测量,（1）直读法测频,电桥法测频利用交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有关这一特性来测频,谐振法测频利用电感、电容串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实现测频。,频率-电压(f-V)转换法测频,（2）比较法测频,（3）示波器测量频率,3.1频率、时间和相位的测量,3.1.1频率的测量3.1.2时间间隔的数字测量3.1.3相位差的数字测量,3.1.2时间间隔的数字测量,时间间隔的测量方案和周期测量的基本相同，如图3-3所示，不同的仅是此处的门控电路不再采用计数触发方式，而是要求根据测量时间间隔，给出起始计数和终止计数两个触发信号。,3.1.2时间间隔的数字测量,若时间间隔即门控信号的宽度(闸门时间)为tx，选用时标周期为Tc(图中Tc=1s，10s，10s分挡可选)，则计数结果为：,（3-28）,将上式与(3-7)式对比可见，时间间隔的测量相当于分频系数m=1的周期Tx的测量情况。一般来说，测量时间间隔的误差比测周期时大。,3.1频率、时间和相位的测量,3.1.1频率的测量3.1.2时间间隔的数字测量3.1.3相位差的数字测量,3.1.3相位差的数字测量,测量相位差的方法主要有：用示波器测量；与标准移相器比较(零示法)；把相位差转换为电压来测量；把相位差转换为时间间隔来测量等。,1.相位-电压转换法,相位-电压转换式数字相位计的原理框图如3-4(a)所示。其各点波形如3-4(b)所示。方波的平均值即直流分量为：,（3-29）,3.1.3相位差的数字测量,上式中T为被测信号的周期，Tx由两信号的相位差x决定，即,（3-30）,将(2-20)式代入(2-19)式得相位差：,（3-31）,3.1.3相位差的数字测量,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Tg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2-5所示。若时标脉冲周期为Tc，则在Tx时间内的计数值为：,（3-32）,如果采用十进制计数器计数，而且时标脉冲周期Tc与被测信号周期T满足以下关系式：,3.1.3相位差的数字测量,3.1.3相位差的数字测量,（3-33）,则代入（2-22）式可得:,（3-34）,相对量化误差为:,（3-35）,由(2-23)式可知，时标脉冲频率fc与被测信号频率fx的关系为:,3.1.3相位差的数字测量,（3-36）,缺点：由于时标频率fc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fx越低。当被测信号频率fx改变时，时标脉冲频率fc也必须按(3-36)式相应改变。,3.1频率、时间和相位的测量,3.2电压和电流的测量,3.2.1电压的测量3.2.2电流的测量,3.2.1电压的测量,（1）普通直流电压表,普通直流电压通常由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成，如图3-6所示。串联电阻Rn所构成的电压表的满度电压为,（3-37）,所构成的电压表的内阻为:,（3-38）,1.直流电压的测量,3.2.1电压的测量,图中电流表串接3个电阻后，除最小电压量Uo=ImRe外，又增加了U1、U2、U3三个量程，根据所需扩展的量程，可估算出3个扩展电阻的阻值:,3.2.1电压的测量,通常把内阻Rv与量程Um之比(每伏欧姆/V数)定义为电压表的电压灵敏度。,（3-39）,“/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时的电压表内阻，即,（3-40）,3.2.1电压的测量,特点：结构简单，使用方便，灵敏度不高，输入电阻低。,（2）直流电子电压表,直流电子电压表通常是在磁电式表头前加装跟随器(以提高输入阻抗)和直流放大器(以提高测量灵敏度)构成。电子电压表中采用斩波稳零式放大器或称调制式放大器以抑制零点漂移，使电子电压表能测量微伏级的电压。,3.2.1电压的测量,将直流电子电压表中磁电式表头用AD转换器及与之相连的数字显示器代替，如图3-7所示。在数字电压表前端配接适当的转换电路，就可构成数字仪表。,（3）直流数字电压表,3.2.1电压的测量,2.交流电压的测量,（1）交流电压的表征交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系数来表征。