第四章數(shù)字化測(cè)量方法.ppt

1、第四章 數(shù)字化測(cè)量方法,4.1 電壓測(cè)量的數(shù)字化方法,1）DVM的組成 數(shù)字電壓表（Digital Voltage Meter，簡(jiǎn)稱(chēng)DVM）。 組成框圖,包括模擬和數(shù)字兩部分。 輸入電路：對(duì)輸入電壓衰減/放大、變換等。 核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC），實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。 邏輯控制電路：在統(tǒng)一時(shí)鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。,應(yīng)用 直流或慢變化電壓信號(hào)的測(cè)量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器）。 通過(guò)AC-DC變換電路，也可測(cè)量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。

2、 通過(guò)電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測(cè)量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。 基于微處理器的智能化DVM稱(chēng)為數(shù)字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計(jì)算等）和通信接口(如GPIB)。,2）主要性能指標(biāo) 顯示位數(shù) 完整顯示位：能夠顯示09的數(shù)字。 非完整顯示位(俗稱(chēng)半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整 顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999 。 量程 基本量程：無(wú)衰減或放大時(shí)的輸入電壓范圍，由A

3、/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍確定。 通過(guò)對(duì)輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展其他量程。,如基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程； 基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。 分辨力 指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。 用每個(gè)字對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，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，可以測(cè)量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當(dāng)輸入電壓變化0.1m

4、V時(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字” ）。,分辨力 分辨率：用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無(wú)關(guān)，比較直觀。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為： 分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無(wú)關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個(gè)字），則分辨率為 測(cè)量速度 每秒鐘完成的測(cè)量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 一般低速高精度的DVM測(cè)量速度在幾次/秒幾十次/秒。,輸入阻抗 輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關(guān)）。 輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測(cè)量精度。 對(duì)于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10M1000M之間。 對(duì)于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻

5、和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十幾百pF之間。,4.1.2 DVM的主要類(lèi)型,1. 逐次比較型DVM的工作原理,基本原理：將被測(cè)電壓和一可變的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行逐次比較，最終逼近被測(cè)電壓。即采用一種“對(duì)分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。,上式表示，若把Vr不斷細(xì)分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無(wú)限逼近，當(dāng)只取有限項(xiàng)時(shí)，則項(xiàng)數(shù)決定了其逼近的程度。如只取前4項(xiàng)，則 其逼近的最大誤差為9.375V-10V =-0.625V，相當(dāng)于最后一項(xiàng)的值。 現(xiàn)假設(shè)有一被測(cè)電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項(xiàng)5V、2.5V、1.25V、0.625V來(lái)“湊試”逼近Vx，逼近過(guò)程如下：,Vx5V（首先

6、，取5V項(xiàng)，由于5V8.5V，則應(yīng)去掉該項(xiàng)， 記為數(shù)字0） +0.625V（再取0.625V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V+0.625V8.5V，則保留該項(xiàng)， 記為數(shù)字1） 8.125V（得到最后逼近結(jié)果） 總結(jié)上面的逐次逼近過(guò)程可知，從大到小逐次取出Vr的各分項(xiàng)值，按照“大者去，小者留”的原則，直至得到最后逼近結(jié)果，其數(shù)字表示為1101。,上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V8.5V0.375V。 顯然，當(dāng)Vx(7.8125V8.4375V)之間時(shí)，采用上面Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近的結(jié)果相同，均為8.125V，其誤差為Vx(0.3125V0.3125V)，最大誤差限相當(dāng)于Vr最后一個(gè)分項(xiàng)的一半，即 V。

7、 上述逐次逼近比較過(guò)程表示了該類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。它類(lèi)似天平稱(chēng)重的過(guò)程，Vr的各分項(xiàng)相當(dāng)于提供的有限“電子砝碼”，而Vx是被稱(chēng)量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過(guò)程完全類(lèi)同于稱(chēng)重中的加減法碼的過(guò)程，而稱(chēng)重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。,2. U-T積分型DVM的工作原理 (1) 雙斜積分式DVM 基本原理： 通過(guò)兩次積分過(guò)程(“對(duì)被測(cè)電壓的定時(shí)積分和對(duì)參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測(cè)電壓值。 原理框圖 包括積分器、過(guò)零比較器、計(jì)數(shù)器及邏輯控制電路。,準(zhǔn)備階段 采樣階段,設(shè)時(shí)鐘脈沖的周期T0=10S,比較階段,(2)U-F積分型DVM工作原理,Uxkf,取決于DVM的固有誤

