電子測量技術(shù)第5章數(shù)字測量方法

1、第第5 5章章 數(shù)字測量方法數(shù)字測量方法5.1 5.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法 數(shù)字化測量是將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)數(shù)字化測量是將連續(xù)的模擬量轉(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)行字量，然后進(jìn)行編碼、存儲、顯示及打印等。進(jìn)行這種處理的電參數(shù)是直流電壓和脈沖（或交流）頻這種處理的電參數(shù)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（率，對應(yīng)的測量儀器是數(shù)字電壓表（DVMDVM）和電子）和電子計數(shù)器（數(shù)字頻率計）。計數(shù)器（數(shù)字頻率計）。數(shù)字式儀器的綜合結(jié)構(gòu)：數(shù)字式儀器的綜合結(jié)構(gòu)：5.1.1 DVM5.1.1 DVM的特點的特點1.1.數(shù)字顯示：

2、消除視覺誤差數(shù)字顯示：消除視覺誤差2.2.準(zhǔn)確度高：準(zhǔn)確度高：4-64-6位，甚至位，甚至7-87-8位位3.3.測量范圍：顯示位數(shù)及超量程能力測量范圍：顯示位數(shù)及超量程能力( (半位半位) )4.4.分辨力高：最小量程時末位跳一個字所需的最小輸入電壓值。分辨力高：最小量程時末位跳一個字所需的最小輸入電壓值。直流直流DVMDVM的組成：的組成：5.5.測量速度快：每秒中進(jìn)行測量的次數(shù)。測量速度快：每秒中進(jìn)行測量的次數(shù)。6.6.輸入阻抗高：輸入阻抗高：10M10M。7.7.抗干擾能力強抗干擾能力強 (1)(1)串模干擾：干擾源電壓以串聯(lián)形式與被測串模干擾：干擾源電壓以串聯(lián)形式與被測電壓疊加后接至

3、電壓疊加后接至DVMDVM輸入端。輸入端。串模抑制比：串模干擾電壓的峰值與由串模干擾引起串模抑制比：串模干擾電壓的峰值與由串模干擾引起的最大顯示誤差之比。的最大顯示誤差之比。dBlg20maxUUSMRsmp設(shè)串模干擾電壓為一正弦波，設(shè)串模干擾電壓為一正弦波，DVMDVM的采樣時間為的采樣時間為T T1 1，在在T T1 1內(nèi)經(jīng)積分后的電壓反映了內(nèi)經(jīng)積分后的電壓反映了u ux x的平均值。則的平均值。則在采樣時間在采樣時間T T1 1內(nèi)，干擾源頻率越高，內(nèi)，干擾源頻率越高，SMRSMR越大。對越大。對50Hz50Hz的工頻干擾，如果取的工頻干擾，如果取smnTT 1nnSMRsinlg20當(dāng)當(dāng)

4、n n為整數(shù)時，為整數(shù)時，SMR=SMR=，即干擾信號經(jīng)平均后消失。，即干擾信號經(jīng)平均后消失。積分型積分型DVMDVM具有較高的具有較高的SMRSMR。smsmTTTTSMR11sinlg20(2)(2)共模干擾共模干擾當(dāng)被測信號的地端與當(dāng)被測信號的地端與DVMDVM的機殼間存在共模干擾電壓的機殼間存在共模干擾電壓U Ucmcm時時, ,將產(chǎn)生干擾電流將產(chǎn)生干擾電流I I1 1和和I I2 2, ,分別串入分別串入R R1 1和和R R2 2支路支路,I,I1 1在信號源內(nèi)阻在信號源內(nèi)阻R Rs s及及R R1 1上的壓降上的壓降, ,以及以及I I2 2在在R R2 2上的壓降上的壓降, ,

5、共模抑制比共模抑制比由于由于21ZZ ，不計干擾電流，不計干擾電流I1的影響，的影響，2222ZUZRRUIcmpCcmpm2m2maxRIUdBlg20maxUUCMRcmpdBlg20lg20222222RZRIZICMRmmZ2中電阻成分反映對直流信號的共模抑制比，電容中電阻成分反映對直流信號的共模抑制比，電容成分反映對交流信號的共模抑制比。成分反映對交流信號的共模抑制比。當(dāng)當(dāng)R2一定時，增大一定時，增大Z2，可以提高，可以提高CMR。一般將一般將DVM中的中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行浮置（輸入低端與轉(zhuǎn)換器進(jìn)行浮置（輸入低端與機殼不連接）。機殼不連接）。5.1.2 DVM5.1.2 DVM的主要

6、類型的主要類型 DVM DVM的區(qū)別主要是的區(qū)別主要是A/DA/D轉(zhuǎn)換方式。轉(zhuǎn)換方式。1. 1. 逐次比較型逐次比較型DVMDVM的工作原理：將被測電壓與可變標(biāo)的工作原理：將被測電壓與可變標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，直至達(dá)到平衡準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，直至達(dá)到平衡( (直接轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)換) )。2. U-T積分型積分型DVM的工作原理的工作原理(間接轉(zhuǎn)換間接轉(zhuǎn)換)(1) 雙斜積分式雙斜積分式DVM 在一個測量周期內(nèi)用同一個積分器進(jìn)行兩次積在一個測量周期內(nèi)用同一個積分器進(jìn)行兩次積分，將被測電壓分，將被測電壓Ux轉(zhuǎn)換成與其成正比的時間間隔，轉(zhuǎn)換成與其成正比的時間間隔，在此間隔內(nèi)填充標(biāo)準(zhǔn)頻率的時鐘脈沖，用儀器記錄在此間

7、隔內(nèi)填充標(biāo)準(zhǔn)頻率的時鐘脈沖，用儀器記錄的脈沖個數(shù)來反映的脈沖個數(shù)來反映Ux的值。的值。(與雙積分式與雙積分式ADC原理原理相同相同)準(zhǔn)備階段準(zhǔn)備階段(S4)：放電：放電采樣階段采樣階段(S1)：定時積分：定時積分(計數(shù)器溢出斷開計數(shù)器溢出斷開S1)設(shè)時鐘脈沖的周期設(shè)時鐘脈沖的周期T0=10s比較階段比較階段(S2)：定值積分，使積分器輸出為：定值積分，使積分器輸出為0.2121d1d1111ttxttxotUTRCTtURCuxomoURCTUu11ms60101060006011TNT32d12ttNomotURCUuNNNxUNNUTNTNUTTU12010212xomNURCTUURCT

8、12特點：特點：(1) 準(zhǔn)確度主要取決于基準(zhǔn)電壓準(zhǔn)確度主要取決于基準(zhǔn)電壓UN的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，與積分參數(shù)基本無關(guān)。與積分參數(shù)基本無關(guān)。(2) 由于兩次積分都是對同一時鐘源進(jìn)行計數(shù)，從而由于兩次積分都是對同一時鐘源進(jìn)行計數(shù)，從而降低了對脈沖源頻率準(zhǔn)確度的要求。降低了對脈沖源頻率準(zhǔn)確度的要求。(3) 由于測量結(jié)果反映的是被測電壓在采樣時間由于測量結(jié)果反映的是被測電壓在采樣時間T1內(nèi)內(nèi)的平均值，故串入被測電壓信號中的各種干擾成分將的平均值，故串入被測電壓信號中的各種干擾成分將通過積分過程而減弱。通過積分過程而減弱。(2) U-F積分型積分型DVM工作原理工作原理被測電壓被測電壓Ux

9、通過積分以后輸出一線性變化的電壓通過積分以后輸出一線性變化的電壓,控控制一個振蕩器制一個振蕩器,產(chǎn)生于被測電壓成正比的頻率值產(chǎn)生于被測電壓成正比的頻率值,再用再用數(shù)字頻率計測量出頻率值數(shù)字頻率計測量出頻率值,從而表示被測電壓大小。從而表示被測電壓大小。fkUxfUTRRRSfRRRURRRUNFF0211211211xNFUKUTURRRf0121特點：特點： U/F轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度主要取決于基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度主要取決于基準(zhǔn)電壓UN及及F/U轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度，而轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度，而F/U轉(zhuǎn)換器具有較高轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度，因此，能夠確保的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度，因此，能夠確保U/F徹底轉(zhuǎn)換。只

10、徹底轉(zhuǎn)換。只要要UN，R1，R2的值準(zhǔn)確穩(wěn)定，則的值準(zhǔn)確穩(wěn)定，則f與與Ux嚴(yán)格成正比。嚴(yán)格成正比。除二重積分外，還有三重積分、四重積分、甚至五除二重積分外，還有三重積分、四重積分、甚至五重積分的轉(zhuǎn)換器，效果更佳理想。重積分的轉(zhuǎn)換器，效果更佳理想。3. U-F轉(zhuǎn)換器實用電路轉(zhuǎn)換器實用電路(1) 恢復(fù)型恢復(fù)型U-F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(2) 由單片集成電路構(gòu)成的由單片集成電路構(gòu)成的10kHz U-F 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4.1.3 DVM4.1.3 DVM的測量誤差的測量誤差a%Ux用示值相對誤差表示，與讀數(shù)成正比，稱為用示值相對誤差表示，與讀數(shù)成正比，稱為讀數(shù)誤差；讀數(shù)誤差；bUm稱為滿度誤差，與被測電壓大小無

11、關(guān)，而稱為滿度誤差，與被測電壓大小無關(guān)，而與所取量程有關(guān)，常用正負(fù)幾個字來表示。與所取量程有關(guān)，常用正負(fù)幾個字來表示。當(dāng)不在接近滿量程顯示時，誤差是很大的，為此，當(dāng)不在接近滿量程顯示時，誤差是很大的，為此，當(dāng)測量小電壓時，應(yīng)當(dāng)用較小的量程。當(dāng)測量小電壓時，應(yīng)當(dāng)用較小的量程。幾個字xmxUaUUbUaU%DVM的固有誤差通常表示為：的固有誤差通常表示為：【例例5.1.1】用一只用一只4位位DVM的的5V量程分別測量量程分別測量5V和和0.1V電壓，已知該儀表的準(zhǔn)確度為電壓，已知該儀表的準(zhǔn)確度為0.01%Ux1個個字，求由儀表的固有誤差所引起的測量誤差的大小。字，求由儀表的固有誤差所引起的測量誤差

12、的大小。(1)測量測量5V電壓電壓5V量程時，量程時，1個字相當(dāng)于個字相當(dāng)于0.001V，所以絕對誤差，所以絕對誤差 U= 0.01%51個字個字 = 0.0005 0.001= 0.0015V示值相對誤差示值相對誤差U= 0.0015 /5=0.03%(2)測量測量0.1V電壓電壓 U= 0.01%0.11個字個字 = 0.00001 0.001= 0.001V示值相對誤差示值相對誤差U= 0.001 /0.1=1%5.2 5.2 直流數(shù)字電壓表直流數(shù)字電壓表1.單片CMOS雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 7106, 7107, 7116, MC14433, 71352.由A/D轉(zhuǎn)換器為主體構(gòu)成的數(shù)字

13、電壓表邏輯電路邏輯電路邏輯及驅(qū)動電路邏輯及驅(qū)動電路5.3 5.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表 以測量直流電壓的以測量直流電壓的DVM為基礎(chǔ)，通過各種參數(shù)為基礎(chǔ)，通過各種參數(shù)變換器將其他參數(shù)變換為等效的直流電壓變換器將其他參數(shù)變換為等效的直流電壓U，通過，通過測量測量U值來獲得所測參數(shù)的數(shù)值。值來獲得所測參數(shù)的數(shù)值。1.交流電壓交流電壓-直流電壓直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2.2.精密全波檢波電路精密全波檢波電路輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，而與輸入電壓的輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，而與輸入電壓的極性無關(guān)，即輸出電壓與輸入電壓的絕對值成比例。極性無關(guān)，即輸出電壓與輸入電壓的絕對

