天大測(cè)控電路講義 第八章

1、測(cè)控電路 測(cè)控電路測(cè)控電路 測(cè)控電路 第八章第八章 電量測(cè)量電路電量測(cè)量電路 第一節(jié)第一節(jié) 頻率測(cè)量頻率測(cè)量 第二節(jié)第二節(jié) 相位測(cè)量相位測(cè)量 第三節(jié)第三節(jié) 脈沖參數(shù)測(cè)量脈沖參數(shù)測(cè)量 返 回上一頁下一頁 測(cè)控電路 被測(cè)量可以分為電量和非電量： （非電量） 電量電量（電壓或電流） 直接或經(jīng)過調(diào)理后 由電壓或電流表電壓或電流表測(cè)量 大多數(shù)數(shù)字電壓或電流表通常將 電壓或電流轉(zhuǎn)換為頻率（或時(shí)間）頻率（或時(shí)間）測(cè)量 本章包括頻率、相位和脈沖參數(shù)的測(cè)量 測(cè)控電路 頻率是周期性發(fā)生事件在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)的次數(shù)；頻率和時(shí)間 測(cè)量屬于同一測(cè)量范疇。 常見方法有：計(jì)數(shù)器法、示波器法計(jì)數(shù)器法、示波器法 測(cè)量原理：測(cè)量原

2、理：在高精度測(cè)量中，常見的是以高穩(wěn)定度的頻率源為 標(biāo)尺，通過以計(jì)數(shù)器原理為核心的測(cè)量系統(tǒng)去測(cè)量被測(cè)頻率 ；在低頻段常用測(cè)量信號(hào)周期的方法來測(cè)定信號(hào)的頻率。 第一節(jié) 頻率測(cè)量 測(cè)控電路 8.1.1 計(jì)數(shù)器法 一種將未知頻率或時(shí)間間隔與已知頻率或時(shí)間間隔進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置 頻率進(jìn)行測(cè)量的一種電子測(cè)量系統(tǒng)。 被測(cè)頻率=計(jì)數(shù)結(jié)果/主閘門開啟時(shí)間；單位時(shí)間內(nèi)通過主閘門的脈沖個(gè)數(shù)（即 被測(cè)信號(hào)頻率）： k Nf f x 測(cè)控電路 計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的標(biāo)尺，計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的標(biāo)尺， 為計(jì)數(shù)器提供已知的頻為計(jì)數(shù)器提供已知的頻 率或時(shí)間間隔率或時(shí)間間隔 根據(jù)時(shí)基發(fā)生器輸出根據(jù)時(shí)基發(fā)生器輸出 的控制信號(hào)，控制由的

3、控制信號(hào)，控制由 輸入信號(hào)形成的計(jì)數(shù)輸入信號(hào)形成的計(jì)數(shù) 脈沖序列進(jìn)入計(jì)數(shù)器脈沖序列進(jìn)入計(jì)數(shù)器 組件組件 一般為十進(jìn)制一般為十進(jìn)制 計(jì)數(shù)器，用來計(jì)數(shù)器，用來 對(duì)被測(cè)脈沖進(jìn)對(duì)被測(cè)脈沖進(jìn) 行累加計(jì)數(shù)并行累加計(jì)數(shù)并 顯示顯示 計(jì)數(shù)器及其電路計(jì)數(shù)器及其電路 測(cè)控電路 晶體振蕩器電路： 測(cè)控電路 十進(jìn)制分頻器 作用：將晶體振蕩器輸出頻率進(jìn)行多級(jí)除以10的計(jì)算，通過閘門時(shí) 間控制開關(guān)，選擇其中某級(jí)分頻輸出，作為閘門控制電路的輸入信 號(hào)。 分頻器根據(jù)閘門時(shí)間設(shè)置將輸出信號(hào)頻率減小為原來的10-n，n為 10進(jìn)制除法器的計(jì)數(shù)。 例如晶振輸出頻率為5MHz，分頻器共有7級(jí)，由閘門時(shí)間設(shè)置將分 頻器設(shè)為第3級(jí)，則時(shí)

