第一節(jié) 電參量的測量

1、測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試第六章第六章 常見參量的測試技術(shù)常見參量的測試技術(shù) 7 7、溫度的測量、溫度的測量 5 5、力、力矩和壓力的測量、力、力矩和壓力的測量 4 4、速度、轉(zhuǎn)速和加速度的測量、速度、轉(zhuǎn)速和加速度的測量 6 6、機(jī)械振動的測試、機(jī)械振動的測試 2 2、長度及線位移的測量、長度及線位移的測量 8 8、流量的測量、流量的測量 9 9、噪聲的測量、噪聲的測量 1 1、電參量的測量、電參量的測量 3 3、角度及角位移的測量、角度及角位移的測量測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章

2、常見參量的測試常見參量的測試測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試SI制中的七個基本量：制中的七個基本量：長度（長度（L）、質(zhì)量（）、質(zhì)量（M）、時間（）、時間（T）、電）、電 流（流（I）、溫度（）、溫度（Q）、物質(zhì)的量（）、物質(zhì)的量（N）、發(fā)光強(qiáng)度（）、發(fā)光強(qiáng)度（J）機(jī)械類：粗糙度、平面度、同軸度、垂直度、硬度、剛度、強(qiáng)度等；機(jī)械類：粗糙度、平面度、同軸度、垂直度、硬度、剛度、強(qiáng)度等；物理類：濃度、濕度物理類：濃度、濕度 、黏度、黏度 、密度、濁度、溶解度、透光度、密度、濁度、溶解度、透光度、 速度、轉(zhuǎn)速、壓力速度、轉(zhuǎn)速、壓力/壓強(qiáng)、壽命、壓強(qiáng)、壽命、 真空度、

3、電離度、酸度、靈敏度、比熱、擴(kuò)散、輻射強(qiáng)度真空度、電離度、酸度、靈敏度、比熱、擴(kuò)散、輻射強(qiáng)度 電壓、電阻電壓、電阻/電導(dǎo)、功率、轉(zhuǎn)換效率、失真系數(shù)等；電導(dǎo)、功率、轉(zhuǎn)換效率、失真系數(shù)等； 化學(xué)元素測定、有機(jī)成分測定、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析化學(xué)元素測定、有機(jī)成分測定、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析 水分測定、碳水化合物測定、有毒水分測定、碳水化合物測定、有毒/爆炸物爆炸物/污染測定污染測定 地質(zhì)勘探、能源探測地質(zhì)勘探、能源探測 生命跡象探測生命跡象探測 、生物生理參數(shù)測定、生物生理參數(shù)測定測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試測試方

4、法的分類：測試方法的分類：v 電測法與非電測法電測法與非電測法v 直接測量與間接測量直接測量與間接測量v 單次測量與多次測量單次測量與多次測量v 等精度測量與不等精度測量等精度測量與不等精度測量v 偏差測量與零位測量偏差測量與零位測量v 模擬測量與數(shù)字測量模擬測量與數(shù)字測量v 手動測量與自動測量手動測量與自動測量測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試一、直流電壓測量一、直流電壓測量二、交流電壓測量二、交流電壓測量三、直流電流的測量三、直流電流的測量四、交流電流的測量四、交流電流的測量五、電阻、電容和電感的測量五、電阻、電容和電感的測量六、六、 功率的測量功率的測量七

5、、七、 頻率的測量頻率的測量八、八、 相位的測量相位的測量* *測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試數(shù)字萬用表臺式高精度數(shù)字多用表卡鉗式萬用表模/數(shù)字萬用表測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試兆歐表高壓數(shù)字電壓表微電流計數(shù)字功率表模擬示波器數(shù)字示波器測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖1.直流電壓表測量電路AR0RxE直流電壓表 由圖1可知，當(dāng)直流電壓表并接于被測電路兩端時，由于R0的存在，電壓表所測得的電壓由原來的Ux改變?yōu)椋?0001()1/xxxxRUURRRR 01(1)1/xxxUURR 測試

