電子測量4數(shù)字測量方法101028課件

Chapter4數(shù)字測量方法§4.1電壓測量的數(shù)字化方法§4.2直流數(shù)字電壓表§4.3多用型數(shù)字電壓表§4.4頻率的測量§4.5時(shí)間的測量§4.6相位的測量§4.1電壓測量的數(shù)字化方法數(shù)字化測量是將連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)字量，然后進(jìn)行編碼、存儲、顯示及打印等。進(jìn)行數(shù)字化處理，比較方便的量是直流電壓和脈沖(或交流)頻率。對應(yīng)的測量儀器是數(shù)字電壓表(DVM)

和電子計(jì)數(shù)器(一般稱計(jì)數(shù)式頻率計(jì))。

*直流DVM的測量原理A/F(A/T)*綜合數(shù)字化儀表的測量原理§4.2直流數(shù)字電壓表一、DVM的特點(diǎn)：1．?dāng)?shù)字顯示2．準(zhǔn)確度高3．量程轉(zhuǎn)換靈活：自動(dòng)轉(zhuǎn)換、手動(dòng)轉(zhuǎn)換分辨力高測量速度快輸入阻抗高抗干擾能力強(qiáng)二、DVM的主要類型：按工作方式分類1.逐次逼近型、2.并行比較型/串并行型、3.積分型、4.∑-Δ調(diào)制型、5.電容陣列逐次比較型6.壓頻變換型2．逐次比較型DVM工作原理比較器

時(shí)序邏輯控制電路

輸出緩沖器轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出允許啟動(dòng)時(shí)鐘Ui

US

D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)源數(shù)據(jù)寄存器譯碼顯示(1)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換電路相對精煉。0.125VMAXV0.6875VMAX0.75VMAX0.625VMAX0.5VMAX0.5VMAX第一次比較1第二次比較0第三次比較1第四次比較

0VIN0t0.25VMAX0.0625VMAX(2)電路(3)例DVM做4次比較，基準(zhǔn)Ur

=1V，輸入U(xiǎn)i=0.68V，Uomt0t1t2t3′t3′uN

放大器積分輸出：工作過程：時(shí)段①：定時(shí)積分,T1=t2-t1;時(shí)段②：定值積分，從t2開始，過零結(jié)束;若時(shí)鐘頻率為F，則T2

期間的脈沖數(shù)：(2)基本原理：(1)電路結(jié)構(gòu)3．雙積分型DVM工作原理(2)應(yīng)用電路：由集成塊7106構(gòu)成3位半數(shù)字電壓表的典型電路如圖(4)應(yīng)用電路：

①恢復(fù)型U－F轉(zhuǎn)換器電路圖1

②恢復(fù)型U－F轉(zhuǎn)換器電路圖2圖4.1.10(b)恢復(fù)型U－F轉(zhuǎn)換器電路圖三、DVM的測量誤差：DVM的固有誤差，常用下列兩種方式表示：其中：

①a％UX為示值相對誤差，與讀數(shù)成正比，稱為讀數(shù)誤差。它與儀器各單元電路的不穩(wěn)定性有關(guān)。

②b％UX為不隨讀數(shù)變化的滿度誤差，由量化誤差和0點(diǎn)誤差等組成。量化是把本來有無窮個(gè)取值的模擬量用有限個(gè)數(shù)字量來表示的過程。0點(diǎn)偏移如同磁電式電壓表的機(jī)械0點(diǎn)沒有調(diào)好一樣，對于DVM，多發(fā)生在末位數(shù)字上。滿度誤差與被測電壓大小無關(guān)，而與所取量程有關(guān)，∴常常用正負(fù)幾個(gè)字來表示。為了避免滿度誤差對測量結(jié)果的影響，應(yīng)選擇合適的量程，使被測電壓顯示的位數(shù)盡量多。