4、基發(fā)生器的輸出頻率為5M10-3=5kHz，閘 門開啟時(shí)間為0.2ms. 測(cè)控電路 計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的誤差 誤差來源：量化誤差（計(jì)數(shù)誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 1. 量化誤差：門控信號(hào)與輸入信號(hào)不同步導(dǎo)致計(jì)數(shù)器產(chǎn)生1個(gè)計(jì)數(shù)誤差。 測(cè)控電路 被測(cè)頻率為： 被測(cè)頻率（Hz）； 計(jì)數(shù)結(jié)果； 閘門開啟的時(shí)間； 內(nèi)部晶振輸出頻率； 分頻器分頻系數(shù)。 由計(jì)數(shù)誤差所導(dǎo)致的頻率測(cè)量誤差為： 為了減小測(cè)量誤差，需要增大閘門時(shí)間，目前大多數(shù)計(jì)數(shù)器的最大閘門時(shí)間為10s， 通常設(shè)為1s。在高頻信號(hào)測(cè)量中量化誤差相對(duì)影響較小，在低頻情況下，一般通 過適當(dāng)選擇測(cè)量信號(hào)周期，以減小量化誤差影響。 主閘門開啟時(shí)間T0越大，計(jì)數(shù)N就

5、越多，相對(duì)誤差就越小。 k Nf T N f x 0 xx x fTNf f 0 11 x f N f k 0 T 測(cè)控電路 計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的誤差 誤差來源：量化誤差（計(jì)數(shù)誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 2. 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差：由時(shí)基電路引起的時(shí)基誤差。 通常要求時(shí)基誤差比量化誤差小一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在誤差分析中不用考慮時(shí)基 誤差。 0 0 f f f f x x 測(cè)控電路 8.1.2 示波器法 分為直接測(cè)量和頻率對(duì)比兩類方法。 直接測(cè)量：利用示波器顯示被測(cè)信號(hào)波形，讀出信號(hào)周期，從 而獲取其頻率。測(cè)量精度較低。 頻率對(duì)比法：將被測(cè)信號(hào)與一頻率與其接近的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率進(jìn) 行對(duì)比，用示波器測(cè)量其差頻。 測(cè)控電路

6、1、直接測(cè)量法 6個(gè)周期為7.93cm，時(shí)基信號(hào)為0.1ms/cm，則信號(hào)頻率為： kHzfx566. 710*1 . 0 93. 7 6 / 3- 時(shí)基率顯示讀數(shù) 測(cè)控電路 2、頻率對(duì)比法 在示波器的水平和垂直輸入端分別施加正弦信號(hào)，兩信號(hào)頻率 相同，有一固定相位差 ，即 基準(zhǔn)信號(hào) 被測(cè)信號(hào) 熒光屏上利薩如曲線為一橢圓，即 )sin( sin 00 00 tYY tXX sin)(1cos 2 00 0 X X X X YY 測(cè)控電路 若A為橢圓的垂直截距，B為垂直最大值， 則有 當(dāng)兩信號(hào)存在微小頻差時(shí)，橢圓形狀將發(fā)生周期性變化， 變化周期數(shù)等于兩信號(hào)頻差的倒數(shù)，頻率比對(duì)法利用了這一特性。

7、設(shè)兩信號(hào)頻差 ，重復(fù)變化n次所用時(shí)間為T，則有 0 ffx )arcsin( B A 0 f )2(2sin 2sin 000 00 tftfYY tfXX 00 fffx T n f 0 測(cè)控電路 為了提高測(cè)量精度，可以先將被測(cè)信號(hào)與一頻率和它接近的基準(zhǔn)振蕩器頻率 相比，將它們的差頻倍增后，在進(jìn)行比對(duì)。 測(cè)控電路 8.1.3 低頻信號(hào)周期和頻率的測(cè)量 低頻信號(hào)頻率測(cè)量時(shí)，將圖8-1中的被測(cè)量信號(hào)與晶體振蕩器交換位 置，且去掉分頻器，為什么？【當(dāng)被測(cè)量信號(hào)頻率較低時(shí)，則在主閘 門開啟的時(shí)間里，無脈沖或較少脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，使之無法測(cè)量、誤 差較大?！?用被測(cè)量信號(hào)控制主閘門S的開關(guān)，而晶體振蕩器

8、輸出的高頻信號(hào)經(jīng) 過主閘門S進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。這時(shí)直接測(cè)量的是周期信號(hào)，頻率 可通過換算得到。 N f fNT f x x / 11 測(cè)控電路 第二節(jié) 相位測(cè)量 相位測(cè)量通常指兩個(gè)同頻率信號(hào)相位差的測(cè)量。 能同時(shí)進(jìn)行線性系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性測(cè)量的儀器稱為矢量 網(wǎng)絡(luò)分析儀。 相位測(cè)量通常有補(bǔ)償測(cè)量法、直讀法、示波器法等。 測(cè)控電路 8.2.1 8.2.1 直讀法直讀法 一、直讀法 原理：將被測(cè)相位轉(zhuǎn)變成電壓或電流，通 過測(cè)量電壓或電流實(shí)現(xiàn)測(cè)量相位的目的 1. 相敏檢波法 相加式相敏檢波電路用于調(diào)幅信號(hào)解調(diào) 時(shí)，要求參考信號(hào)uc的幅值Ucm遠(yuǎn)大于 調(diào)幅信號(hào)us的幅值Usm，使開關(guān)器件的 通斷完

9、全由參考信號(hào)決定；而在用于相 位測(cè)量時(shí)，作用在兩個(gè)二極管VD1和 VD2的電壓分別為U1=Uc+Us和U1=Uc- Us c a us T1C1 VD1 VD2 C2 R1 R2 RP uo T2 us1 + e d b us2 + uc + 相加式半波相敏檢波電路 測(cè)控電路 22 1 22 1 )sin()cos( )sin()cos( smsmcmm smsmcmm UUUU UUUU 測(cè)控電路 當(dāng)當(dāng)Ucm=Usm時(shí)，時(shí)， 討論討論 ，輸出電壓，輸出電壓 K是半波（或全波）整流器的整流系數(shù)是半波（或全波）整流器的整流系數(shù) 2 cos2 1 cmm UU 0 ) 24 sin(22) 2 s

10、in 2 (cos2)( 21 cmcmmmo UkUUUku 2 sin2 2 cmm UU 測(cè)控電路 2、脈沖變換法 原理：要求被測(cè)信號(hào)幅度大于某一量值，然后將正弦信號(hào)變換為脈沖信號(hào)，通 過測(cè)量?jī)擅}沖信號(hào)的相位實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量。與上述方法不同的是指示器讀數(shù)與信 號(hào)幅值無關(guān)。 測(cè)控電路 )1( 22 1Uk tUdkI D D u1u2經(jīng)放大整形成兩個(gè)矩經(jīng)放大整形成兩個(gè)矩 形波電壓形波電壓b1b2，b1b2相加相加 后送入均值電壓表檢波器，后送入均值電壓表檢波器， 檢波電流的均值正比于合檢波電流的均值正比于合 成電壓寬度，正比于均值成電壓寬度，正比于均值 電壓表讀數(shù)與被測(cè)信號(hào)相電壓表讀數(shù)與被測(cè)信

11、號(hào)相 位差。位差。 測(cè)控電路 二、計(jì)數(shù)器法 原理：設(shè)兩個(gè)頻率為f的正弦信號(hào)的相位差為，當(dāng)u1正渡越零電平時(shí)，經(jīng)通 道1放大、整形，輸出正脈沖u1，使作為門控電路的雙穩(wěn)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，打開計(jì) 數(shù)器閘門，標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率為f0的脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器 開始計(jì)數(shù)，當(dāng)u2正渡越零時(shí)，計(jì)數(shù)停止。 測(cè)控電路 計(jì)數(shù)結(jié)果N與閘門打開時(shí)間 的關(guān)系為： 與被測(cè)信號(hào)周期T及 、 之間的相位差的關(guān)系為 兩信號(hào)相位差與計(jì)數(shù)結(jié)果N成正比，缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果和被測(cè)信 號(hào)頻率有關(guān)。 t tfN 0 t 1 u 2 u N f f T t T t 0 360360 3602 測(cè)控電路 另外，計(jì)數(shù)器也可以測(cè)量頻率信號(hào)，所以可

12、以利用兩次測(cè)量完 成相位差測(cè)量。將通道 或 加到輸入端。當(dāng) 或 第 一次由負(fù)到正跨越零電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng) 或 第二次負(fù)到正跨越零電平時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。則計(jì)數(shù)結(jié)果 。所以 為了直接以度數(shù)顯示被測(cè)相位，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)的頻率 等 于被測(cè)信號(hào)頻率的3.610n倍。例如某數(shù)字相位計(jì)中脈沖信 號(hào)發(fā)生器的頻率 ，則被測(cè)信號(hào)相位差為 ffM/ 0 M N 360 0 f 1 u 2 u 1 u 2 u 1 u 2 u NNN M 1 . 0 106 . 3 360360 3 ff 3 0 106 . 3 測(cè)控電路 三、比較法 原理：在u1、u2中一路信號(hào)通道上加移相器，通過調(diào)節(jié)移相器改變此路信 號(hào)的

13、相位，使兩路信號(hào)相位達(dá)到平衡，并用相位平衡指示器指示出來，相 位平衡指示器可以采用前面介紹的鑒別相位的各種原理。 移相器施加的相位增量即為兩路信號(hào)的相位差。 測(cè)控電路 第三節(jié) 脈沖參數(shù)的測(cè)量 8.3.1 脈沖參數(shù)的定義 脈沖幅度A 脈沖上升時(shí)間tr 脈沖下降時(shí)間tf 脈沖的預(yù)沖Sd 脈沖的上沖Sb 脈沖的下沖Sf 衰減振蕩幅度Sc 脈沖寬度 衰減振蕩幅度c 脈沖周期T 脈沖占空比/T 脈沖頂部?jī)A斜e 脈沖頂部不平坦度Aw 測(cè)控電路 根據(jù)參數(shù)可以確定脈沖波形的特性。 當(dāng)脈沖頂部嚴(yán)重失真時(shí)，無法確定 脈沖幅度，可采用密度分布統(tǒng)計(jì)平均 法和密度分布眾數(shù)法來定義。 密度分布統(tǒng)計(jì)平均法：以測(cè)定脈沖波形瞬

14、時(shí)幅值出現(xiàn)的概率分布平均數(shù)為依據(jù)， 按統(tǒng)計(jì)平均法求出幅值（頂值）。 密度分布眾數(shù)法：以測(cè)定脈沖波形瞬時(shí)頂值出現(xiàn)的概率分布眾數(shù)（概率最大）為 基礎(chǔ)，即Mt=概率最大的幅值眾數(shù)。 iit puM 測(cè)控電路 8.3.2 脈沖參數(shù)測(cè)量的方法 脈沖參數(shù)測(cè)量包括脈沖幅值、脈沖寬度、上升時(shí)間、下降時(shí)間、占空比以 及重復(fù)頻率等參數(shù)的測(cè)量。 8.3.2.1 脈沖幅值測(cè)量 1. 峰值檢波法測(cè)量脈沖幅值： 利用峰值保持電路的基本特性，在輸入信號(hào)未達(dá)到最大值時(shí)輸出信 號(hào)跟蹤輸入信號(hào)大??；當(dāng)輸入信號(hào)從最大值下降時(shí)，輸出信號(hào)保持在最 大值出，直到輸入信號(hào)幅值大于先前所保持的峰值，輸出才繼續(xù)跟蹤輸 入，直到新的峰值。 測(cè)控

15、電路 同向型峰值比較器同向型峰值比較器 對(duì)對(duì)Ui的正峰值進(jìn)行保持（比較器的正峰值進(jìn)行保持（比較器+跟隨器）跟隨器） N1 Ui Uo UC R1 VD S C N2 測(cè)控電路 反向型峰值保持電路，對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)峰值進(jìn)行保持（反相加法電路反向型峰值保持電路，對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)峰值進(jìn)行保持（反相加法電路+ 跟隨器）跟隨器） )( 1 3 1ioo uu R R u oi uu oi uu VD2導(dǎo)通，電路處于跟隨狀態(tài)導(dǎo)通，電路處于跟隨狀態(tài) VD2截止，電路處于保持狀態(tài)截止，電路處于保持狀態(tài) 測(cè)控電路 2.脈沖保持電路測(cè)量脈沖電壓脈沖保持電路測(cè)量脈沖電壓 作用：將被測(cè)脈沖的峰值加以保持、展寬，提高測(cè)量精度。作用：將被測(cè)脈沖的峰值加以保持、展寬，提高測(cè)量精度。 測(cè)控電路 8.3.2.2 脈沖寬度的測(cè)量 脈沖寬度：離頂值50%處兩點(diǎn)的時(shí)間間隔 測(cè)量實(shí)質(zhì)：時(shí)間間隔的測(cè)