6、技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試數(shù)字萬用表均有電流電壓測量擋。與模擬式萬用表相比，主要優(yōu)點(diǎn)是： (1) 輸入阻抗高，一般直流輸入阻抗可達(dá)20 M以上。 (2) 分辨力高，可精確到百分之一，即在10 V擋，可分辨到0.1 V，而指針式的模擬萬用表的分辨力為最小刻度間隔所代表的電壓值的一半，量程越大，分辨力越低。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖2.數(shù)字直流電壓表測量電路框圖 數(shù)字電壓表一般由信號調(diào)理、模-數(shù)轉(zhuǎn)換、計數(shù)電路及控制電路幾大部分組成。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 正弦波脈沖波方波三角波

7、低頻噪聲波階梯波圖3 常見電壓的波形測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 交流電壓幅度值的相對大小常用峰-峰值、平均值和有效值來表示。峰-峰值表示信號的最大值與最小值的差。對于對稱的正弦信號來說，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。如U(t)=Acosct，則有UP-P=2 A，UP=1 A。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試設(shè)電壓信號為U（t），其周期為T，則平均值為： 這時平均值的意義為： UTdttUTU0)(1TdttUTU0)(1測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試3) 有效值URMS

8、有效值指的是信號的均方根值（RMS）。電壓信號的有效值用URMS表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為對于正弦波U(t)=Um cosct來說： （3-5） TKMSdttUTU02)(1（3-4）PPRMSUUU707. 02測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 （1） 波形因數(shù)KF: 表示電壓的有效值與平均值之比，即 （2） 波峰因數(shù)KP: 表示交流電壓的峰值與有效值之比，即uuKRMSFPPRMSuKu 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試交流電壓測量最主要的方法是用交-直轉(zhuǎn)換器將交流電壓變換為直流電壓，然后再對直流電壓測量。 根據(jù)轉(zhuǎn)換器的性質(zhì)不

9、同，可分為下列三種：、峰值響應(yīng)峰值交流電壓表、平均值響應(yīng)平均值交流電壓表、有效值響應(yīng)有效值交流電壓表測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試A、用模擬電路的技術(shù)和方法測量交流電壓，最常用的轉(zhuǎn)換器有峰值檢波器、平均值檢波器和有效值直流變換電路工作原理如圖5（a）、（b）、（c）所示。ux12VDCRuoux uo(a)(b)RuxDABEuA(c) 以峰值電壓表為例，其顯示值是將峰值檢波器檢測到的電壓值除以波峰因數(shù)KP得到的，若顯示讀數(shù)為，則2PPPRMSuKuu測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試解：峰值檢波器的輸出為被測信號的最大幅度，

10、由儀表的刻度關(guān)系知，被測方波的幅度為 。由于方波的有效值與峰值相當(dāng)，故方波的有效值為14.1 V。 而對于有效值轉(zhuǎn)換器，其特性符合如下公式： 由于不同頻率的諧波的乘積在（0，T）上積分為0，公式可以簡化為： V1 .14102TnTxdttututuTdttuTu022102)(.)()(1)(1TndttututuTu0222221)(.)()(1例：用一峰值電壓表去測量一個方波電壓，讀數(shù)為10 V，問該方波電壓的有效值是多少？ 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試檢波-放大式電壓表直接對被測電壓信號進(jìn)行檢波，然后對轉(zhuǎn)化成的直流信號進(jìn)行處理并顯示，具有結(jié)構(gòu)簡單，

11、輸入阻抗高，適用于高頻測量（幾百M(fèi)Hz）的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是起始測量信號較大，非線性誤差亦大。目前多采用斬波式直流放大器，最高靈敏度可為幾十微伏，。其工作原理如圖6所示。圖6 檢波-放大式電壓表原理框圖峰值檢波器步進(jìn)分壓器 斬波式直流放大器微安表測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試放大-檢波式電壓表的工作原理如圖7（a）所示，這種電壓表的頻率范圍主要受放大器的帶寬限制，一般為20Hz-10MHz，而靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲限制，一般為毫伏級。各個組成單元的基本特性如下阻抗變換器的作用是對外（輸入）呈現(xiàn)高阻抗，對內(nèi)（輸出）呈現(xiàn)低阻抗，典型的電路如圖7（b）所示。其中，V1是

