測控技術(shù)-第四章PPT課件

1、12 時間與頻率是電子技術(shù)中兩個重要的基本參量，在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，許多電參量的測量方案，測量結(jié)果都與頻率測量有關(guān)。目前在電子測量中，時間和頻率測量精確度是最高的。在現(xiàn)代信息傳輸和處理中，對頻率源的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，提出了越來越高的要求，這就大大地促進(jìn)了時間頻率測量技術(shù)的發(fā)展。 電壓也是基本物理量之一，是集總參數(shù)電路中表征電信號能量的三個基本參數(shù)（電壓、電流、功率）之一，電壓測量是電子測量中的基本內(nèi)容，不僅是電量，即使是非電量也常常是借助電壓測量的方法來進(jìn)行研究。電壓測量是電子測量的基礎(chǔ)。 3二、二、 時頻測量時頻測量 1、頻率測量的方法模擬法：（1）直接利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來測量頻率；（2

2、）利用標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率進(jìn)行比較來測量頻率 ，包括諧振法、電橋法、拍頻法、外差法及示波器法等 。 數(shù)字法：計數(shù)器42、頻率的數(shù)字測量頻率的數(shù)字測量 通用計數(shù)器的基本組成如下圖所示。5 計數(shù)式測頻主要由三部分組成：時間基準(zhǔn)T產(chǎn)生電路、計數(shù)脈沖形成電路和計數(shù)顯示電路。 若在時間基準(zhǔn)Tc內(nèi)，計得周期性信號的重復(fù)次數(shù)為N，則其頻率可表達(dá)為： f x= N/Tc 電子計數(shù)器測頻的原理實質(zhì)是比較法，它將被測信號頻率fx和已知的時基信號頻率fc相比，將相比的結(jié)果以數(shù)字的形成顯示出來。 62 2、計數(shù)器測周期原理、計數(shù)器測周期原理 若在Tx內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)信號周期Tc的數(shù)目為N，則被測信號周期為 Tx = NTc

3、Tx = (N / km)Ts73 3、時間間隔的測量、時間間隔的測量 4 4、計數(shù)法測量頻率比、計數(shù)法測量頻率比 85 5、累加計數(shù)、累加計數(shù)6 6、自檢、自檢97、通用計數(shù)器的原理框圖 1011測量范圍包括頻率、頻率比、時間間隔、上升/下降時間、相位、占空比、正/負(fù)脈沖寬度、總和、峰值電壓、時間間隔平均和時間間隔延遲等 自動極限測試和一鍵式測量設(shè)置，用于快速、輕松進(jìn)行操作 兩個225 MHz輸入通道，外加可選的高達(dá)12.4GHz的第3通道 內(nèi)置統(tǒng)計數(shù)據(jù)特性，可使您同時測量平均、最大/最小和標(biāo)準(zhǔn)偏差 每秒10位、500 ps時間間隔分辨率 標(biāo)準(zhǔn)GPIB，可選USB 12頻率：40 GHz 測

4、量載波頻率和脈沖串信號的脈沖寬度 模擬信號頻率顯示 利用模板功能設(shè)定頻率范圍為 合格/不合格 。 利用選通功能測量任何的脈沖信號。 138 8、通用計數(shù)器的誤差分析、通用計數(shù)器的誤差分析 （1 1）測頻誤差分析）測頻誤差分析 頻率測量的誤差取決于時基信號所決定的閘門時間的準(zhǔn)確性和計數(shù)器計數(shù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)不確定度的合成方法 ： 因 Tc = kTs = k / fs ，且k為常數(shù) 。則上式變換為： 測頻誤差包括計數(shù)誤差和時鐘頻率誤差。 ssxxffNNffcxxTTNNff14（1）計數(shù)誤差（量化誤差）或1個字誤差 由于門控信號與計數(shù)脈沖之間的相對位置的隨機(jī)性，且計數(shù)值N為整數(shù)，因此會因為量化位