例:用某型DVM測量0.5V電壓，若使用200V量程時(shí)，顯示000.52V,滿度誤差±2個(gè)字,誤差的影響是很大的；而使用2V量程時(shí)，能顯示0.5002,這時(shí)的滿度誤差±2個(gè)字,誤差就小多了。與其他儀器一樣，DVM除了上述固有誤差之外，還有影響誤差等。例如:輸入阻抗、環(huán)境溫度等引起的誤差?！?.3多用型數(shù)字電壓表*多用表組成：DVM一、交流電壓—直流電壓轉(zhuǎn)換器：模擬式電壓表利用二極管構(gòu)成的平均值和峰值檢波電路，驅(qū)動(dòng)直流微安表指針偏轉(zhuǎn)，如圖(a)。這種檢波器是非線性的，因?yàn)槎O管非線性特性和閥值電壓VT的影響，使檢波輸出的線性很差，如圖(b)所示。輸出電壓瞬時(shí)值uo與交流輸入電壓瞬時(shí)值ui存在如下關(guān)系：當(dāng)ui較低時(shí),其很大部分消耗在非線性二極管壓降UDV上,當(dāng)ui＜UT=0.6V時(shí)；uo=0，這種畸變對于測量變換是不允許的。

(b)1.直接二極管檢波：1)采用運(yùn)放式半波檢波原理：

它利用運(yùn)放的高增益來補(bǔ)償二極管正向管壓降。若運(yùn)放A1的開環(huán)增益K01＝105，二極管VD1的壓降為UT=0.6V，在輸入端引起的等效電壓損失為：∴這樣的補(bǔ)償使得VD1的等效正向壓降減小到6μV，二極管可以視為理想檢波器件，輸入與輸出之間呈現(xiàn)良好的線性。如圖(d)所示。2.運(yùn)放半波式檢波：2)采用運(yùn)放式半波檢波實(shí)用電路：其中：當(dāng)輸入交流電壓進(jìn)入負(fù)半波時(shí)，由VD2，R3形成負(fù)反饋通道。檢波級的增益由R1／R2的比例決定，本電路中這兩個(gè)電阻均為10kΩ，∴增益為l。正半波時(shí)經(jīng)VD1進(jìn)行半波檢波，完成AC-DC變換作用。二、電阻—直流電壓轉(zhuǎn)換器：

①R-U轉(zhuǎn)換電路1：二、電阻—直流電壓轉(zhuǎn)換器：

②與雙積分DVM相配合的R-U轉(zhuǎn)換電路：在定時(shí)積分(采樣)階段,合S1,對ux積分;然后合S2,對uN進(jìn)行定值積分,當(dāng)積分輸出電壓過0時(shí)，比較時(shí)間：可見,Rx

與ux成正比,ux又與T2成正比。將Rx轉(zhuǎn)換成T2后，再利用脈沖計(jì)數(shù)法即可實(shí)現(xiàn)Rx的數(shù)字顯示。將采樣電阻串聯(lián)在放大器的反饋回路中，設(shè)Σ點(diǎn)虛地，則：三、直流電流—直流電壓轉(zhuǎn)換器：

①I-U轉(zhuǎn)換電路a：讓被測電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻，再用直流DVM測量電阻上的電壓，即實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。+-

