電信號基本參量的常用測量方法

1、第第 6 章章 電信號基本參量的常用測量方法電信號基本參量的常用測量方法13.1 周期性信號的頻率、相位的測量周期性信號的頻率、相位的測量 1頻率（周期）的數(shù)字化測量頻率（周期）的數(shù)字化測量 11 計數(shù)法測頻的基本原理計數(shù)法測頻的基本原理 計數(shù)法測量頻率，就是在一定的時間間隔計數(shù)法測量頻率，就是在一定的時間間隔 內(nèi)，對被測信號內(nèi)，對被測信號( (頻率為頻率為f ，周期為周期為 ) )進行計數(shù)，如圖所示。計數(shù)器的閘門的進行計數(shù)，如圖所示。計數(shù)器的閘門的開啟與關(guān)閉受控制，即開啟時間為開啟與關(guān)閉受控制，即開啟時間為 ，所以計數(shù)器的計數(shù)值，所以計數(shù)器的計數(shù)值N為為所以，被測信號的頻率為所以，被測信號的

2、頻率為0TfT1fTTTN0000NfTNf 閘 門 10 進制計數(shù)器 0Tf圖13-1-1 計數(shù)法測頻原理框圖 0T 計數(shù)控制閘門可由門電路或模擬開關(guān)構(gòu)成，由于其開啟時間為計數(shù)控制閘門可由門電路或模擬開關(guān)構(gòu)成，由于其開啟時間為 ，所以，所以 又稱為又稱為“閘門時間閘門時間”。 閘門時間通常以秒為單位，閘門時間通常以秒為單位，一般有一般有10s、1s、0.1s、0.01s等幾種，為了獲得較多的測量位數(shù)及測等幾種，為了獲得較多的測量位數(shù)及測量精度，所以較長的閘門時間一般用來測量較低的頻率；由于計數(shù)量精度，所以較長的閘門時間一般用來測量較低的頻率；由于計數(shù)器的位數(shù)總是有限的，因而對于較高頻率，則應(yīng)

3、選用較小的閘門時器的位數(shù)總是有限的，因而對于較高頻率，則應(yīng)選用較小的閘門時間，以免使測量數(shù)據(jù)溢出。間，以免使測量數(shù)據(jù)溢出。 當被測信號的頻率很高時，當被測信號的頻率很高時，還常常先將還常常先將被被測信號作分頻處理后測信號作分頻處理后再進行計數(shù)測量再進行計數(shù)測量。若分頻比為若分頻比為m（m =1=1、1010、100100、），則），則被測被測信號的頻率為信號的頻率為0T0T0TNmf 閘 門 10 進制計數(shù)器 0Tf圖-1-2 分頻計數(shù)法原理框圖 分頻 m 若若被測信號的頻率太高，可以利用變頻（混頻）電路對被測信被測信號的頻率太高，可以利用變頻（混頻）電路對被測信號進行降頻處理后再進行計數(shù)測量

4、，以降低對器件速度的要求。由號進行降頻處理后再進行計數(shù)測量，以降低對器件速度的要求。由于數(shù)字電路工作速度的提高，目前這種方法已基本不再采用了。于數(shù)字電路工作速度的提高，目前這種方法已基本不再采用了。 前文已述，采用計數(shù)法測量較低的頻率時，應(yīng)選擇較長的閘門前文已述，采用計數(shù)法測量較低的頻率時，應(yīng)選擇較長的閘門時間，當被測信號的頻率太低時，閘門時間（測量時間）將會長到時間，當被測信號的頻率太低時，閘門時間（測量時間）將會長到測量者無法忍受的程度。例如，測量測量者無法忍受的程度。例如，測量1Hz左右的信號頻率，位數(shù)需左右的信號頻率，位數(shù)需達到達到6位，則閘門時間至少應(yīng)為位，則閘門時間至少應(yīng)為105s

5、（約（約1個月），這顯然是不可行個月），這顯然是不可行的。因而，對于較低頻率信號宜采取先測量其周期的。因而，對于較低頻率信號宜采取先測量其周期T，然后再根據(jù)，然后再根據(jù) 的關(guān)系求得其頻率，而的關(guān)系求得其頻率，而較低頻率信號的周期較長，容易獲得較低頻率信號的周期較長，容易獲得較高的測量精度。較高的測量精度。Tf1采用計數(shù)法測量周期，就是在與采用計數(shù)法測量周期，就是在與被測信號的周期被測信號的周期T相關(guān)的一定的時相關(guān)的一定的時間間 間隔間隔( (通常為周期性被測信號通常為周期性被測信號的一個周期的一個周期) )內(nèi)，對作為時標的脈內(nèi)，對作為時標的脈沖沖 ( (f 0為時標脈沖的為時標脈沖的頻率頻率)

6、 )， 閘 門 10 進制計數(shù)器 T0f圖 13-1-3 計數(shù)法測量周期的原理框圖 T001fT 進行計數(shù)。計數(shù)器的閘門的開啟與關(guān)閉受進行計數(shù)。計數(shù)器的閘門的開啟與關(guān)閉受 控制，控制，即開啟時間間隔即開啟時間間隔為為 ，所以計數(shù)器的計數(shù)值所以計數(shù)器的計數(shù)值N為為 ，當使，當使 ， ，所，所以，被測信號的周期為以，被測信號的周期為TT0TTNTT 0TTN 0NTT 12 頻率（周期）計數(shù)法測量的誤差頻率（周期）計數(shù)法測量的誤差 121 計數(shù)法的量化誤差計數(shù)法的量化誤差 由于已知量和被測量由于已知量和被測量T和和T0是兩個互不相關(guān)的量，且是兩個互不相關(guān)的量，且T通常不是通常不是T0的整數(shù)（的整數(shù)

7、（N）倍（或）倍（或T0通常不是通常不是T的整數(shù)倍，測頻時。），即的整數(shù)倍，測頻時。），即T與與NT0（或（或NT與與T0）之間存在一定的誤差，下面我們以頻率測量為例，）之間存在一定的誤差，下面我們以頻率測量為例，來分析其測量誤差的大小。來分析其測量誤差的大小。 對于相同頻率的被測信對于相同頻率的被測信號和閘門時間，若于閘門開號和閘門時間，若于閘門開啟時刻與被測信號脈沖的相啟時刻與被測信號脈沖的相對位置不同，計數(shù)到的脈沖對位置不同，計數(shù)到的脈沖的個數(shù)也不相同。的個數(shù)也不相同。( (a) )圖的情圖的情況下，計數(shù)脈沖況下，計數(shù)脈沖N 的個數(shù)大的個數(shù)大于實際值，而于實際值，而( (b) )圖的情況

8、下，圖的情況下，計數(shù)脈沖計數(shù)脈沖N 的個數(shù)將小于實的個數(shù)將小于實際值。綜上所述，際值。綜上所述，計數(shù)法的計數(shù)法的最大量化誤差最大量化誤差 。1N即計數(shù)法的最大方法量化誤即計數(shù)法的最大方法量化誤差為末尾正負一個字。差為末尾正負一個字。 閘 門 閘 門 計 數(shù) 脈 沖 計 數(shù) 脈 沖 被 測 信 號 被 測 信 號 ( a ) ( b ) 圖 13-1-4 計 數(shù) 法 量 化 誤 差 示 意 圖 0T0T 應(yīng)該指出，應(yīng)該指出， 僅僅是方法誤差，而實際的測量誤差還應(yīng)包僅僅是方法誤差，而實際的測量誤差還應(yīng)包含閘門時間含閘門時間T0的誤差和閘門開、關(guān)時延不同等方面應(yīng)起的誤差。的誤差和閘門開、關(guān)時延不同等

