电信号基本参量的常用测量方法ppt课件

1、第第 6 章章 电信号基本参量的常用测量方法电信号基本参量的常用测量方法13.1 周期性信号的频率、相位的测量周期性信号的频率、相位的测量 1频率周期的数字化测量频率周期的数字化测量 11 计数法测频的基本原理计数法测频的基本原理 计数法测量频率，就是在一定的时间间隔计数法测量频率，就是在一定的时间间隔 内，对被测信号内，对被测信号(频率为频率为f ，周期为，周期为 )进行计数，如下图。计数器的闸门的进行计数，如下图。计数器的闸门的开启与关闭受控制，即开启时间为开启与关闭受控制，即开启时间为 ，所以计数器的计数值，所以计数器的计数值N为为所以，被测信号的频率为所以，被测信号的频率为0TfT1f

2、TTTN0000NfTNf 闸 门 10 进制计数器 0Tf图13-1-1 计数法测频原理框图 0T 计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成，由于其开启时间为计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成，由于其开启时间为 ，所以，所以 又称为又称为“闸门时间闸门时间”。 闸门时间通常以秒为单位，一般有闸门时间通常以秒为单位，一般有10s、1s、0.1s、0.01s等几种，为了获得较多的测量位数及测量精度，等几种，为了获得较多的测量位数及测量精度，所以较长的闸门时间一般用来测量较低的频率；由于计数器的位数所以较长的闸门时间一般用来测量较低的频率；由于计数器的位数总是有限的，因而对于较高频率，则应选用较小的

3、闸门时间，以免总是有限的，因而对于较高频率，则应选用较小的闸门时间，以免使测量数据溢出。使测量数据溢出。 当被测信号的频率很高时，还常常先将被测信号作分频处理后当被测信号的频率很高时，还常常先将被测信号作分频处理后再进行计数测量。若分频比为再进行计数测量。若分频比为mm =1、10、100、），则被测），则被测信号的频率为信号的频率为0T0T0TNmf 闸 门 10 进制计数器 0Tf图-1-2 分频计数法原理框图 分频 m 若被测信号的频率太高，可以利用变频混频电路对被测信若被测信号的频率太高，可以利用变频混频电路对被测信号进行降频处理后再进行计数测量，以降低对器件速度的要求。由号进行降频处

4、理后再进行计数测量，以降低对器件速度的要求。由于数字电路工作速度的提高，目前这种方法已基本不再采用了。于数字电路工作速度的提高，目前这种方法已基本不再采用了。 前文已述，采用计数法测量较低的频率时，应选择较长的闸门前文已述，采用计数法测量较低的频率时，应选择较长的闸门时间，当被测信号的频率太低时，闸门时间测量时间将会长到时间，当被测信号的频率太低时，闸门时间测量时间将会长到测量者无法忍受的程度。例如，测量测量者无法忍受的程度。例如，测量1Hz左右的信号频率，位数需左右的信号频率，位数需达到达到6位，则闸门时间至少应为位，则闸门时间至少应为105s约约1个月），这显然是不可行个月），这显然是不可

5、行的。因此，对于较低频率信号宜采取先测量其周期的。因此，对于较低频率信号宜采取先测量其周期T，然后再根据，然后再根据 的关系求得其频率，而较低频率信号的周期较长，容易获得的关系求得其频率，而较低频率信号的周期较长，容易获得较高的测量精度。较高的测量精度。Tf1采用计数法测量周期，就是在与采用计数法测量周期，就是在与被测信号的周期被测信号的周期T相关的一定的时相关的一定的时间间 间隔间隔(通常为周期性被测信号通常为周期性被测信号的一个周期的一个周期)内，对作为时标的脉内，对作为时标的脉冲冲 (f 0为时标脉冲的频率为时标脉冲的频率)， 闸 门 10 进制计数器 T0f图 13-1-3 计数法测量