12、高頻場效應(yīng)管，輸入電阻極大，輸入電容小于2 pF； V2為高頻晶體三極管，輸出電阻為R4，一般為100 ，該電路傳輸衰減系數(shù)較小，且能驅(qū)動75 電纜。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 圖7 放大-檢波式模擬電壓表原理框圖（a） 放大-檢波式電壓表組成原理； （b） 阻抗變換器；（c） 衰減器； (d) 檢波器AC阻 抗 變 換 器衰 減 器檢 波 器寬 帶 放 大 器指 示 器峰值檢波器倍壓檢波器(a)VV2UoVR4R3V1R2R1UiR1R2UiC1C2Uo(b)(c)UiVDCRUiVD2C2RVD1C1Uo(d)Uo測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章

13、 常見參量的測試常見參量的測試 2） 衰減器 衰減器的作用是在測量大信號時對輸入信號進(jìn)行衰減以擴(kuò)大測量量程。衰減器亦要求有寬帶的特性，在高頻時要考慮電路與元件的分布電容效應(yīng)，采用復(fù)合阻容結(jié)構(gòu)，典型的衰減器如圖7（c）所示。當(dāng)R1C1=R2C2時，衰減比與頻率無關(guān)。 3） 寬帶放大器 寬帶放大器一般選用寬帶線性集成放大器，如LM733，可工作在直流到50 MHz的頻率范圍。 4） 檢波器 常用的檢波器有峰值檢波器和倍壓檢波器，如圖6（d） 所示。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試3 熱電偶式電壓表（有效值響應(yīng)法）熱電偶不僅可以用于電流測量，而且可以作為電壓測量的

14、核心部件。 4 外差式電壓表 由于頻響和靈敏度的限制，放大-檢波式電壓表、檢波-放大式電壓表和熱偶式電壓表均不可以用于高頻微伏級電壓檢測。這時可采用外差式電壓表，它的測量頻率可達(dá)幾百兆赫，靈敏度一般都是微伏級。其工作原理如圖8所示。探頭混頻器中頻放大檢波器指示電表圖8 外差式電壓表原理框圖微安表測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試B、 交流數(shù)字電壓表低頻數(shù)字電壓表一般是在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上增加放大器、交直流變換器而組成的，如圖9所示。高頻數(shù)字電壓表的一般組成如圖9（b）所示。它的檢波器探頭高頻特性較好。寬帶數(shù)字電壓表的一般組成如圖9（c）所示。 測試技術(shù)測試技

15、術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 圖9 交流數(shù)字電壓表組成框圖（a）低頻數(shù)字電壓表組成框圖； （b）高頻數(shù)字電壓表組成框圖； （c）寬帶數(shù)字電壓表組成框圖； (d) 智能型電子電壓表組成框圖寬帶放大器輸入檢波器直流數(shù)字電壓表輸出高阻輸入探頭(a)放大器輸入檢波器直流數(shù)字電壓表輸出(b)(c)檢波器探頭輸入直流放大器直流數(shù)字電壓表輸出寬帶放大器輸入高速采樣計算顯示輸出高阻輸入電路(d)測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試C、 交流電壓測量的其他應(yīng)用1.脈沖電壓測量脈沖電壓的特點(diǎn)是幅度較大，持續(xù)時間短。如果用峰值檢波器檢測已知占空比的脈沖電壓，可以

16、由數(shù)學(xué)的方法或根據(jù)經(jīng)驗對測量結(jié)果進(jìn)行合適的修正。 2.噪聲電壓測量在電子學(xué)領(lǐng)域，噪聲電壓是一種普遍存在的隨機(jī)信號。典型的有電阻的熱噪聲、晶體三極管的內(nèi)部噪聲、電子放大器的輸出噪聲等等。在設(shè)計電子電路時，免不了要對噪聲，特別是高斯白噪聲進(jìn)行測量。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試rRRErRRErrREREI/11)(圖10 直流電流測量 設(shè)電流表的內(nèi)阻為r，在圖10(a)所示測量電路中，原電路中電流I=E/R，而在圖10(b)所示的電路中，電流改變?yōu)镮=E/(R+r) ，兩者的誤差為：IER(a)EAR(b)I測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測