8、差和使用時(shí)的附加誤差（溫度等）。 固有誤差表達(dá)式： 示值（讀數(shù)）相對(duì)誤差為： 式中，Vx被測(cè)電壓的讀數(shù)；Vm該量程的滿度值（Full Scale, FS）； 誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)； 誤差的固定項(xiàng)系數(shù)。 固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。 讀數(shù)誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。 滿度誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)無(wú)關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。,4.1.3 DVM的測(cè)量誤差,有時(shí)將 等效為“n字”的電壓量表示，即 如某臺(tái)4位半DVM，說(shuō)明書(shū)給出基本量程為2V， =（0.01%讀數(shù)+1字）。 則在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%，即表達(dá)式中

9、“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.005%”的表示是完全等價(jià)的： 當(dāng)被測(cè)量（讀數(shù)值）很小時(shí)，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測(cè)量較大時(shí)，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測(cè)量大于滿量程的2/3以上。,例 一臺(tái)3位半的DVM給出的精度為：（0.1%讀數(shù)+1字），如用該DVM的020V DC的基本量程分別測(cè)量5.00V和15.00V的電源電壓，試計(jì)算DVM測(cè)量的固有誤差。 解 首先，計(jì)算出“1字”對(duì)應(yīng)的滿度誤差。 在020V量程上，3位半的DVM對(duì)應(yīng)的刻度系數(shù)為0.01V/字，因而滿度誤差“1字”相當(dāng)于0.01V。 當(dāng)Vx=5.00V時(shí)，固有誤差和相對(duì)誤差分別為： Vx(0.1%5

10、.00V0.01V)0.015V 當(dāng)Vx=15.00V時(shí)，固有誤差和相對(duì)誤差分別為：,Vx(0.1%15.00V0.01V)0.025V 可見(jiàn)，被測(cè)電壓愈接近滿度電壓，測(cè)量的（相對(duì)）誤差愈?。ㄟ@也是在使用DVM時(shí)應(yīng)注意的）。,作業(yè),課后 4.2 4.4 （(3)去掉 ）4.6 4.8,已知：甲、乙兩臺(tái)DVM，顯示器最大顯示值為：甲：9999，乙：19999，問(wèn)： (1)它們各是幾位DVM? (2)若乙的最小量程為200mV，其分辨率、分辨力是多少? (3)若乙的工作誤差為0.01%(讀數(shù))1 個(gè)字，分別用2V 檔和20V 檔測(cè)量Vx=1.78V 電壓時(shí)，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差各是多少 (4)由（3

11、）的結(jié)果可以得出什么結(jié)論？,（1） 甲：4位DVM 乙：4位半DVM （2） （3） 用乙的2V檔測(cè)量時(shí)： U=0.01%1.780.0001 =2.7810-4V 相對(duì)測(cè)量誤差為U/ UX=1.5610-4 用乙的20V檔測(cè)量時(shí)： U=0.01%1.780.001 =11.7810-4V 相對(duì)測(cè)量誤差為U/ UX=6.6210-4 （4） 從(3)的結(jié)果可以看出為了減少測(cè)量誤差，選擇量程時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使被測(cè)量達(dá)到測(cè)量?jī)x表滿偏值的2/3以上。,4.4 頻率的測(cè)量,介紹時(shí)間和頻率測(cè)量的基本方法。重點(diǎn)介紹電子計(jì)數(shù)器的電路組成、工作原理及電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率、周期、時(shí)間間隔、頻率比的方法，并對(duì)測(cè)量的誤差進(jìn)

12、行分析，提出減小誤差的方法，同時(shí)扼要介紹一些其他測(cè)頻方法。,多功能計(jì)數(shù)器,函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器,頻率計(jì),時(shí)間和頻率的定義 時(shí)間有兩個(gè)含義： “時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生； “時(shí)間間隔”：即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久。 頻率的定義：周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次，則頻率可表達(dá)為： fN/T 時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換,4.4.1 標(biāo)準(zhǔn)頻率源,1.原子頻標(biāo)的基本原理 原子（分子）在能級(jí)躍遷中將吸收(低能級(jí)到高能級(jí))或輻射（高能級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。 hfn-m=En-Em 式中，h=6.625210-27為普朗克

13、常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個(gè)能級(jí)，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。,1967年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。 1972年起實(shí)行，為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了45個(gè)量級(jí)，達(dá)510-14(相當(dāng)于62萬(wàn)年1秒)，并仍在提高。,2.氫原子鐘 短期穩(wěn)定度高：10-1410-15，但準(zhǔn)確度較低（10-12）。 3.銣原子鐘 準(zhǔn)確度： 10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。 4.離子儲(chǔ)存頻標(biāo) 5.頻段的劃分,4.4