,峰值,周期性交流电压U(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用Up表示，正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示，如图2-8(a)所示。,3.2.1电压的测量,U(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示，如2-8(b)所示。图中U0=0，且正、负幅值相等。,3.2.1电压的测量,平均值,u(t)的平均值的数学定义为:,（3-41）,实质上就是被测电压的直流分量U0，如图3-8(a)中虚线所示。在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值，又可分为半波整流平均值和全波整流平均值。全波平均值定义为:,（3-42）,3.2.1电压的测量,有效值,一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它们产生的热量相等，则交流电压有效值U(或Urms)等于该直流电压，可表示为:,即,（3-43）,3.2.1电压的测量,波形因数、波峰因数,交流电压的波形因数KF定义为该电压的有效值与平均值之比:,（3-44）,交流电压的波峰因数Kp定义为该电压的峰值与有效值之比:,（3-45）,不同电压波形，其KF、Kp值不同，下表列出了几种常见电压的有关参数。,3.2.1电压的测量,表3-1不同波形交流电压的参数,3.2.1电压的测量,3.2.1电压的测量,注意：国际上一直以有效值作为交流电压的表征量。如果被测电压是正弦波，那么由表3-1很容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值。如果被测电压是非正弦波，那就须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到有关参数。,3.2.1电压的测量,（2）交流电压的测量方法,按AC/DC转换器的类型分为：1.检波法2.热电转换法。按检波特性的不同，检波法又可分成：1.平均值检波2.峰值检波3.有效值检波等。,检波-放大式,图3-9(a)为检波-放大式电压表的组成方框图，它是将被测电压先检波变成直流电流，然后再用直流放大器放大，放大后的直流电流去驱动电流表偏转。灵敏度可到mV级。,3.2.1电压的测量,放大-检波式,当被测电压较低时，直接检波会显著增大误差。为提高交流电压表的测量灵敏度，先用宽带放大器放大被测电压，然后再检波。放大-检波式电压表的方框图见图3-9(b)。,外差式电压表,检波-放大式电压表的灵敏度受检波器件非线性的限制;而放大-检波式电压表，由于宽带放大器增益和带宽的矛盾，也很难把频率上限提得很高，图3-10所示的外差测量方法可以解决上述矛盾。,3.2.1电压的测量,图中，输入电路包括输入衰减器(用于大电压测量)和高频放大器(用于宽频低增益放大)。被测信号通过输入电路，在混频器中与本机振荡器(本振)频率fL混频，输出频率固定的中频(fL-fx)信号(可改变fL以跟踪信号频率fx，保持fL-fx不变)，用中频放大器选择并放大，然后检波。,3.2.1电压的测量,（3）低频交流电压(1MHz以下)的测量,通常把测量低频(1MHz以下)信号电压的电压表称作交流电压表或交流毫伏表。这类电压表一般采用放大-检波式，检波器多为平均值检波器或有效值检波器，分别构成均值电压表或有效值电压表。,（4）高频交流电压的测量,高频交流电压的测量不采用放大-检波式(以避免高频测量受放大器通频带的限制)而采用检波-放大式或外差式电压表来测量。,3.2.1电压的测量,采用峰值检波器的电压表称峰值电压表。峰值电压表也是按正弦电压的有效值定度的。被测正弦电压的峰值为：,（3-48）,如果被测电压为非正弦电压，峰值电压表读数也为Ua，那就意味着该被测非正弦电压的峰值也为:,（3-49）,非正弦电压的波形换算公式为：,（3-50）,3.2电压和电流的测量,3.2.1电压的测量3.2.2电流的测量,3.2.2电流的测量,1.电流表直接测量法,直接测量电流的方法通常是在被测电流的通路中串入适当量程的电流表，让被测电流的全部或一部分流过电流表。,对于图3-11(a)所示电路，被测电流实际值为：,（3-50）,3.2.2电流的测量,在图3-11(a)电路中串接一个内阻为r的电流表，如图3-11(b)所示