17、試常見參量的測試0UIR 一般電流小電流0RiRiRUUURIURI 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試02121HHUKIRK K KI IR 12Rn RUIn KH 霍爾元件的靈敏度大電流小電流測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 直流電流表多數(shù)為磁電式儀表，磁電式儀表一般由可動線圈、游絲和永久磁鐵組成。線圈框架的轉(zhuǎn)軸上固定一個讀數(shù)指針，當(dāng)線圈流過電流時，在磁場的作用下，可動線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動上面固定的讀數(shù)指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與通過可動線圈的電流成正比。模擬直流電流表具有不需電池驅(qū)動、顯示穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時亦存在非線性誤差大、容

18、易損壞等缺點(diǎn)。 3數(shù)字萬用表是用電子技術(shù)來檢測直流電流的。通常在直流電流檔，對外電路來說，數(shù)字萬用表僅相當(dāng)于一個取樣電阻RN（不同的量程RN的值不同），測量時RN上有電壓信號Ui=IRN，其測量過程如圖所示。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖11 交-直流轉(zhuǎn)換電路A 圖11所示的交直流轉(zhuǎn)換電路。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試我們可以通過測量這種與高頻電流密切相關(guān)的直流電流的大小，間接地檢測出高頻電流的大小，具體原理如圖12所示。圖12 熱電偶電表原理GAECDB測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的

19、測試測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試微弱電信號是指電流/電壓10-6A/V的信號.適用于直流或低頻弱電流信號的檢測.適用于微弱音頻、微波、或短脈沖電信號的放大檢測.測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試（一）恒流源式測量電阻（二）恒流源式測量電阻2jxxwUURRR 230142xR RRUR RR測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試?yán)秒娮枳兓M(jìn)行參量測量的敏感元件有:

20、壓敏電阻電阻應(yīng)變片 熱敏電阻金屬/半導(dǎo)體熱敏元件 光敏電阻光導(dǎo)管 磁敏電阻半導(dǎo)體磁阻元件測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試140322xCR RUR RC測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試140322xLR RUR RL測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試一、 直流低頻功率的測量由電工學(xué)可知，功率即為單位時間內(nèi)所做的功。具體表達(dá)式為： tWP時間功功率（ )在電阻電路中，還可導(dǎo)出：RUPRIP22,測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試2、 交流電路功率的測量對于純電感電路

21、，電流滯后電壓90，如圖19（a）所示； 對于純電容電路，電流超前于電壓90，如圖12（b）所示。 圖19 U與I的相位關(guān)系UIUUIOtttOO(a)(b)(c)I測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試設(shè) ，則平均功率為：視在功率、無功功率與有效平均功率的關(guān)系為： )cos(2),cos(2tIitUucCcos)cos)2(cos()cos(cos)cos(211000UIdttTUIdtttUITdtuiTPCTCTCT22RTAPPP測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖20為交直流功率表的工作原理與電路中單個負(fù)載的連接情況。

22、圖20 功率測量原理負(fù)載功率表線路電壓C1C2V1V2測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖21中，兩個電壓線圈互相垂直安裝，一個與無感電阻相串聯(lián)，一個與電感器相串聯(lián)，所以可以近似地認(rèn)為兩線圈中的電流相位之差為90。電流線圈是與電路相串聯(lián)的，與被測線路電流同相。 圖21 功率因數(shù)連接電路電 流 線 圈RR負(fù) 載電 壓 垂 直 活 動線 圈輸入測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖22 經(jīng)典型電度表的結(jié)構(gòu)S1線電壓S2DMM永久磁鐵鋁盤負(fù)載RFFBFFF到指示度盤(A)電樞 感應(yīng)式電度表是利用電壓和電流線圈在鋁盤上產(chǎn)生的渦流與交變磁通相

