电磁测量课件_第七章.ppt

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，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fHz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LF198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LED，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。,二、三相有功功率的测量,根据用二表法测量三相三线制负载有功功率的原理，三相有功功率的数字测量可由两个时分割乘法器来实现，两个时分割乘法器的输出再求和，即是与三相功率成正比的电压。将此电压转换为频率，通过测量频率，然后换算成三相功率。其测量原理框图如图所示。,三相有功功率的测量原理框图,三、三相无功功率的测量根据用三法表测量三相三线制无功功率的原理，仿照用两个时分割乘法器测量三相有功功率的框图，可采用三个时分割乘法器来测量三相三线制负载的无功功率。四、三相电能的测量根据三相有功功率与时分割乘法器求和后的输出电压成正比，而经过电压频率转换后变为频率，所以有功功率与频率成正比,返回,因电能的基本单位是“度”或千瓦时，故三相电能可表示为,第六节元件参数的测量,一、直流电阻的测量介绍比率变换法，比率变换测电阻的原理是让同一电流流过被测电阻和已知标准电阻，从而得到与之成比例的两个电压，两个电压之比等于两个电阻之比，从而可以计算出被测电阻。电路如图。,比率变换电路,电路的工作分三步进行：,（1）校正记忆期；（2）定时采样积分期；（3）定斜率测量积分期。,通过对T1和T2的数字测量，从而实现对电阻的数字测量。由于，基准电压和各级漂移都不出现，因此可实现高准确度的测量。,被测电阻为,二、电容的测量介绍电容-时间变换法，电路及波形如图。,测出t1和t2，可计算出C1和C2。,图中,三、电感的测量,返回,介绍同步电压分离法，同步电压分离法测量电感的原理是通过将被测电感线圈电压的实部（电感中电阻两端的电压）和虚部（感抗两端的电压）分离出来，再对实部和虚部分别进行定时积分和反向积分，通过测量积分时间段内时钟脉冲的个数，间接测出电感，其原理框图如图所示。,同步电压分离法测量电感的原理电路,第七节智能仪表,一、智能仪表的结构,智能仪表的结构示意图,各部分的功能如下：,（1）微处理器根据程序完成数据传送、数学计算等功能；（2）RAM是数据存储区；（3）ROM是程序存储区；（4）输入接口是外部信号进入CPU的必经之路；（5）输出接口是CPU把数据向外围输送的必经之路；（6）键盘把测量功能、特定数字的命令送入CPU；（7）测量电路的功能是把被测量变成所需的特定信号；（8）自动测试系统完成对外设的调节、保护等功能；（9）显示器用来显示测量结果和一些必要的提示信息；（10）总线包括数据总线、地址总线和控制总线；（11）软件程序是CPU的执行命令。,二、智能仪表的设计1主机的选择（1）字长：CPU运算单元具有的二进制数位数；（2）主频：CPU的工作频率；（3）内存：包括程序存储和数据存储的总容量。2硬件设计（1）键盘接口电路按键少可采用查询方式；按键多可采用扫描方式。（2）LED显示器接口电路位数少可采用硬件译码；位数多可采用软件译码。（3）LCD点阵式液晶显示器接口电路,显示汉字时，首先建立汉字的字模数据及字符代码，然后将字模数据写入字符发生器。,（4）模拟量输入通道,3软件设计软件设计的过程分为任务描述、编写程序和调试程序。任务描述是根据需要确定该仪表所完成的任务和要求达到的功能，从而确定编程方式；编写程序要根据仪表所要求的功能先画出程序流程方框图，然后根据方框图编制程序；调试程序是确定程序的正确性。,模拟量输入通道的结构,四种编程方法：模块法把较长的程序分成若干较小的程序模块进行设计和调试，然后把各个模块连接起来；自顶向下法从整体到局部，最后到细节，先考虑整体目标，然后把整体任务分成一个