6、周期的原理框图 T001fT 进行计数。计数器的闸门的开启与关闭受进行计数。计数器的闸门的开启与关闭受 控制，即开启时间间隔控制，即开启时间间隔为为 ，所以计数器的计数值，所以计数器的计数值N为为 ，当使，当使 ， ，所，所以，被测信号的周期为以，被测信号的周期为TT0TTNTT 0TTN 0NTT 12 频率周期计数法测量的误差频率周期计数法测量的误差 121 计数法的量化误差计数法的量化误差 由于已知量和被测量由于已知量和被测量T和和T0是两个互不相关的量，且是两个互不相关的量，且T通常不是通常不是T0的整数的整数N倍或倍或T0通常不是通常不是T的整数倍，测频时。），即的整数倍，测频时。）

7、，即T与与NT0或或NT与与T0之间存在一定的误差，下面我们以频率测量之间存在一定的误差，下面我们以频率测量为例，来分析其测量误差的大小。为例，来分析其测量误差的大小。 对于相同频率的被测信对于相同频率的被测信号和闸门时间，若于闸门开号和闸门时间，若于闸门开启时刻与被测信号脉冲的相启时刻与被测信号脉冲的相对位置不同，计数到的脉冲对位置不同，计数到的脉冲的个数也不相同。的个数也不相同。(a)图的情图的情况下，计数脉冲况下，计数脉冲N 的个数大的个数大于实际值，而于实际值，而(b)图的情况下，图的情况下，计数脉冲计数脉冲N 的个数将小于实的个数将小于实际值。综上所述，计数法的际值。综上所述，计数法

8、的最大量化误差最大量化误差 。1N即计数法的最大方法量化误即计数法的最大方法量化误差为末尾正负一个字。差为末尾正负一个字。 闸 门 闸 门 计 数 脉 冲 计 数 脉 冲 被 测 信 号 被 测 信 号 ( a ) ( b ) 图 13-1-4 计 数 法 量 化 误 差 示 意 图 0T0T 应该指出，应该指出， 仅仅是方法误差，而实际的测量误差还应包仅仅是方法误差，而实际的测量误差还应包含闸门时间含闸门时间T0的误差和闸门开、关时延不同等方面应起的误差。的误差和闸门开、关时延不同等方面应起的误差。 121 噪声干扰引起的触发误差噪声干扰引起的触发误差 被测信号脉冲的形成通常采用施密特触发器

9、。在不存在噪声干被测信号脉冲的形成通常采用施密特触发器。在不存在噪声干扰的情况下，施密特触发器可以将正弦波等较为规则的信号整型成扰的情况下，施密特触发器可以将正弦波等较为规则的信号整型成周期与输出信号相同的矩形脉冲来作为计数脉冲或闸门控制信号。周期与输出信号相同的矩形脉冲来作为计数脉冲或闸门控制信号。但是，如果被测信号中含有较强的噪声干扰噪声干扰的幅度大于但是，如果被测信号中含有较强的噪声干扰噪声干扰的幅度大于施密特触发器的触发窗口），且干扰脉冲落在施密特触发器的触发施密特触发器的触发窗口），且干扰脉冲落在施密特触发器的触发窗口内，将会使施密特触发器产生误触发，从而使计数器产生错误窗口内，将会

10、使施密特触发器产生误触发，从而使计数器产生错误计数。消除的计数。消除的1N 图 13-1-5 干扰脉冲引起的触发误差及消除 ( a ) 干扰脉冲引起的触发误差 ( b ) 调整触发窗口位置消除触发误差 触发窗口 触发窗口 办法是：尽可办法是：尽可能加宽施密特能加宽施密特触发器的触发触发器的触发窗口；正确选窗口；正确选择触发窗口相择触发窗口相对被测信号的对被测信号的电平位置，如电平位置，如图五图五( b)所示。所示。 2相位的测量相位的测量 相位的测量实际是指两个同频周期性信号的相位差的测量，常相位的测量实际是指两个同频周期性信号的相位差的测量，常采用相位电压转换测量法采用相位电压转换测量法 。

11、 图中图中E1和和E2为频率相同相位差为为频率相同相位差为 的两个被测正弦信号，经限的两个被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成方波信号，经微分后通过鉴相器输出宽度幅放大和脉冲整形后变成方波信号，经微分后通过鉴相器输出宽度 与两个信号相位差与两个信号相位差 有关的方脉冲，方脉冲的电平高度为有关的方脉冲，方脉冲的电平高度为 ，重复周期重复周期T与输入的正弦波形同，其平均值直流分量）与输入的正弦波形同，其平均值直流分量） 为为xxTxgU0UTTUUxg0经低通滤波后被经低通滤波后被A/D转换成数字量输出。转换成数字量输出。相位差相位差 与方脉冲宽度与方脉冲宽度 及正弦波的重复周期及正弦波的重复