9、方面應(yīng)起的誤差。 121 噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差 被測信號脈沖的形成通常采用施密特觸發(fā)器。在不存在噪聲干被測信號脈沖的形成通常采用施密特觸發(fā)器。在不存在噪聲干擾的情況下，施密特觸發(fā)器可以將正弦波等較為規(guī)則的信號整型成擾的情況下，施密特觸發(fā)器可以將正弦波等較為規(guī)則的信號整型成周期與輸出信號相同的矩形脈沖來作為計數(shù)脈沖或閘門控制信號。周期與輸出信號相同的矩形脈沖來作為計數(shù)脈沖或閘門控制信號。但是，如果被測信號中含有較強的噪聲干擾（噪聲干擾的幅度大于但是，如果被測信號中含有較強的噪聲干擾（噪聲干擾的幅度大于施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口），且干擾脈沖落在施密特觸發(fā)器的觸發(fā)施密特觸發(fā)器的

10、觸發(fā)窗口），且干擾脈沖落在施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口內(nèi)，將會使施密特觸發(fā)器產(chǎn)生誤觸發(fā)，從而使計數(shù)器產(chǎn)生錯誤窗口內(nèi)，將會使施密特觸發(fā)器產(chǎn)生誤觸發(fā)，從而使計數(shù)器產(chǎn)生錯誤計數(shù)。消除的計數(shù)。消除的1N 圖 13-1-5 干擾脈沖引起的觸發(fā)誤差及消除 ( a ) 干擾脈沖引起的觸發(fā)誤差 ( b ) 調(diào)整觸發(fā)窗口位置消除觸發(fā)誤差 觸發(fā)窗口 觸發(fā)窗口 辦法是：盡可辦法是：盡可能加寬施密特能加寬施密特觸發(fā)器的觸發(fā)觸發(fā)器的觸發(fā)窗口；正確選窗口；正確選擇觸發(fā)窗口相擇觸發(fā)窗口相對被測信號的對被測信號的電平位置，如電平位置，如圖五圖五( ( b) )所示所示。 2相位的測量相位的測量 相位的測量實際是指兩個同頻周期性信號

11、的相位差的測量，常相位的測量實際是指兩個同頻周期性信號的相位差的測量，常采用相位電壓轉(zhuǎn)換測量法采用相位電壓轉(zhuǎn)換測量法 。 圖中圖中E1和和E2為頻率相同相位差為為頻率相同相位差為 的兩個被測正弦信號，經(jīng)限幅的兩個被測正弦信號，經(jīng)限幅放大和脈沖整形后變成方波信號，經(jīng)微分后通過鑒相器輸出寬度放大和脈沖整形后變成方波信號，經(jīng)微分后通過鑒相器輸出寬度 與兩個信號相位差與兩個信號相位差 有關(guān)的方脈沖，方脈沖的電平高度為有關(guān)的方脈沖，方脈沖的電平高度為 ，重復(fù)周期重復(fù)周期T與輸入的正弦波形同，其平均值（直流分量）與輸入的正弦波形同，其平均值（直流分量） 為為xxTxgU0UTTUUxg0經(jīng)低通濾波后被經(jīng)低

12、通濾波后被A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。相位差相位差 與方脈沖寬度與方脈沖寬度 及正弦波的重復(fù)周期及正弦波的重復(fù)周期T間的關(guān)系為間的關(guān)系為xxT2xxTT所以所以20 xgxgUTTUUgxUU02即即 13.2 脈沖時間間隔的測量脈沖時間間隔的測量 1測量原理測量原理 脈沖時間間隔的測量原理框脈沖時間間隔的測量原理框圖如圖如圖圖所示。它可以分別由測所示。它可以分別由測量量A通道通道( (起始脈沖起始脈沖) )和和B通道通道( (終止脈終止脈) )輸入的兩個脈沖的時輸入的兩個脈沖的時間間隔間間隔T。如果起始脈沖與終止。如果起始脈沖與終止脈沖不能分離成兩個通道的信脈沖不能分離成兩個通

13、道的信號時，可以將開關(guān)號時，可以將開關(guān)S閉合，由閉合，由A、B兩個通道中的任一通道輸入。兩個通道中的任一通道輸入。當起始脈沖與終止脈沖的時間當起始脈沖與終止脈沖的時間間隔為間隔為tx，計數(shù)器的計數(shù)值將為，計數(shù)器的計數(shù)值將為0TtNx所以所以 tx =NT0。圖圖6-1-76-1-7 2時標的選擇及測量誤差時標的選擇及測量誤差 脈沖時間間隔的測量采用的也是計數(shù)法。我們已經(jīng)知道，計數(shù)脈沖時間間隔的測量采用的也是計數(shù)法。我們已經(jīng)知道，計數(shù)法的方法最大量化誤差為末尾正負一個字。所以，為了增大計數(shù)量法的方法最大量化誤差為末尾正負一個字。所以，為了增大計數(shù)量N，減小測量誤差，減小測量誤差，在不產(chǎn)生計數(shù)溢出

