电信号基本参量的常用测量方法课件

第6章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

1．频率（周期）的数字化测量1．1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

内，对被测信号(频率为f，

)进行计数，如图所示。计数器的闸门的开启与关闭受控制，即开启时间为，所以计数器的计数值N为所以，被测信号的频率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，所以又称为“闸门时间”。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，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，则应选用较小的闸门时间，以免使测量数据溢出。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再进行计数测量。若分频比为m（m

=1、10、100、…），则被测信号的频率为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1Hz左右的信号频率，位数需达到6位，则闸门时间至少应为105s（约1个月），这显然是不可行的。因而，对于较低频率信号宜采取先测量其周期T，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，容易获得较高的测量精度。采用计数法测量周期，就是在与被测信号的周期T相关的一定的时间间隔(通常为周期性被测信号的一个周期)内，对作为时标的脉冲(f0为时标脉冲的频率)，进行计数。计数器的闸门的开启与关闭受控制，即开启时间间隔为，所以计数器的计数值N为，当使，，所以，被测信号的周期为应该指出，仅仅是方法误差，而实际的测量误差还应包含闸门时间T0的误差和闸门开、关时延不同等方面应起的误差。1．2．1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。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计数。消除的办法是：尽可能加宽施密特触发器的触发窗口；正确选择触发窗口相对被测信号的电平位置，如图五(b)所示。2．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，常采用相位－电压转换测量法。图中E1和E2为频率相同相位差为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与两个信号相位差有关的方脉冲，方脉冲的电平高度为，重复周期T与输入的正弦波形同，其平均值（直流分量）为经低通滤波后被A/D转换成数字量输出。相位差与方脉冲宽度及正弦波的重复周期T间的关系为所以即2．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T0越小越好。如图所示，触发门控电路的触发脉冲都具有一定的上升和下降时间（所有的触发脉冲的上升及下降时间都不可能为零），同时门控电路也具有一定的触发电平（窗口），所以，当采用计数法测量脉冲宽度时，有时应考虑采取必要的补偿。13.3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—频域间的付里叶变换公式我们是熟知的，即，也可以写成数字信号处理技术需要对按一定的时间间隔做数字化采样处理，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。对于离散的采样值，、、,令这就是离散的付里叶变换公式。利用FFT可以得到Fm，即被测信号的频谱分布函数F(f)。连续付氏变换可写成由可知，为了提高频率分辨率，可以通过降低采样频率（增大采样时间间隔）或加大采样点数N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。1．3有效值U或Urms如果某个交流电和一个直流电U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U。这个关系可以写成1．4波形因数KF、波峰因数KP交流电压波形因数KF的定义为该电压的平均值与有效值之比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不同的电压波形，其KF、KP亦不相同。了解到一些常见波形的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。13.5电流的测量13.5.1电流-电压转化一、取样电阻法适合测量较大电流，取样电阻不宜太大。三、电流互感器法（工频交流）2.电流电压变换电路1.电流互感器钳形表（钳形互感式电流表）13.6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6.6.1电动系功率表电动系功率表的测量机构原理示意图静圈与动圈间的相互作用力矩Mt与指针相连，由游丝提供恢复力矩游丝的恢复力矩Mf平衡时功率电动式仪表结构特点:交直流两用有功功率13.6.3