第四章数字化测量方法.ppt

1、第四章 数字化测量方法,4.1 电压测量的数字化方法,1）DVM的组成 数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。 组成框图,包括模拟和数字两部分。 输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。 核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。 数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。 逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。,应用 直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速A/D转换器）。 通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。

2、 通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。 基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)。,2）主要性能指标 显示位数 完整显示位：能够显示09的数字。 非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完整 显示位，其最大显示数字为19999 。 量程 基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A

3、/D转换器动态范围确定。 通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他量程。,如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程； 基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。 分辨力 指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。 用每个字对应的电压值来表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1m

4、V时，显示的末尾数字将变化“1个字” ）。,分辨力 分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力为0.1mV，则分辨率为： 分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为 测量速度 每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。 一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒。,输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。 输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M之间。 对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻

5、和并联电容表示，电容值一般在几十几百pF之间。,4.1.2 DVM的主要类型,1. 逐次比较型DVM的工作原理,基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。,上式表示，若把Vr不断细分（每次取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取前4项，则 其逼近的最大误差为9.375V-10V =-0.625V，相当于最后一项的值。 现假设有一被测电压Vx8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：,Vx5V（首先

6、，取5V项，由于5V8.5V，则应去掉该项， 记为数字0） +0.625V（再取0.625V项，此时5V+2.5V+0.625V8.5V，则保留该项， 记为数字1） 8.125V（得到最后逼近结果） 总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出Vr的各分项值，按照“大者去，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果，其数字表示为1101。,上述逼近结果与Vx的误差为8.125V8.5V0.375V。 显然，当Vx(7.8125V8.4375V)之间时，采用上面Vr的4个分项逼近的结果相同，均为8.125V，其误差为Vx(0.3125V0.3125V)，最大误差限相当于Vr最后一个分项的一半，即 V。

7、 上述逐次逼近比较过程表示了该类A/D转换器的基本工作原理。它类似天平称重的过程，Vr的各分项相当于提供的有限“电子砝码”，而Vx是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减法码的过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码。,2. U-T积分型DVM的工作原理 (1) 双斜积分式DVM 基本原理： 通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。 原理框图 包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。,准备阶段 采样阶段,设时钟脉冲的周期T0=10S,比较阶段,(2)U-F积分型DVM工作原理,Uxkf,取决于DVM的固有误

8、差和使用时的附加误差（温度等）。 固有误差表达式： 示值（读数）相对误差为： 式中，Vx被测电压的读数；Vm该量程的满度值（Full Scale, FS）； 误差的相对项系数； 误差的固定项系数。 固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。 读数误差： 与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。 满度误差： 与当前读数无关，只与选用的量程有关。,4.1.3 DVM的测量误差,有时将 等效为“n字”的电压量表示，即 如某台4位半DVM，说明书给出基本量程为2V， =（0.01%读数+1字）。 则在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%，即表达式中

9、“1字”的满度误差项与“0.005%”的表示是完全等价的： 当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。,例 一台3位半的DVM给出的精度为：（0.1%读数+1字），如用该DVM的020V DC的基本量程分别测量5.00V和15.00V的电源电压，试计算DVM测量的固有误差。 解 首先，计算出“1字”对应的满度误差。 在020V量程上，3位半的DVM对应的刻度系数为0.01V/字，因而满度误差“1字”相当于0.01V。 当Vx=5.00V时，固有误差和相对误差分别为： Vx(0.1%5

10、.00V0.01V)0.015V 当Vx=15.00V时，固有误差和相对误差分别为：,Vx(0.1%15.00V0.01V)0.025V 可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小（这也是在使用DVM时应注意的）。,作业,课后 4.2 4.4 （(3)去掉 ）4.6 4.8,已知：甲、乙两台DVM，显示器最大显示值为：甲：9999，乙：19999，问： (1)它们各是几位DVM? (2)若乙的最小量程为200mV，其分辨率、分辨力是多少? (3)若乙的工作误差为0.01%(读数)1 个字，分别用2V 档和20V 档测量Vx=1.78V 电压时，绝对误差和相对误差各是多少 (4)由（3

11、）的结果可以得出什么结论？,（1） 甲：4位DVM 乙：4位半DVM （2） （3） 用乙的2V档测量时： U=0.01%1.780.0001 =2.7810-4V 相对测量误差为U/ UX=1.5610-4 用乙的20V档测量时： U=0.01%1.780.001 =11.7810-4V 相对测量误差为U/ UX=6.6210-4 （4） 从(3)的结果可以看出为了减少测量误差，选择量程时应当尽量使被测量达到测量仪表满偏值的2/3以上。,4.4 频率的测量,介绍时间和频率测量的基本方法。重点介绍电子计数器的电路组成、工作原理及电子计数器测量频率、周期、时间间隔、频率比的方法，并对测量的误差进

12、行分析，提出减小误差的方法，同时扼要介绍一些其他测频方法。,多功能计数器,函数发生器/计数器,频率计,时间和频率的定义 时间有两个含义： “时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。 频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为： fN/T 时间与频率的关系：可以互相转换,4.4.1 标准频率源,1.原子频标的基本原理 原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。 hfn-m=En-Em 式中，h=6.625210-27为普朗克

13、常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。,1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”。 1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了45个量级，达510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。,2.氢原子钟 短期稳定度高：10-1410-15，但准确度较低（10-12）。 3.铷原子钟 准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。 4.离子储存频标 5.频段的划分,4.4

14、.2 电子计数式频率计的原理,1.时间基准的产生 电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源 由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。,2.计数式频率计的测频原理,被测信号经过放大整形，转变为计数脉冲，作为闸门的输入信号。门控电路输出的门控信号控制闸门的启闭。在闸门开启期间计数电路对脉冲进行计数。,在已知的标准时间内累计未知的待测输入信号的脉冲的个数，实现频率的测量。,闸门的开门时间可以改变，即时基脉冲周期不是固定不变，可以选择。 闸门打开时间为1s，被测信号经整形后通过闸门的脉冲数若有100000个，即被测信号的频率f=100000Hz,则显示读数为

15、100000，单位为Hz。 如果测量时所取时基为0.1s，即闸门打开0.1s的时间，这时计数器的读数为10000，显然，这一数值乘以10才是1s内通过闸门的脉冲数，即被测频率f=1000010=100000Hz。,为了使N值能直接表示fx：,小数点自动向右移一位,请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率fs ）。闸门时间Ts为频率测量的采样时间，Ts愈大，则测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨力愈高。,4.3 频率计数器的组成,(1) 输入单元 输入电路的作用是将被测信号（或控制信号）进行放大整形，然后送往主闸门（或控制电路）。 输入电路通常有A、B、C三个

16、独立的通道。 （2）十进制电子计数器 它的任务是对来自闸门的脉冲进行计数，并将计数结果以数字形式显示出来。 （3）时基信号产生与变换单元:用来控制计数器的工作程序,首先将被测信号，如正弦信号、三角波、锯齿波等波形，通过脉冲形成电路，转换成脉冲，其重复频率等于被测信号频率fx。然后将它加到主闸门的输入端。主闸门由标准门控信号VD来控制其开、闭时间，只有在主闸门开通时间T内，被计数的脉冲VE才能通过主闸门送到十进制计数器进行计数，从而得到所测的频率。,电子计数器面板及控键示意图,4.4.4 高精度10MHz频率计,4.4.5 脉冲累计的测量,累加计数的测量原理：,累加计数是用于直接统计所取时间内的

17、脉冲数。 如图所示，将被测信号送入A通道，经过放大整形后输入到人工控制的闸门。 闸门的开启时间由手动控制，即从“启动”到“停止”的转换所用的时间决定。 在闸门开启时间内闸门输出脉冲，再送入计数器，由计数器直接积累出脉冲总数，完成累加计数。,4.4.6 用计数式频率计测量频率比,两个输入信号加到电子计数器输入端,如果信号fa的频率大于信号fb的频率,则：,信号fb经B通道输入，对闸门进行控制；信号fa则经A通道输入，形成计数脉冲，作为闸门的输入信号。,测量频率比原理 ：,频率比是指A、B二信号频率的fA与fB之比，即fAfB。将频率较低的信号由B通道输入，经过放大整形电路后去触发门控双稳态电路，

18、产生的门控脉冲打开闸门，打开时间为TB，是B信号的一个周期；将频率较高的信号由A通道输入，经放大整形后送到闸门输入端，由闸门输出送入计数器直接计数，计数为TB时间内A信号的脉冲个数N，NTA=TB，即频率比N=fAfB。,测量频率比的原理框图,注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输入。 提高频率比的测量精度：扩展B通道信号的周期个数。 例如：以B通道信号的10个周期作为闸门信号，则计数值为： ,即计数值扩大了10倍，相应的测量精度也就提高了10倍。为得到真实结果，需将计数值N缩小10倍（小数点左移1位），即 应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。,4.5 时间的测量,1.周期的测量,被测信