14、值成比例。當(dāng)輸入信號為正時，當(dāng)輸入信號為正時，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通導(dǎo)通 uo1=(-R2/R1)ui；uo=ui當(dāng)輸入信號為負(fù)時，當(dāng)輸入信號為負(fù)時，VD2截止，截止，VD1導(dǎo)通導(dǎo)通 uo=(-R5/R3)ui=-ui若在若在R5上并聯(lián)一只電容，則其輸出電壓與輸入電上并聯(lián)一只電容，則其輸出電壓與輸入電壓絕對值的平均值成比例。壓絕對值的平均值成比例。3.電阻電阻-直流電壓直流電壓(R-U)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器被測電阻被測電阻Rx接在反饋回路，標(biāo)準(zhǔn)電阻接在反饋回路，標(biāo)準(zhǔn)電阻RN接在輸入回接在輸入回路，路，UN是基準(zhǔn)電壓。是基準(zhǔn)電壓。NNRUI xNNxoRRUIRU不適合測量小電阻。不適合測量小電阻

15、。NNNNRERRRRUI211與被測電阻無關(guān)。與被測電阻無關(guān)。(a)(b) 與雙積分型與雙積分型DVM配合配合,對對Ux定時積分定時積分(S1接通接通)xNNxxRRUIRU對對UN定值積分定值積分(S2接通接通)21TTRRNx4.直流電流直流電流-直流電壓直流電壓(I-U)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣電阻串聯(lián)到被測電采樣電阻串聯(lián)到被測電路中，適于路中，適于Ix較大時。較大時。并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大電并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大電路，適于路，適于Ix較小時。較小時。NxRIU iNxoRIRRU32-NxRIU o5.5.用數(shù)字面板表測直流電流用數(shù)字面板表測直流電流電流測量是通過測試取樣電阻電流測量是通過測試取樣電

16、阻RsRs的壓降來完成的。的壓降來完成的。多用型數(shù)字電壓表原理框圖多用型數(shù)字電壓表原理框圖5.4 5.4 頻率的測量頻率的測量5.4.1 5.4.1 標(biāo)準(zhǔn)頻率源標(biāo)準(zhǔn)頻率源1.1.原子頻標(biāo)的基本原理原子頻標(biāo)的基本原理原子秒：與銫原子秒：與銫-133-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷相對應(yīng)原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷相對應(yīng)的的91926317709192631770個周期的持續(xù)時間。個周期的持續(xù)時間。精度：精度：1010-13-13-10-10-14-14。 冷銫原子噴泉鐘冷銫原子噴泉鐘( (我國研制我國研制) )：1s/3501s/350萬年萬年2.2.氫原子鐘：氫原子鐘：精度：精度：10

17、10-12-123.3.銣原子鐘：銣原子鐘：精度：精度：1010- -11114.4.離子儲存頻標(biāo)：離子儲存頻標(biāo)：精度：精度：1010-15-15-10-10-16-16 未來時間標(biāo)準(zhǔn)未來時間標(biāo)準(zhǔn)。國家授時中心國家授時中心：陜西天文臺：陜西天文臺 利用電臺、電視臺、因特網(wǎng)或電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)布不同利用電臺、電視臺、因特網(wǎng)或電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)布不同準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號。準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號。5.5.頻段的劃分頻段的劃分 國際上規(guī)定國際上規(guī)定30kHz30kHz以下為甚低頻、超低頻；以下為甚低頻、超低頻；30kHz30kHz以上每以上每1010倍頻依次劃分為低、中、高、甚高、特高、倍頻依次劃分為低、中、高