14、.2 電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)的原理,1.時(shí)間基準(zhǔn)的產(chǎn)生 電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)“晶振”）為基準(zhǔn)信號(hào)源 由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到。,2.計(jì)數(shù)式頻率計(jì)的測(cè)頻原理,被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形，轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)數(shù)脈沖，作為閘門(mén)的輸入信號(hào)。門(mén)控電路輸出的門(mén)控信號(hào)控制閘門(mén)的啟閉。在閘門(mén)開(kāi)啟期間計(jì)數(shù)電路對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。,在已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)未知的待測(cè)輸入信號(hào)的脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。,閘門(mén)的開(kāi)門(mén)時(shí)間可以改變，即時(shí)基脈沖周期不是固定不變，可以選擇。 閘門(mén)打開(kāi)時(shí)間為1s，被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后通過(guò)閘門(mén)的脈沖數(shù)若有100000個(gè)，即被測(cè)信號(hào)的頻率f=100000Hz,則顯示讀數(shù)為

15、100000，單位為Hz。 如果測(cè)量時(shí)所取時(shí)基為0.1s，即閘門(mén)打開(kāi)0.1s的時(shí)間，這時(shí)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為10000，顯然，這一數(shù)值乘以10才是1s內(nèi)通過(guò)閘門(mén)的脈沖數(shù)，即被測(cè)頻率f=1000010=100000Hz。,為了使N值能直接表示fx：,小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)向右移一位,請(qǐng)注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了頻率測(cè)量的分辨力（應(yīng)等于時(shí)基頻率fs ）。閘門(mén)時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，Ts愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值N愈大，分辨力愈高。,4.3 頻率計(jì)數(shù)器的組成,(1) 輸入單元 輸入電路的作用是將被測(cè)信號(hào)（或控制信號(hào)）進(jìn)行放大整形，然后送往主閘門(mén)（或控制電路）。 輸入電路通常有A、B、C三個(gè)

16、獨(dú)立的通道。 （2）十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器 它的任務(wù)是對(duì)來(lái)自閘門(mén)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來(lái)。 （3）時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生與變換單元:用來(lái)控制計(jì)數(shù)器的工作程序,首先將被測(cè)信號(hào)，如正弦信號(hào)、三角波、鋸齒波等波形，通過(guò)脈沖形成電路，轉(zhuǎn)換成脈沖，其重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)頻率fx。然后將它加到主閘門(mén)的輸入端。主閘門(mén)由標(biāo)準(zhǔn)門(mén)控信號(hào)VD來(lái)控制其開(kāi)、閉時(shí)間，只有在主閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間T內(nèi)，被計(jì)數(shù)的脈沖VE才能通過(guò)主閘門(mén)送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到所測(cè)的頻率。,電子計(jì)數(shù)器面板及控鍵示意圖,4.4.4 高精度10MHz頻率計(jì),4.4.5 脈沖累計(jì)的測(cè)量,累加計(jì)數(shù)的測(cè)量原理：,累加計(jì)數(shù)是用于直接統(tǒng)計(jì)所取時(shí)間內(nèi)的

17、脈沖數(shù)。 如圖所示，將被測(cè)信號(hào)送入A通道，經(jīng)過(guò)放大整形后輸入到人工控制的閘門(mén)。 閘門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由手動(dòng)控制，即從“啟動(dòng)”到“停止”的轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間決定。 在閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)閘門(mén)輸出脈沖，再送入計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器直接積累出脈沖總數(shù)，完成累加計(jì)數(shù)。,4.4.6 用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)量頻率比,兩個(gè)輸入信號(hào)加到電子計(jì)數(shù)器輸入端,如果信號(hào)fa的頻率大于信號(hào)fb的頻率,則：,信號(hào)fb經(jīng)B通道輸入，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行控制；信號(hào)fa則經(jīng)A通道輸入，形成計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門(mén)的輸入信號(hào)。,測(cè)量頻率比原理 ：,頻率比是指A、B二信號(hào)頻率的fA與fB之比，即fAfB。將頻率較低的信號(hào)由B通道輸入，經(jīng)過(guò)放大整形電路后去觸發(fā)門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)電路，

18、產(chǎn)生的門(mén)控脈沖打開(kāi)閘門(mén)，打開(kāi)時(shí)間為T(mén)B，是B信號(hào)的一個(gè)周期；將頻率較高的信號(hào)由A通道輸入，經(jīng)放大整形后送到閘門(mén)輸入端，由閘門(mén)輸出送入計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)為T(mén)B時(shí)間內(nèi)A信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)N，NTA=TB，即頻率比N=fAfB。,測(cè)量頻率比的原理框圖,注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。 提高頻率比的測(cè)量精度：擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。 例如：以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門(mén)信號(hào)，則計(jì)數(shù)值為： ,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍，相應(yīng)的測(cè)量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果，需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍（小數(shù)點(diǎn)左移1位），即 應(yīng)用：可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。,4.5 時(shí)間的測(cè)量,1.周期的測(cè)量,被測(cè)信