5、引起誤差，該誤差即為量化誤差。 量化誤差示意圖如圖所示。 最大計數(shù)誤差 ： 從上式可知，若被測頻率fx一定時，增大閘門時間可以減小量化誤差 ； 若閘門時間T一定時，被測頻率fx越低，量化誤差越大，因此量化誤差對低頻影響很大。 xTfNNN1115 時鐘頻率誤差： 時鐘頻率誤差fs/fs取決于決定于晶振的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度、分頻電路和閘門開關(guān)速度及其穩(wěn)定性等因素。 量化誤差和時鐘誤差都是系統(tǒng)誤差，按絕對值合成法處理不確定度，可得頻率的最大相對誤差為： ssxxxffTfff1max16（2 2）測周誤差分析）測周誤差分析 根據(jù)誤差傳遞公式，并結(jié)合式Tx = NT可得周期測量的相對誤差為： 用不確

6、定度合成法得： 由上式可見，Tx愈大（即被測頻率愈低），誤差對測量誤差的影響愈小。 ssxxffNNTTsssxsssxxxfffTkTTfTkTT17 測周期時，由被測信號的周期作閘門時間，當(dāng)被測信號疊加有噪聲時，噪聲會影響電路的觸發(fā)時刻，從而帶來觸發(fā)誤差。觸發(fā)誤差表示為： 與信噪比成反比。mnxnnkUUkTTTT218中界頻率中界頻率 測頻的量化誤差隨fx的增大而減少；測周的量化誤差隨fx的增大而增大。為減少量化誤差，當(dāng)被測頻率較高時，宜直接測量頻率；當(dāng)被測頻率較低時，宜直接測量周期。在直接測頻和直接測周的誤差相等時，就確定了一個測頻和測周的分界點。這個分界點的頻率稱為中界頻率，表示為

7、mTkfffftxtm0019三、相位差的數(shù)字測量相位差的數(shù)字測量 相位差的概念只適用于簡諧振蕩，對于非簡諧振蕩通常以時間差表征它們之間的相位關(guān)系。 測量相位差的方法包括用傳感器測量；與標(biāo)準(zhǔn)移相器比較（零示法）；示波法；直讀法等。 直讀法包括模擬式和數(shù)字式，其基本原理都是把相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔、電壓，測量時間間隔或電壓后轉(zhuǎn)換為相位差。 20相位電壓轉(zhuǎn)換法相位電壓轉(zhuǎn)換法相位差為方波的平均值即直流分量為 Ttdd/360 TtUUdg021 用低通濾波器將方波中的基波和諧波分量濾除后，輸出電壓即為直流電壓 若A/D的量化單位取為Ug / 360，則A/D的結(jié)果即為x的度數(shù)。3600 xgUU22相

8、位時間轉(zhuǎn)換法相位時間轉(zhuǎn)換法 將時間間隔Tx用計數(shù)器進(jìn)行測量，便構(gòu)成了相位時間轉(zhuǎn)換式相位計，相位差可表示為： sosododfNfTNTTt/360/360/36023選擇fs，使 fs / f36010-n 則 d = No 10-n 量化誤差N1所對應(yīng)的相位誤差為 : n由所需精度要求決定，要保證測相精度，fs不允許太高，所以計數(shù)式相位計只能用于測量低頻信號的相位差，而且要求測量精度最高（n 越大），能測量的頻率f 越低。 )10(n24四、電壓測量電壓測量 電壓是表征信號能量的基本參量之一，在電子測量中，許多物理量的測量常常是借助電壓測量來實現(xiàn)。因此電壓測量是電子測量中的一項重要內(nèi)容。1

9、1、電壓測量的分類、電壓測量的分類 按頻率范圍分：有直流電壓和交流電壓測量 ；按被測信號的特點分：有脈沖電壓、有效值電壓測量等 ；按測量技術(shù)分：有模擬電壓測量和數(shù)字電壓測量技術(shù) 。252 2、 電壓表的主要性能指標(biāo)電壓表的主要性能指標(biāo) （1 1）性能指標(biāo)）性能指標(biāo)幅度范圍：是指可測量電壓的范圍；頻率范圍：一般電壓表的頻率范圍可從直流 到數(shù)GHz；輸入特性：通常指電壓表的輸入阻抗Z；分辨力：是指能夠測量被測電壓最小增量的能力；準(zhǔn)確度（精確度）：指電壓表的指示值（或顯示值）與被 測量的真值之差；抗干擾能力 ：通常將干擾分為串模干擾和共模干擾兩類。 26（2 2）交流電壓的表征）交流電壓的表征 在進(jìn)

10、行交流電壓測量時，國際上一直以有效值表示被測電壓的大小，但在實際測量中由于檢波器的工作特性不同，所得結(jié)果有峰值、平均值、有限值之別。因此，無論用哪一種特性的檢波器，都應(yīng)該將最后的測量結(jié)果表示為有效值。 以正弦電壓為例，交流電壓可表示為：)sin()(tUtuP27交流電壓的平均值為 0時，UAV = 0.637 Up 交流電壓的有效值，即均方根值為： 為了按照有效值定義測量結(jié)果，現(xiàn)在定義U為有效值。 TAVdttuTU0| )(|1PTUdttuTU707. 0)(10228在峰值電壓表中 U = U p / k ps 式中，kps為正弦波峰因數(shù)。在平均值電壓表中 U = k f s UAV

11、式中，kfs為正弦波形因數(shù)。 在實際測量中，被測電壓除了理想正弦波以外，還有方波，三角波等各種波形，對于這些波形的檢測結(jié)果還要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，其波峰因數(shù)kp、波形因數(shù)kf如下表所示。 29303 3、直流電壓的數(shù)字測量、直流電壓的數(shù)字測量 數(shù)字電壓表數(shù)字電壓表 對于直流電壓，數(shù)字電壓表（DVM）將被測電壓Ui經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，而后由數(shù)字邏輯電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并以數(shù)碼表示測量結(jié)果，如圖為其原理圖。 31 DVM實際上是由A/D和電子計數(shù)器組成的，其核心是A/D，各種類型的DVM都由這兩部分組成。 按照模數(shù)轉(zhuǎn)換方式的不同，DVM主要有兩種類型：逐次漸近比較式和雙積分式。32逐次漸近比較式數(shù)字電壓表的工作原

12、理 逐次漸進(jìn)比較型DVM采用“天平”的工作原理，其原理框圖如下。 33【例】設(shè)被測電壓Ux = 7V，其比較過程如下（設(shè)砝碼電壓按8421碼給出）。(1) 時序脈沖發(fā)生器發(fā)出節(jié)拍脈沖，數(shù)碼寄存器最高位為1，Us = 8V，與Ux比較，U = Ux Us = -1 0，寄存器第二位為高，4V電壓保存；(3) 下一節(jié)拍脈沖使寄存器第三位為1，Us = 4 +2 = 6V，U 0，寄存器第三位為高，2V電壓保存；(4) 下一節(jié)拍脈沖使寄存器第四位為1，Us = 4 +2 +1 = 7V，U = 0，寄存器第四位為高，1V電壓保存；顯示器得到二進(jìn)制數(shù)0111，顯示器顯示為7V。34 一般，砝碼電壓（步

13、進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)電壓）按2-n冪級設(shè)置。 逐次漸近比較式DVM的速度快，其準(zhǔn)確度取決于基準(zhǔn)電壓，D/A轉(zhuǎn)換及比較器的準(zhǔn)確度。其缺點是抗干擾能力差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。 35雙積分式DVM的工作原理 雙積分式DVM的原理框圖如下，它是在邏輯電路控制下工作的，工作過程包括取樣和比較兩個階段。 36取樣階段 ：接通K1，同時斷開K4，積分器對被測電壓Ux積分，積分時間為T1，取樣結(jié)束時，積分器輸出電壓為 同時，計數(shù)器對周期為Ts的時鐘脈沖計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到一定數(shù)值N1，即取樣時間T1 = N1Ts時，關(guān)閉閘門，停止計數(shù)，計數(shù)器清零，同時發(fā)出比較指令。 xTxURCTdtURCU10011137比較階段： K1斷

14、開，根據(jù)Uo1的極性接通K2或K3，積分器對標(biāo)準(zhǔn)電壓Us或-Us進(jìn)行反相積分。同時打開閘門，計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)積分器輸出電壓Uo2等于零時，關(guān)閉閘門，停止計數(shù)，比較時間T2 = N2Ts。 比較結(jié)束時，積分器的輸出電壓Uo2為零，即 于是sTsosooURCTUdtURCUU0211201soURCTU2138結(jié)合U01的兩種表達(dá)式可得：將N1，N2值帶入可得： 雙積分式DVM具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其缺點是速度比較慢。sxUTTU12sxUNNU12394 4、交流電壓的測量、交流電壓的測量 交流電壓表，無論是模擬式還是數(shù)字式，其基本原理都是先通過交直流變換器（檢波）變換成直流信號，然后進(jìn)行測量。

15、對于頻率很高的信號，可以采用外差技術(shù)或取樣技術(shù)，把它變成頻率較低的信號后進(jìn)行測量。交流電壓測量是建立在直流測量基礎(chǔ)上的。 交流電壓表的示值為正弦電壓有效值。40（1）檢波式電壓測量 按檢波方式的不同，交流電壓表分為放大檢波式和檢波放大式。放大檢波式測量靈敏度高，但頻率范圍只能達(dá)到幾百千赫；檢波放大式頻率范圍可從直流到幾百MHz，但由于檢波器的限制其靈敏度較低。無論哪一種方法，檢波器是其核心部件，它將交流電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓指示測量結(jié)果。 41 在放大檢波式電壓表中，檢波器多為平均值檢波器或有效值檢波器，分別構(gòu)成均值電壓表和有效值電壓表。 在檢波放大式電壓表中，檢波器多采用峰值式，如串聯(lián)式、

16、并聯(lián)式、雙峰值式、倍壓式峰值檢波等。 42平均值檢波與均值電壓表 如圖為平均值檢波器的基本電路，4只性能相同的二極管構(gòu)成橋式全波整流電路，其輸出電壓為 無論哪一種均值檢波器，輸出的直流電壓都與被測信號的平均值成正比。 UdtuTUTxo0|143 交流電壓表，無論采用哪種檢波方式，其示值都是按正弦電壓有效值定度的。均值檢波式電壓表的示值為: 式中，kfs為正弦波的波形因數(shù)，也是均值檢波式電壓表的定度系數(shù)。 UkUfs44 上式表明，若被測信號是純正弦波，則均值檢波式電壓表的指示值就是被測電壓的有效值；若被測電壓是失真正弦波或不是正弦波時，則電壓表指示的是與被測電壓平均值相等的正弦波的有效值。由

17、此可得： 被測電壓的平均值 UAV = U / kfs 有效值 Ux = kfxUAV = (kfx / kfs )U 峰值 UP = kpxUAV = (kpxkfx / kfs )U45有效值檢波與有效值電壓表有效值檢波與有效值電壓表 為了獲得有效值，必須使變換器具有平方律關(guān)系的伏安特性。這類變換器有二極管平方律檢波式、熱電變換式和模擬計算式等幾種。 二極管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律關(guān)系，如圖所示。當(dāng)信號ux較小時，有 由于電容C的積分（濾波）作用，流過微安表的電流正比于i的平均值 202002)(1xrmsxTkUUkEkEdttiTI20)(tuEkix46 對于正弦波等

18、周期對稱電壓，流過微安表的電流為 從而實現(xiàn)了有效值的轉(zhuǎn)換。 22kUkUIxrms47 模擬計算型電壓表利用集成乘法器、積分器、開方電路等實現(xiàn)的有效值測量 ，下圖為其原理圖。 有效值電壓表的優(yōu)點是，輸出示值就是被測電壓的有效值，而與被測電壓的波形無關(guān)。 48 峰值檢波器與峰值電壓表 在檢波放大式電壓表中，檢波器多采用峰值檢波式 。如圖為串聯(lián)式峰值檢波器原理電路及檢波波形，元件參數(shù)滿足 RC Tmax， RdC T min 檢波器的輸出電壓平均值為pdCUkU49 若被測信號是純正弦波，則峰值檢波式電壓表的指示值U就是被測電壓的有效值；若被測電壓是失真正弦波或非正弦波時，則電壓表指示的是與被測電