12、周期T间的关系为间的关系为xxT2xxTT所以所以20 xgxgUTTUUgxUU02即即 13.2 脉冲时间间隔的测量脉冲时间间隔的测量 1测量原理测量原理 脉冲时间间隔的测量原理框脉冲时间间隔的测量原理框图如图所示。它可以分别由测图如图所示。它可以分别由测量量A通道通道(起始脉冲起始脉冲)和和B通道通道(终终止脉止脉)输入的两个脉冲的时间间输入的两个脉冲的时间间隔隔T。如果起始脉冲与终止脉冲。如果起始脉冲与终止脉冲不能分离成两个通道的信号时，不能分离成两个通道的信号时，可以将开关可以将开关S闭合，由闭合，由A、B两两个通道中的任一通道输入。当个通道中的任一通道输入。当起始脉冲与终止脉冲的时

13、间间起始脉冲与终止脉冲的时间间隔为隔为tx，计数器的计数值将为，计数器的计数值将为0TtNx所以所以 tx =NT0。图图6-1-76-1-7 2时标的选择及测量误差时标的选择及测量误差 脉冲时间间隔的测量采用的也是计数法。我们已经知道，计数脉冲时间间隔的测量采用的也是计数法。我们已经知道，计数法的方法最大量化误差为末尾正负一个字。所以，为了增大计数量法的方法最大量化误差为末尾正负一个字。所以，为了增大计数量N，减小测量误差，在不产生计数溢出的条件下时标脉冲，减小测量误差，在不产生计数溢出的条件下时标脉冲T0越小越越小越好。好。 八八 如下图，触发门控如下图，触发门控电路的触发脉冲都具有电路的

14、触发脉冲都具有一定的上升和下降时间一定的上升和下降时间所有的触发脉冲的上所有的触发脉冲的上升及下降时间都不可能升及下降时间都不可能为零），同时门控电路为零），同时门控电路也具有一定的触发电平也具有一定的触发电平窗口），所以，当采窗口），所以，当采用计数法测量脉冲宽度用计数法测量脉冲宽度时，有时应考虑采取必时，有时应考虑采取必要的补偿。要的补偿。 13.3 信号频谱的测量信号频谱的测量 对非周期性信号，往往需要了解信号构成的频率成分，这就需对非周期性信号，往往需要了解信号构成的频率成分，这就需要进行信号频谱的测量或称为频谱分析）。频谱分析一般可利用要进行信号频谱的测量或称为频谱分析）。频谱分析一

15、般可利用付里叶变换，采用数字信号处理技术来实现。时域付里叶变换，采用数字信号处理技术来实现。时域频域间的付里频域间的付里叶变换公式我们是熟知的，即叶变换公式我们是熟知的，即 ，也可以写成，也可以写成dtetfFtj)()(dtetffFtfj2)()( 数字信号处理技术需要对数字信号处理技术需要对 按一定的时间间隔按一定的时间间隔 做数字化做数字化采样处理，采样处理， 转换成转换成 ，采用离散付里叶变换高速付里叶变换方式进行处理。采用离散付里叶变换高速付里叶变换方式进行处理。 对于离散的采样值，对于离散的采样值， 、 、 , 令令这就是离散的付里叶变换公式。利用这就是离散的付里叶变换公式。利用

16、FFT可以得到可以得到Fm，即被测信，即被测信号的频谱分布函数号的频谱分布函数F( f )。)(tft)N,2,1,0,()(ntntftnfn)(tftntnftnf)()N,2,1,0,(n),N,2,1,0,(mfmfmFfmFfF)()(tfftnmfmtnN1N1N连续付氏变换可写成连续付氏变换可写成nnmjnmefFN2 由由 可知，为了提高频率分辨率可知，为了提高频率分辨率 ，可以通过降，可以通过降低采样频率增大采样时间间隔低采样频率增大采样时间间隔 ）或加大采样点数）或加大采样点数N来实现。来实现。然而，根据奈奎斯特采用定理，为了防止频谱混叠，采样时间间隔然而，根据奈奎斯特采用