18、、甚高、特高、超高等頻段。微波技術(shù)中，按波長劃分為米波、分米超高等頻段。微波技術(shù)中，按波長劃分為米波、分米波、厘米波、毫米波等。波、厘米波、毫米波等。5.4.2 5.4.2 電子計數(shù)式頻率計的原理電子計數(shù)式頻率計的原理1.1.時間基準(zhǔn)的產(chǎn)生時間基準(zhǔn)的產(chǎn)生 一般選用頻率一般選用頻率穩(wěn)定度良好的石英穩(wěn)定度良好的石英晶體振蕩器來產(chǎn)生晶體振蕩器來產(chǎn)生時間基準(zhǔn)，它的短時間基準(zhǔn)，它的短時穩(wěn)定度可達(dá)時穩(wěn)定度可達(dá)10-9量級。量級。2.2.計數(shù)式頻率計的測頻原理計數(shù)式頻率計的測頻原理TNfxBABAABffTfTTN5.4.3 5.4.3 頻率計數(shù)器的組成頻率計數(shù)器的組成5.4.4 高精度高精度10MHz頻率

19、計頻率計放大及限幅電路放大及限幅電路定時定時/計數(shù)器芯片計數(shù)器芯片5.4.5 5.4.5 脈沖累計的測量脈沖累計的測量 與測頻原理相同，需要主門開放時間較長，門與測頻原理相同，需要主門開放時間較長，門控電路的輸入端改用人工控制?？仉娐返妮斎攵烁挠萌斯た刂?。5.4.6 5.4.6 用計數(shù)式頻率計測量頻率比用計數(shù)式頻率計測量頻率比頻率高的信號接頻率高的信號接A A，作為計時脈沖；頻率低的信號接，作為計時脈沖；頻率低的信號接B B，作為，作為門控信號。門控信號。NTTffABBA為了提高測量為了提高測量準(zhǔn)確度，可將準(zhǔn)確度，可將頻率信號頻率信號B B的周的周期擴大，使主期擴大，使主門的開方時間門的開方

20、時間增加。增加。5.4.7 5.4.7 誤差分析誤差分析 閘門時間閘門時間T T是否是否準(zhǔn)確？計數(shù)器準(zhǔn)確？計數(shù)器計數(shù)是否計數(shù)是否準(zhǔn)確？準(zhǔn)確？按按誤差合成原理：誤差合成原理：1.1.量化誤差量化誤差1 1誤差誤差 N/N稱為量化誤差，是數(shù)字化儀器特有的誤稱為量化誤差，是數(shù)字化儀器特有的誤差。其差。其特點是：不管計數(shù)值特點是：不管計數(shù)值N為多少，其最大誤為多少，其最大誤差總是差總是1 1個量化單位。個量化單位。 最大量化誤差相對值：最大量化誤差相對值：TTNNffxxxTfNNN11選擇閘門時間的選擇閘門時間的原則原則：既不使計數(shù)器溢出，又使測量的準(zhǔn)確度：既不使計數(shù)器溢出，又使測量的準(zhǔn)確度最高。最

21、高。2.2.標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差ccxxxffTfff1在在fx一定時，閘門時間一定時，閘門時間越長，測量精度越高；越長，測量精度越高；當(dāng)當(dāng)T一定時，一定時，fx越高，則越高，則1誤差對測量結(jié)果的誤差對測量結(jié)果的影響越小，從而提高測影響越小，從而提高測量精度。量精度。低頻時應(yīng)測周低頻時應(yīng)測周期。期。ccffTT5.5 5.5 時間的測量時間的測量1.1.周期的測量周期的測量(1)(1)測量原理：將被測周期與時標(biāo)比較，若在測量原理：將被測周期與時標(biāo)比較，若在TxTx期間期間計數(shù)值為計數(shù)值為N N：sxNTT “周期倍乘周期倍乘”的方法減小的方法減小1誤差。誤差。(2)(2)誤差分析誤差分析ssxxTTNNTT