14、的條件下時標脈沖在不產(chǎn)生計數(shù)溢出的條件下時標脈沖T0越小越越小越好。好。 八八 如圖所示，觸發(fā)門如圖所示，觸發(fā)門控電路的觸發(fā)脈沖都具控電路的觸發(fā)脈沖都具有一定的上升和下降時有一定的上升和下降時間（所有的觸發(fā)脈沖的間（所有的觸發(fā)脈沖的上升及下降時間都不可上升及下降時間都不可能為零），同時門控電能為零），同時門控電路也具有一定的觸發(fā)電路也具有一定的觸發(fā)電平（窗口），所以，當平（窗口），所以，當采用計數(shù)法測量脈采用計數(shù)法測量脈沖沖寬寬度時，有時應(yīng)考慮采取度時，有時應(yīng)考慮采取必要的補償。必要的補償。 13.3 信號頻譜的測量信號頻譜的測量 對非周期性信號，往往需要了解信號構(gòu)成的頻率成分，這就需對非周期

15、性信號，往往需要了解信號構(gòu)成的頻率成分，這就需要進行信號頻譜的測量（或稱為頻譜分析）。頻譜分析一般可利用要進行信號頻譜的測量（或稱為頻譜分析）。頻譜分析一般可利用付里葉變換，采用數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)。時域付里葉變換，采用數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)。時域頻域間的付里頻域間的付里葉變換公式我們是熟知的，即葉變換公式我們是熟知的，即 ，也可以寫成，也可以寫成dtetfFtj)()(dtetffFtfj2)()( 數(shù)字信號處理技術(shù)需要對數(shù)字信號處理技術(shù)需要對 按一定的時間間隔按一定的時間間隔 做數(shù)字化做數(shù)字化采樣處理，采樣處理， 轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成 ，采用離散付里葉變換（高速付里葉變換）方式進行處理。采用離散

16、付里葉變換（高速付里葉變換）方式進行處理。 對于離散的采樣值，對于離散的采樣值， 、 、 , 令令這就是離散的付里葉變換公式。利用這就是離散的付里葉變換公式。利用FFT可以得到可以得到Fm，即被測信號，即被測信號的頻譜分布函數(shù)的頻譜分布函數(shù)F( f )。)(tft)N,2,1,0,()(ntntftnfn)(tftntnftnf)()N,2,1,0,(n),N,2,1,0,(mfmfmFfmFfF)()(tfftnmfmtnN1N1N連續(xù)付氏變換可寫成連續(xù)付氏變換可寫成nnmjnmefFN2 由由 可知，為了提高頻率分辨率可知，為了提高頻率分辨率 ，可以通過降，可以通過降低采樣頻率（增大采樣時

17、間間隔低采樣頻率（增大采樣時間間隔 ）或加大采樣點數(shù)）或加大采樣點數(shù)N來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。然而，根據(jù)奈奎斯特采用定理，為了防止頻譜混疊，采樣時間間隔然而，根據(jù)奈奎斯特采用定理，為了防止頻譜混疊，采樣時間間隔 不能過大，所以在存儲器空間允許的條件下，加大采樣點數(shù)不能過大，所以在存儲器空間允許的條件下，加大采樣點數(shù) N 是是個不錯的選擇。圖九中的低通濾器就是為了防止頻譜混疊而加入的。個不錯的選擇。圖九中的低通濾器就是為了防止頻譜混疊而加入的。tfN1ftt 13.4 交流信號電壓的測量交流信號電壓的測量 1交流電壓的表征交流電壓的表征 11 峰值峰值 周期性交流電信號周期性交流電信號 偏離零電平的最大

18、值稱為峰值偏離零電平的最大值稱為峰值UP（或（或Um）。典型的周期性交流電信號）。典型的周期性交流電信號 是正弦信號，不含直流成分的是正弦信號，不含直流成分的正弦信號為正弦信號為 這種信號的正負峰值是對稱的（相等）。如果交流電信號的正負峰這種信號的正負峰值是對稱的（相等）。如果交流電信號的正負峰值不對稱的（不相等），可以用值不對稱的（不相等），可以用UP+、UP-來分別表示信號的正負峰來分別表示信號的正負峰值。值。 12平均值平均值 周期性交流電信號周期性交流電信號 的平均值的平均值 被定義為被定義為T為信號的周期。顯然，正弦信號的平均值為零。為信號的周期。顯然，正弦信號的平均值為零。 在電子

19、測量中，經(jīng)常要測量交流信號檢波（整流）后的平均值。在電子測量中，經(jīng)常要測量交流信號檢波（整流）后的平均值。交流信號的整流分為全波整流和半波整流兩種，全波整流的平均值交流信號的整流分為全波整流和半波整流兩種，全波整流的平均值為為)(tu)(tu)sin()(tUtuPUdttuTUT0)(1)(tuUdttuTUT0)(1 13有效值有效值U或或Urms 如果某個交流電如果某個交流電 和一個直流電和一個直流電U分別加在同一個純電阻上，分別加在同一個純電阻上，當它們產(chǎn)生的焦耳熱相等時，這個交流電的有效值等于直流電當它們產(chǎn)生的焦耳熱相等時，這個交流電的有效值等于直流電U。這個關(guān)系可以寫成這個關(guān)系可以

20、寫成)(tudtRtuTRUT022)(即dttuTUT02)(1 14 波形因數(shù)波形因數(shù)KF、波峰因數(shù)、波峰因數(shù)KP 交流電壓波形因數(shù)交流電壓波形因數(shù)KF的定義為該電壓的平均值與有效值之比的定義為該電壓的平均值與有效值之比UUKF而交流電壓波峰因數(shù)而交流電壓波峰因數(shù)KP的定義為該電壓的峰值與有效值之比的定義為該電壓的峰值與有效值之比UUKPP 不同的電壓波形，其不同的電壓波形，其KF、KP亦不相同。了解到一些常見波形的亦不相同。了解到一些常見波形的KF、KP可以利用信號的峰值快速計算的它們有效值及平均值?？梢岳眯盘柕姆逯悼焖儆嬎愕乃鼈冇行е导捌骄?。13.5 電流的測量電流的測量13.5.

21、1 電流電流- -電壓轉(zhuǎn)化電壓轉(zhuǎn)化KrIUxx 一、取樣電阻法一、取樣電阻法適合測量較大電流，適合測量較大電流，取樣電阻不宜太大。取樣電阻不宜太大。RIUxx 二、反饋電阻法二、反饋電阻法 32121RRRRRIUxx適合測量小電流適合測量小電流三、三、 電流互感器法（工頻交流）電流互感器法（工頻交流）2. 電流電壓變換電路電流電壓變換電路1. 電流互感器電流互感器鉗形表（鉗形互感式電流表）鉗形表（鉗形互感式電流表）13.6 電功率與電功的測量電功率與電功的測量電動系電動系直讀直讀功率表感應(yīng)系有功電度表功率表感應(yīng)系有功電度表、電子測量式、電子測量式功率表功率表6.6.1 電動系功率表電動系功率表電動系功率表的測量機電動系功率表的測量機構(gòu)原理示意圖構(gòu)原理示意圖VRUI 1II 2靜圈與動圈間的相互作用力矩靜圈與動圈間的相互作用力矩 Mt21IIKMt 與指針相連，由游與指針相連，由游絲提供恢復(fù)力矩絲提供恢復(fù)力矩游絲的恢復(fù)力矩游絲的恢復(fù)力矩 Mf DMf 平衡時平衡時IUDRKIIDKV 21 功率功率電動式儀表結(jié)構(gòu)電動式儀表結(jié)構(gòu)特點特點: 交直流兩用交直流兩用 cosIU