②I-U轉(zhuǎn)換電路b：利用3位半DVM組成的簡易數(shù)字電流表電路。

③I-U轉(zhuǎn)換電路c：1.原子頻標(biāo)的基本原理

根據(jù)量子理論，原子或分子只能處于一定的能級，其能量不能連續(xù)變化，而只能躍遷。當(dāng)由一個(gè)能級向另一個(gè)能級躍遷時(shí)，就會(huì)以電磁波的形式輻射或吸收能量，其輻射頻率f嚴(yán)格地決定于兩能級之間的能量差，即：由于該現(xiàn)象是微觀原子或分子所固有的，∴非常穩(wěn)定。若設(shè)法使原于或分子受到激勵(lì)，便可得到相應(yīng)的穩(wěn)定而又準(zhǔn)確的頻率。這就是原子頻標(biāo)的基本原理。h為普朗克常數(shù)；ΔE為躍遷能級間的能量差。1967年第十三屆國際計(jì)量大會(huì)通過新的原子秒的定義：秒是與銫Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級間躍遷時(shí)，相對應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。原子時(shí)的時(shí)刻起點(diǎn)為1958年1月1日0時(shí)。銫原子鐘的精度已達(dá)10-14~10-15量級，甚至更高。這相當(dāng)于數(shù)十萬年乃至百萬年不差1s。銫原子鐘分為大銫鐘和小銫鐘兩種，兩者的原理相同。大銫鐘都是安置于專用實(shí)驗(yàn)室，作為頻率基準(zhǔn)；小銫鐘則可作為良好的頻率工作標(biāo)準(zhǔn)。2.銫原子鐘3.氫原子鐘

氫原子鐘亦稱氫原子激射器。它是從氫原子中選出高能級的原子送入諧振腔，當(dāng)原子從高能級躍遷到低能級時(shí)，輻射出頻率準(zhǔn)確的電磁波，可用其作為頻率標(biāo)準(zhǔn)。氫原于鐘的短期穩(wěn)定度很好，可達(dá)10-14~10-15量級；但由于儲存泡壁移效應(yīng)等影響，其精度只能達(dá)到10-12量級。4.銣原子鐘

銣原子鐘是一種體積小、重量輕、便于攜帶的原子頻標(biāo)，由于存在老化頻移等影響，其精度約為10-11量級，只能作為工作標(biāo)準(zhǔn)。5.離子儲存頻標(biāo)

離子儲存頻標(biāo)，亦稱離子阱頻標(biāo)，該類頻標(biāo)存在的主要問題是儲存的離子與殘存氣體碰撞產(chǎn)生的碰撞頻移，以及由于儲存的離子數(shù)量少，而使信噪比較低等。預(yù)計(jì)離子阱頻標(biāo)的精度可達(dá)10-15~10-16

量級，甚至更高。從基本原理和技術(shù)方案來看，離子阱頻標(biāo)的確有較大的發(fā)展?jié)摿?，可能成為未來的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。我國陜西天文臺是規(guī)模較大的現(xiàn)代化授時(shí)中心，它有發(fā)格時(shí)間與頻率的專用電臺。臺內(nèi)有氫原子鐘和瑟原子鐘，成為我國原子時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。它能夠保持三萬年以上才有±1s的偏差。中央人民廣播電臺的北京時(shí)間報(bào)時(shí)聲，就是由陜西天文臺授時(shí)給北京天文臺，再通過中央人民廣播電臺播發(fā)的。6.頻段的劃分國際上規(guī)定30kHz以下為甚低頻、超低頻，30kHz以上每10倍頻程依次劃分為低、中、高、甚高、特高、超高等頻段。在微波技術(shù)中,按波長λ(m)＝300/f(MHz)]劃分為米波/分米波/厘米波/毫米波等波段。在一般電子技術(shù)中把:20Hz~20kHz的頻段稱為音頻，20Hz~20MHz頻段稱為視頻，30kHz~幾十GHz頻段稱為射頻。當(dāng)然，這些界限也只是一個(gè)大致的劃分。在電子測量技術(shù)中，一種劃分法是以30kHz為界，以下稱低頻測量，以上稱高頻測量；另一種劃分法是以100kHz(或lMHz)為界，以下稱低頻測量，以上稱高頻測量(一般，正弦波信號發(fā)生器就是這樣劃分的)。我們采用后一種劃分。目前多用電子計(jì)數(shù)器測頻，它具有測量精度高、速度快、自動(dòng)化程度高、操作簡便、直接顯示數(shù)字等特點(diǎn)，尤其是與微處理器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了程控化和智能化，構(gòu)成智能化計(jì)數(shù)器。目前，電子計(jì)數(shù)器幾乎取代了模擬式測量儀器。二、頻率測量方法3.計(jì)數(shù)式頻率計(jì)組成顯示框圖1:框圖2: