第4章數(shù)字化電測儀表

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第4章數(shù)字化電測儀表4.1

概述4.2

頻率/周期的數(shù)字化測量4.3

相位的數(shù)字化測量4.4

電壓的數(shù)字化測量4.4

電阻、電容的數(shù)字化測量4.6電功率的數(shù)字化測量back2

第4章數(shù)字化電測儀表數(shù)字量是信號幅度隨時間做離散型變化的物理量。將被測對象離散化和數(shù)據(jù)處理后以數(shù)字形式顯示的儀表稱為數(shù)字（顯示）儀表。通過測量裝置（電路）把電測結(jié)果以數(shù)字形式顯示、記錄和控制的儀表稱為數(shù)字式電測儀表?；谟嬎銠C(jī)技術(shù)（單片機(jī)技術(shù)）將被測對象離散化和數(shù)據(jù)處理后以數(shù)字形式顯示、打印、存儲和通信的儀表稱為智能（數(shù)字（顯示））儀表，具有程序控制、誤差自校正、數(shù)據(jù)處理等功能。電子測量儀器正向量程擴(kuò)大化，集成化、模塊化、智能化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、跨專業(yè)多功能化、數(shù)字化趨勢發(fā)展。而這些發(fā)展趨勢的核心是數(shù)字化。無論高檔還是低檔儀器，數(shù)字化越來越普及。4.1概述3

第4章數(shù)字化電測儀表4.1.1數(shù)字式儀表結(jié)構(gòu)模擬量數(shù)字量4

第4章數(shù)字化電測儀表準(zhǔn)確度高——數(shù)字電壓表測量直流電壓的準(zhǔn)確度可達(dá)

10-6數(shù)量級

輸入阻抗高——數(shù)字電壓表基本量程的輸入阻抗高達(dá)1000M以上靈敏度高——現(xiàn)代的積分式數(shù)字電壓表的分辨率可達(dá)到1V以下直接讀數(shù)——

結(jié)果以數(shù)字形式直接給出，讀數(shù)準(zhǔn)確測量速度快——

數(shù)字電壓表的測量速度高達(dá)每秒上萬次測量過程自動化操作簡單4.1.2數(shù)字式儀表的特點結(jié)構(gòu)復(fù)雜

不直觀，不便于觀察動態(tài)過程

價格較高

需要有較高水平的技術(shù)人員維修5例如：某數(shù)字萬用表的最大顯示是1999某數(shù)字萬用表為位首位數(shù)1

1999進(jìn)位后能達(dá)到的整數(shù)位值能顯示完全10進(jìn)制（0-9）的位數(shù)

第4章數(shù)字化電測儀表4.1.2數(shù)字式儀表的特點6

第4章數(shù)字化電測儀表4.1.3數(shù)字式儀表的分類back按顯示位數(shù)分3、4、4、6、7位等按準(zhǔn)確度分低（±0.1％以下）、中（±0.01％以下）、高（±0.01％以上）按測量速度分低速、中速、高速按使用場合分標(biāo)準(zhǔn)型、通用型、面板型按測量參數(shù)分直流電壓表、交流電壓表、功率表、頻率表、相位表、萬用表等74.2.1時間/頻率的基本概念4.2.2電子計數(shù)器原理4.2.3頻率和頻率比測量4.2.4周期和時間間隔測量4.2.5*多周期同步測量技術(shù)back4.2頻率/周期的數(shù)字化測量

第4章數(shù)字化電測儀表8back4.2.1時間/頻率的基本概念

第4章數(shù)字化電測儀表1）時間和頻率的概念◆時間有兩個含義：“時刻”：即某個事件何時發(fā)生；“時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久?！纛l率的定義：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T內(nèi)周期信號重復(fù)變化了N次，則頻率可表達(dá)為：數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間、頻率測量的主要方法。92）時間和頻率的標(biāo)準(zhǔn)back

第4章數(shù)字化電測儀表時間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)

a）天文時標(biāo)

b）原子時標(biāo)石英晶體振蕩器

4.2.1時間/頻率的基本概念10back

第4章數(shù)字化電測儀表石英晶體振蕩器

普通電子系統(tǒng)內(nèi)部時間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（簡稱“晶振”）為基準(zhǔn)信號源。基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點，在拐點處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-4。

采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施（恒定在拐點處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。

4.2.1時間/頻率的基本概念113）時頻測量的特點◆最常見和最重要的測量

◆測量準(zhǔn)確度高 時間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度(可達(dá)10-14），校準(zhǔn)（比對）方便，因而數(shù)字化時頻測量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量?！糇詣踊潭雀摺魷y量速度快back

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.1時間/頻率的基本概念124）測量方法概述◆頻率的測量方法可以分為：back

第4章數(shù)字化電測儀表差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測周期法模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法4.2.1時間/頻率的基本概念13

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.2電子計數(shù)器原理1.工作原理計數(shù)電路的計數(shù)值為：門控計數(shù)法功能框圖已知和兩者中任一個，通過計數(shù)器可測量另一個。但前提是：即門控信號頻率遠(yuǎn)小于計數(shù)信號頻率。14電子計數(shù)器原理框圖基本組成：輸入通道主門電路計數(shù)與顯示電路時間基準(zhǔn)電路控制電路

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.2電子計數(shù)器原理15

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.2電子計數(shù)器原理倍頻分頻16

第4章數(shù)字化電測儀表1）輸入通道◆作用：主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)等單元電路構(gòu)成。其作用是對輸入信號處理以產(chǎn)生符合計數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖信號。

◆斯密特觸發(fā)電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對輸入信號具有較好的抗干擾作用。4.2.2電子計數(shù)器原理17

第4章數(shù)字化電測儀表2）主門電路◆功能：主門也稱為閘門，通過“門控信號”控制進(jìn)入計數(shù)器的脈沖，使計數(shù)器只對預(yù)定的“閘門時間”之內(nèi)的脈沖計數(shù)?！綦娐罚河伞芭c門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“與門”構(gòu)成的主門，其“門控信號”為‘1’時，允許計數(shù)脈沖通過；由“或門”構(gòu)成的主門，其“門控信號”為‘0’時，允許計數(shù)脈沖通過?！簟伴T控信號”還可手動操作得到，如實現(xiàn)手動累加計數(shù)。4.2.2電子計數(shù)器原理18

第4章數(shù)字化電測儀表3）計數(shù)與顯示電路計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果（反映測量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來。4.2.2電子計數(shù)器原理19

第4章數(shù)字化電測儀表4）時基產(chǎn)生電路◆功能：產(chǎn)生測頻時的“門控信號”（多檔閘門時間可選）及時間測量時的“時標(biāo)”信號（多檔可選）。◆實現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號”。

4.2.2電子計數(shù)器原理20

第4章數(shù)字化電測儀表4）控制電路◆功能：產(chǎn)生各種控制信號，控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按“復(fù)零－測量－顯示”的工作程序完成自動測量的任務(wù)。如下圖所示：準(zhǔn)備期（復(fù)零，等待）

測量期（開門，計數(shù)）

顯示期（關(guān)門，停止計數(shù)）4.2.2電子計數(shù)器原理21

第4章數(shù)字化電測儀表5）電子計數(shù)器性能4.2.2電子計數(shù)器原理（1）測量范圍：毫赫~幾十GHz。（2）準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。（3）晶振頻率及穩(wěn)定度：一般要求高于所要求的測量準(zhǔn)確度的一個數(shù)量級（10倍）。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達(dá)10-7~10-9。（4）輸入特性：包括耦合方式（DC、AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（10~100mV）、輸入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）閘門時間(測頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時標(biāo)(測周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。22back

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.3頻率和頻率比測量TB放大整形閘門門控電路計數(shù)顯示Afx分頻電路1）頻率測量23測量頻率的誤差由兩部分組成：back

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.3頻率和頻率比測量-量化誤差標(biāo)準(zhǔn)時基誤差晶體振蕩器的頻率誤差所引起，與晶振的穩(wěn)定性密切相關(guān)。24back在測量頻率時，主閘門開啟的時刻相對于被測信號是隨機(jī)的，兩者之間沒有同步關(guān)系。因此，在相同的主閘門開啟時間內(nèi)，計數(shù)器所計數(shù)的脈沖個數(shù)可能不一樣。量化誤差:計數(shù)器所固有的原理性誤差Nx=10 Nx=9

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.3頻率和頻率比測量-量化誤差25電子計數(shù)器在測量低頻信號的頻率時改為測量該信號的周期，然后由周期計算頻率。

第4章數(shù)字化電測儀表計數(shù)器計得的數(shù)越大，量化誤差就越小。4.2.3頻率和頻率比測量26◆原理：實際上，前述頻率測量的比較測量原理就是一種頻率比的測量：fx對fd的頻率比。 據(jù)此，若要測量fA對fB的頻率比（假設(shè)fA>fB），只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時間內(nèi)對fA作周期計數(shù)即可?！舴椒ǎ篺A對fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.3頻率和頻率比測量2）頻率比測量27◆頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入?！籼岣哳l率比的測量精度：擴(kuò)展B通道信號的周期個數(shù)?！魬?yīng)用：可方便地測得電路的分頻或倍頻系數(shù)。back

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.3頻率和頻率比測量28

第4章數(shù)字化電測儀表back當(dāng)被測信號頻率較低時，用計數(shù)器測量頻率的誤差大。采用測量周期的方法來增加讀數(shù)的位數(shù)，降低測量誤差。4.2.4周期和時間間隔測量1）周期測量29

第4章數(shù)字化電測儀表當(dāng)被測周期較小時，為了增加讀數(shù)位數(shù)，提高測量的準(zhǔn)確度，可以把被測周期分頻，也就是延長開門時間，這樣也可以擴(kuò)展測量周期的量限。*小周期的測量4.2.4周期和時間間隔測量30

第4章數(shù)字化電測儀表back測量周期的誤差

計數(shù)Nx越大，相對誤差越小。為此，盡量減小填充脈沖的周期，即增大計數(shù)脈沖的頻率。另外，可以將被測周期通過分頻器展寬，用拉長Tx的辦法把Nx增加10至104倍。若用K表示展寬的倍數(shù)，則4.2.4周期和時間間隔測量晶體的時基誤差31欲測量兩個脈沖間的時間間隔，將起始信號和終止信號分別由B、C通道輸入，時標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。

第4章數(shù)字化電測儀表4.2.4周期和時間間隔測量2）時間間隔測量在測量頻率時，當(dāng)被測信號頻率很低時，由±1誤差而引起的測量誤差將大到不能允許的程度，例如，fx＝1Hz，閘門時間為1s時，由±1誤差而引起測量誤差高達(dá)100%。因此，為提高低頻測量精度，通常將電子計數(shù)器的功能轉(zhuǎn)為測周期，然后再利用頻率與周期互為倒數(shù)的關(guān)系來換算其頻率值。但在測量周期時，當(dāng)被測周期很小時，也會產(chǎn)生同樣的問題并且存在同樣的解決辦法。即在被測信號的周期很小時，宜先測頻率，再換算出周期。*4.2.5多周期同步測量技術(shù)

第4章數(shù)字化電測儀表但是，還存在兩個問題：①、該方法不能直接讀出被測信號的頻率值或周期值；②、在中界頻率附近，仍不能達(dá)到較高的測量精度。若采用多周期同步測量方法，便可解決上述問題。測頻誤差及測周誤差與被測信號頻率的關(guān)系如圖示，圖中測頻和測周兩條誤差曲線交點所對應(yīng)的頻率稱中界頻率fxm。很顯然，當(dāng)被測信號頻率fx＞fxm時，宜采用測頻的方法，當(dāng)被測信號的頻率fx＜fxm時，宜采用測周的方法。多周期同步測量原理事件計數(shù)器時間計數(shù)器4.2.5多周期同步測量技術(shù)

第4章數(shù)字化電測儀表由于D觸發(fā)器的同步作用，待測信號計數(shù)器Ⅰ所記錄的NA值（無論多小）已不存在±1誤差的影響。由于時鐘信號與閘門的開和關(guān)無確定關(guān)系，計數(shù)器Ⅱ所記錄的NB的值仍存在±1誤差的影響。但是，由于時鐘頻率f0很高使得NB很大，±1誤差的影響很小，且在全頻段的測量精度是均衡的,測量精度已與被測信號的頻率無關(guān)。設(shè)閘門時間為1s，取時鐘頻率f0＝10MHz，則由±1誤差而引起的相對誤差恒定為10－7。若要進(jìn)一