23、互作用產(chǎn)生電磁力，使鋁盤轉(zhuǎn)動，同時引入制動力矩，使鋁盤轉(zhuǎn)速與負(fù)載功率成正比，通過軸向齒輪傳動，由計度器積算出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)而測定出電能。故電度表主要結(jié)構(gòu)是由電壓線圈、電流線圈、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸、制動磁鐵、齒輪、計度器等組成。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試3、 高頻和微波功率的測量 在高頻和微波頻段的各項電子測量項目中，功率測量是主要項目之一。接收機(jī)的靈敏度是以能接收的最小功率來表征的。 高頻和微波頻段的功率測量都是基于將高頻和微波的能量轉(zhuǎn)換成熱、力、直流或低頻電量等能量形式來測量的。 按照測量的原理可以分為： （1）測輻射熱器功率計受熱元件有熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻和薄膜測

24、熱電阻等（2）熱電偶式功率計（3）量熱式功率計測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試微波功率計測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試4、 功率測量與電壓測量的電平表示（1） 絕對功率電平LP。以600 電阻上消耗1 mW的功率作為基準(zhǔn)功率，任意功率與之相比的對數(shù)稱為絕對功率電平，其值為 （2） 相對功率電平L dBmPPLxP0lg10dBPPLBAPlg10 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試由于600 電阻上消耗的功率為1 mW，其上的電壓為0.775 V，以此作為基準(zhǔn)電壓，可以確定電壓的絕對電平Lu和

25、相對電平Lu分別為 要注意的是量程問題。電壓表的量程是乘數(shù)關(guān)系，電平表則是加法關(guān)系。因此在擴(kuò)大N倍量程的情況下，有dBuuLdBVuLBxuxulg20775. 0lg20NuNuLxxulg20775. 0lg20775. 0lg20測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試?yán)河肕F-20電子多用表的30 V量程測量電壓，當(dāng)該量程的讀數(shù)為27.5 V時，問該電壓信號對應(yīng)的分貝值是多少？解：因為MF-20多用表將1.5 V量程刻度線上的0.775 V定義為0 dB，30V量程是1.5 V的20倍擴(kuò)展，27.5 V示值位置對應(yīng)在1.5 V量程上的讀數(shù)為1.38 V，所以

26、有dBVLu31775. 038. 1lg2026測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 （一）頻率與時間測量的特點(diǎn)與其他各種物理測量相比，頻率與時間測量具有如下特點(diǎn)： （1） 時頻測量具有動態(tài)性質(zhì)。 （2） 測量精度高。（3） 測量范圍廣。（4） 頻率信息的傳輸和處理比較容易。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試出現(xiàn)并得到過應(yīng)用的測頻方法與儀器主要有以下幾種： （1）諧振法： 利用LC回路的諧振特性進(jìn)行測頻(如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率）, 測頻范圍

27、為0.51500 MHz。（2）外差法： 改變標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，使它與被測信號混合，取其差頻，當(dāng)差頻為零時讀取頻率。這種外差式頻率計可測高達(dá)3000 MHz的微弱信號的頻率，測頻精確度為10-6左右。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試（3）示波法： 在示波器上根據(jù)李沙育圖形或信號波形的周期個數(shù)進(jìn)行測頻。這種方法的測量頻率范圍從音頻到高頻信號皆可。（4）電子計數(shù)器法： 直接計數(shù)單位時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試計數(shù)是電子

28、計數(shù)器最基本的功能。因此，盡管電子計數(shù)器的種類很多，但其基本的工作原理可用圖22所示的簡化方框圖加以說明。 圖22 電子計數(shù)器簡化方框圖主 門計 數(shù) 顯 示 電 路21TBTA被測信號被測信號標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 當(dāng)把周期為TA的脈沖信號由“1”端加入后，假設(shè)在閘門信號的上升沿主門打開，計數(shù)器對輸入脈沖信號進(jìn)行累加計數(shù)，在閘門信號的下降沿主門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)，顯然計數(shù)器所計之?dāng)?shù)N為：BABAABffTfTTN測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試（二） 通用電子計數(shù)器1、 通用電子計數(shù)器的主要

29、技術(shù)性能 用于測頻的通用電子計數(shù)器其主要技術(shù)性能包括： （1 1） 測試性能：測試性能：儀器所具備的測試功能，如測量頻率、周期、頻率比等。 （2 2） 測量范圍：測量范圍：儀器的有效測量范圍。在測頻和測周期時，測量范圍不同。測頻時要指明頻率的上限和下限； 測周期時要指明周期的最大值和最小值。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試（3 3） 輸入特性輸入特性：通用電子計數(shù)器一般由23個輸入通道組成，需分別指出各個通道的特性，包括：輸入耦合方式： 有AC和DC兩種耦合方式。在低頻和脈沖信號計數(shù)時宜采用DC耦合方式。（4 4） 測量準(zhǔn)確度：測量準(zhǔn)確度：常用測量誤差來表示，

30、主要由時基誤差和計數(shù)誤差決定，時基誤差由內(nèi)部晶體振蕩器的穩(wěn)定度確定。表1概括了以上三類振蕩器的頻率穩(wěn)定度。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試 （5 5） 閘門時間和時標(biāo)：閘門時間和時標(biāo)： 由機(jī)內(nèi)時標(biāo)信號源所能提供的時間標(biāo)準(zhǔn)信號決定。根據(jù)測頻和測周期的范圍不同，可提供的閘門時間和時標(biāo)信號有多種供選擇，如通常的0.01 s、0.1 s、1 s、10 s等。 （6 6） 顯示及工作方式顯示及工作方式： 包括顯示位數(shù)、顯示時間、顯示方式等。 顯示位數(shù)： 可顯示的數(shù)字位數(shù)，如常見的8位。 顯示時間： 兩次測量之間顯示結(jié)果的時間，一般是可調(diào)的。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六

31、章第六章 常見參量的測試常見參量的測試顯示方式： 有記憶和不記憶兩種顯示方式。記憶顯示方式只顯示最終計數(shù)的結(jié)果，不顯示正在計數(shù)的過程。實際上顯示的數(shù)字是剛結(jié)束的一次測量結(jié)果，顯示的數(shù)字保留至下一次計數(shù)過程結(jié)束時再刷新。不記憶顯示方式可顯示正在計數(shù)的過程。但多數(shù)計數(shù)器沒有這種顯示方式。 （7 7） 輸出：輸出： 包括儀器可輸出的時標(biāo)信號種類、輸出數(shù)據(jù)的編碼方式及輸出電平等。、 頻率測量頻率的測量實際上就是在單位時間內(nèi)對被測信號的變化次數(shù)進(jìn)行累加計數(shù)。其原理框圖如圖23所示。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖23 頻率測量的原理框圖A通 道主 門計 數(shù) 顯 示門

32、控 雙 穩(wěn)時 基 選 擇分 頻 器晶 振T2fx1BAABABTfNf TTf N測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖24 周期測量的原理框圖倍頻器時標(biāo)選擇晶振分頻器主門門控雙穩(wěn)計數(shù)顯示閘門選擇分頻器B通道1ToTxTx2. 周期測量周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測量和頻率的測量正好相反。其原理框圖如圖24所示。0 xTN T測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試3. 時間間隔測量時間間隔測量和周期的測量都是測量信號的時間，因此測量電路大體相同，所不同的是測量時間間隔需要B、C兩個通道分別送出起始和停止信號去控制門控雙穩(wěn)電路以形成閘門信

33、號，其工作原理如圖25所示。 圖25 時間間隔測量的原理框圖 倍頻器時標(biāo)選擇主門計數(shù)顯示To12門控雙穩(wěn)分頻器晶振tBCtBtCB通道C通道tBtCB信號C信號NTtCB測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖25 輸入信號任意兩點(diǎn)間的時間間隔測量示意圖起 始 脈 沖起 始 脈 沖終 止 脈 沖開 門 信 號開 門 信 號(50%)(50%)(50%)uB終 止 脈 沖uC(a)uB(b)(50%)uC測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試4. 相位差測量相位差測量通常是指兩個同頻率的信號之間的相位差的測量。相位差測量的主要方法有示波器法

34、、比較器法、直讀法等。利用電子計數(shù)器也可進(jìn)行相位差的測量，它是時間間隔測量的一個應(yīng)用。瞬時值數(shù)字相位差測量原理框圖如圖26所示，通過測量兩個正弦波上兩個相應(yīng)點(diǎn)之間的時間間隔，可換算出它們之間的相位差。B通道C通道門控電路計數(shù)門計數(shù)顯示時標(biāo)信號置零u1u2u3u41u2u圖26 瞬時值數(shù)字相位差測量原理框圖測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖27 瞬時值數(shù)字相位差測量工作波形u(t)Ou1u2Tx1uO2uOu3Ou4Ottttttt測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試設(shè)被測信號周期為Tx，門控信號u3的寬度，亦即兩個信號相位差對應(yīng)的

35、時間為t，則 式中，Ts為時標(biāo)信號周期。 由以上兩式可得： sxNTtTt360360360sxxsffNTNT測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試兩次測量結(jié)果取平均值： 再利用式（6-7）可得相位差。 5. 頻率比fB/fA測量頻率比是指兩路信號源的頻率的比值。其測量原理與頻率、周期測量的原理類似，如圖28所示。 221tttA通 道主 門B通 道門 控 信 號fAfB計 數(shù)TBTA譯 碼 顯 示圖28 頻率比測量原理框圖測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖29 累加計數(shù)和計時的原理框圖放大整形主門門控信號被測信號計數(shù)Tc譯碼顯示

36、開始停止Tx 6. 累加計數(shù)和計時累加計數(shù)是電子計數(shù)器最基本的功能，是指在一段較長時間內(nèi)累加被測信號的脈沖個數(shù)，測量原理框圖如圖29所示。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖30 電子計數(shù)器的自校原理框圖晶體振蕩倍頻電路時標(biāo)選擇主門Tc計數(shù)譯碼顯示門控信號時基選擇分頻電路Ts7. 自校在使用電子計數(shù)器測量之前，應(yīng)對電子計數(shù)器進(jìn)行自校，一是檢驗電子計數(shù)器的邏輯關(guān)系是否正常，二是檢驗電子計數(shù)器能否準(zhǔn)確地進(jìn)行定量測量。自校的原理框圖如圖30所示。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖31 通用電子計數(shù)器的基本組成框圖A通道控制電路B通道

37、主門倍頻器計數(shù)器顯示器晶振時標(biāo)選擇分頻器閘門選擇分頻器電源S3514126 （三）通用電子計數(shù)器的基本組成通用電子計數(shù)器一般由六大部分組成，如圖3 1所示測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試1. 輸入通道部分通用計數(shù)器的輸入電路一般包含A、B、C三個輸入通道（圖6.11中只畫出A、B兩個通道，因此在測量時間間隔時需配時間間隔測量插件通道C），其中A為主通道，頻帶較寬； B、C主要在測量周期、頻率比以及時間間隔時使用，稱為輔助通道。三個輸入通道都由放大器、衰減器及整形電路等組成。2. 計數(shù)器 計數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成, 對來自主門的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。在數(shù)字儀表中，最常用的

38、是按8421碼進(jìn)行編碼的十進(jìn)制計數(shù)器。計數(shù)器的最高工作頻率決定了儀器的最高測量頻率。目前計數(shù)器都已集成化，在使用時可當(dāng)做一個邏輯部件使用。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試3. 顯示部分顯示部分將累計的結(jié)果以十進(jìn)制數(shù)字的形式顯示出來。它包括譯碼和顯示電路。電子計數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測量，目前常用的有LED顯示器和LCD顯示器。LED為數(shù)碼顯示，其優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低，能與COMS/TTL電路兼容，發(fā)光亮度高，響應(yīng)快，壽命長。LCD為液晶顯示，其突出優(yōu)點(diǎn)是供電電壓低和微功耗，它是各類顯示器中功耗最低的。同時，LCD制造工藝簡單，體積小而薄，特別適用于小型數(shù)字儀表。特