17、定理，为了防止频谱混叠，采样时间间隔 不能过大，所以在存储器空间允许的条件下，加大采样点数不能过大，所以在存储器空间允许的条件下，加大采样点数 N 是是个不错的选择。图九中的低通滤器就是为了防止频谱混叠而加入的。个不错的选择。图九中的低通滤器就是为了防止频谱混叠而加入的。tfN1ftt 13.4 交流信号电压的测量交流信号电压的测量 1交流电压的表征交流电压的表征 11 峰值峰值 周期性交流电信号周期性交流电信号 偏离零电平的最大值称为峰值偏离零电平的最大值称为峰值UP或或Um）。典型的周期性交流电信号）。典型的周期性交流电信号 是正弦信号，不含直流成分是正弦信号，不含直流成分的正弦信号为的正

18、弦信号为 这种信号的正负峰值是对称的相等）。如果交流电信号的正负峰这种信号的正负峰值是对称的相等）。如果交流电信号的正负峰值不对称的不相等），可以用值不对称的不相等），可以用UP+、UP-来分别表示信号的正负来分别表示信号的正负峰值。峰值。 12平均值平均值 周期性交流电信号周期性交流电信号 的平均值的平均值 被定义为被定义为T为信号的周期。显然，正弦信号的平均值为零。为信号的周期。显然，正弦信号的平均值为零。 在电子测量中，经常要测量交流信号检波整流后的平均值。在电子测量中，经常要测量交流信号检波整流后的平均值。交流信号的整流分为全波整流和半波整流两种，全波整流的平均值交流信号的整流分为全波

19、整流和半波整流两种，全波整流的平均值为为)(tu)(tu)sin()(tUtuPUdttuTUT0)(1)(tuUdttuTUT0)(1 13有效值有效值U或或Urms 如果某个交流电如果某个交流电 和一个直流电和一个直流电U分别加在同一个纯电阻上，分别加在同一个纯电阻上，当它们产生的焦耳热相等时，这个交流电的有效值等于直流电当它们产生的焦耳热相等时，这个交流电的有效值等于直流电U。这个关系可以写成这个关系可以写成)(tudtRtuTRUT022)(即dttuTUT02)(1 14 波形因数波形因数KF、波峰因数、波峰因数KP 交流电压波形因数交流电压波形因数KF的定义为该电压的平均值与有效值

20、之比的定义为该电压的平均值与有效值之比UUKF而交流电压波峰因数而交流电压波峰因数KP的定义为该电压的峰值与有效值之比的定义为该电压的峰值与有效值之比UUKPP 不同的电压波形，其不同的电压波形，其KF、KP亦不相同。了解到一些常见波形亦不相同。了解到一些常见波形的的KF、KP可以利用信号的峰值快速计算的它们有效值及平均值。可以利用信号的峰值快速计算的它们有效值及平均值。13.5 电流的测量电流的测量13.5.1 电流电流-电压转化电压转化KrIUxx 一、取样电阻法一、取样电阻法适合测量较大电流，适合测量较大电流，取样电阻不宜太大。取样电阻不宜太大。RIUxx 二、反馈电阻法二、反馈电阻法

21、32121RRRRRIUxx适合测量小电流适合测量小电流三、三、 电流互感器法工频交流）电流互感器法工频交流）2. 电流电压变换电路电流电压变换电路1. 电流互感器电流互感器钳形表钳形互感式电流表）钳形表钳形互感式电流表）13.6 电功率与电功的测量电功率与电功的测量电动系直读功率表感应系有功电度表、电子测量式功率表电动系直读功率表感应系有功电度表、电子测量式功率表6.6.1 电动系功率表电动系功率表电动系功率表的测量机电动系功率表的测量机构原理示意图构原理示意图VRUI 1II 2静圈与动圈间的相互作用力矩静圈与动圈间的相互作用力矩 Mt21IIKMt 与指针相连，由游与指针相连，由游丝提供恢复力矩丝提供恢复力矩游丝的恢复力矩游丝的恢复力矩 Mf DMf 平衡时平衡时IUDRKIIDKV 21 功率功率电动式仪表结构电动式仪表结构特点特点: 交直流两用交直流两