39、別是近年來圖形點(diǎn)陣LCD的大量應(yīng)用，為儀器帶來了更加豐富、直觀、智能的操作界面。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試4. 時間基準(zhǔn)部分時間基準(zhǔn)電路包括晶體振蕩器、分頻器、倍頻器以及時基選擇電路。5. 主門及控制部分控制電路一般由雙穩(wěn)電路、單穩(wěn)電路等構(gòu)成，它包括門控電路，工作方式選擇電路，記憶、顯示時間和復(fù)原控制電路等。控制電路的作用是產(chǎn)生各種指令信號，如閘門脈沖、閉鎖脈沖、顯示脈沖、復(fù)零脈沖、記憶脈沖等，控制和協(xié)調(diào)各單元電路的工作，使整機(jī)按一定的工作程序完成測量任務(wù)。 6. 電源部分這部分電路包括整機(jī)電源電路、晶體振蕩器和恒溫槽電源電路。 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電

40、第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖32 量化誤差的形成計 數(shù) 脈 沖閘 門 開 啟 時 間 T脈 沖 數(shù)N 9閘 門 開 啟 時 間 T脈 沖 數(shù)N 81 1） 量化誤差量化誤差如圖32所示，雖然閘門開啟時間都為T，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數(shù)值一個為9，另一個卻為8，兩個計數(shù)值相差1。測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試圖33 噪聲和干擾產(chǎn)生的觸發(fā)誤差(a)(b)(c)E1E2量化誤差的相對誤差為： 2 2） 觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差 施密特電路輸出規(guī)則的矩形波，如圖33(a)所示。 %1001%1001%100 xCNTfNNN測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六

41、章第六章 常見參量的測試常見參量的測試3 3） 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差電子計數(shù)器在測量頻率和時間時是以晶振產(chǎn)生的各種時標(biāo)信號作為基準(zhǔn)的。顯然，如果時標(biāo)信號不穩(wěn)定，則會產(chǎn)生測量誤差，這種誤差稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。 1） 測頻誤差測頻誤差通過前面的介紹，測頻量化誤差可用下式表示： %1001%1001%100sNNTfNNN（6-9） 測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試2 2） 測周誤差測周誤差測周誤差包括測周量化誤差和觸發(fā)誤差。(1) 測周量化誤差。參照圖6.3，以及對測頻量化誤差的分析，測周量化誤差為%1001%1001%100 xCxTfNNNTT測試技術(shù)測試技

42、術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試(2) 測周觸發(fā)誤差因為一般門電路采用過零觸發(fā)，可以證明觸發(fā)誤差可按下式近似表示： 3） 中界頻率的確定忽略隨機(jī)誤差，根據(jù)中界頻率的定義，可得到中界頻率的計算公式： （6-12） mMTTxn21（6-11） ScTmff 0測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試?yán)纾秒娮佑嫈?shù)器測量fx=2 kHz信號的頻率，分別采用測頻（閘門時間為1s）和測周（晶振頻率fc=10 MHz）兩種測量方法，由于量化誤差所引起的相對誤差如下： 測頻率時，量化誤差為測周期時，量化誤差為 43105110211sxTfNN473102101021xcxxTfTT測試技術(shù)測試技術(shù)機(jī)電機(jī)電第六章第六章 常見參量的測試常見參量的測試中界頻率為4 4） 多周期測量多周期測量除采取以上措施外，測量時還應(yīng)注意以下事項： (1) 每次測試前應(yīng)先對儀器進(jìn)行自校檢查，當(dāng)顯示正常時再進(jìn)行測試。(2) 當(dāng)被測信號的信噪比較差時，應(yīng)降