19、壓峰值相等的正弦波的有效值。由此可得被測電壓的： 峰值 UP = kps U 有效值 Ux = UP / kpx = (kps / kpx )U 平均值 UAV = UP / kfx = (kps / kpx kfx )U 50（2）外差式電壓表 外差式電壓測量方法在相當(dāng)大的程度上解決了檢波式電壓表在靈敏度和頻率范圍之間的矛盾。 由于中頻放大器具有良好的頻率選擇性和固定中頻頻率。從而解決了放大器增益帶寬的矛盾。外差式電壓表的靈敏度可以提高到V級。51（3）交流電壓測量中的誤差峰值檢波器的理論誤差 峰值檢波器的輸出電壓平均值總是略小于被測信號的峰值Up， 所造成的誤差稱為理論誤差。理論誤差與Rd

20、 / R有關(guān)，可以表示為 為了減小理論誤差，要求 Rd T3/2)/( 2 . 2/RRUUd52與信號頻率有關(guān)的誤差 峰值檢波器工作在低頻時，由于信號周期很大，峰值檢波條件RCT不能滿足，會造成測量誤差，稱之為低頻誤差。低頻誤差可以表示為 )2/(1/fRCUU53波形誤差 交流電壓表，無論采用哪種檢波方式，其示值都是按正弦電壓有效值定度的。當(dāng)測量的是純正弦電壓時，則不會造成波形失真。但在實際測量時，若被測正弦波或多或少有些失真，或被測電壓不是正弦波時，則交流電壓表指示的并不是被測電壓的有效值，而是與被測電壓峰值或均值相同的正弦波的有效值。 54 用峰值檢波式電壓表測量非正弦波時，若測量的是

21、失真正弦波，且失真度為時，相當(dāng)于基波電壓的最大波形誤差為 用峰值檢波式電壓表測量三角波等其它非正弦波時，若把電壓表的示值U當(dāng)作被測電壓的有效值，則由此造成的波形失真為 %)/(maxUUpxpspxpsxkkUkUkUUUUUU/1/55由表4.2的波形參數(shù)可得：測量三角波時 U / U = 18%測量方波時 U / U = - 41%測量白噪聲時 U / U = +53%56 用均值檢波式電壓表測量非正弦波時，若把電壓表的示值U當(dāng)作被測電壓的有效值，則由此造成的波形失真為 由表4.2的波形參數(shù)可得： 測量三角波時 U / U = -4% 測量方波時 U / U = +10% 測量白噪聲時 U

22、 / U = -12%fxfsfxfsxkkUkUkUUUUUU/1/57交流電壓測量的其它誤差 交流電壓測量中的誤差主要有以下幾項：電壓表的基本誤差和附加誤差；信號波峰因數(shù)較大時產(chǎn)生的誤差；信號頻率范圍超出電壓表的帶寬范圍產(chǎn)生的誤差；電壓表輸入阻抗產(chǎn)生的誤差；584 4、電壓數(shù)字測量方法的特點：、電壓數(shù)字測量方法的特點： 從DVM的結(jié)構(gòu)來說，電壓的數(shù)字測量方法有以下一些特點：（1）采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）（2）用數(shù)碼顯示測量結(jié)果 （3）采用微處理器（4）具有標(biāo)準(zhǔn)接口功能 （4）利用計算機(jī)軟件功能 59 通常將具有微處理的DVM稱為微機(jī)化DVM或智能DVM，其組成如圖所示： 60DVMDVM的

23、主要技術(shù)指標(biāo)：的主要技術(shù)指標(biāo)： 輸入范圍輸入范圍：最大輸入一般為1000V，并具有自動量化轉(zhuǎn)換和一定的過量程能力； 準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度：最高可在10-7左右； 穩(wěn)定度穩(wěn)定度：短期穩(wěn)定度為讀數(shù)的0.002倍，期限為24小時；長期穩(wěn)定度為讀數(shù)的0.008倍，期限為半年； 分辨力：分辨力：目前達(dá)10-8，即1V輸入量程時的測量分辨力為10nV； 輸入阻抗輸入阻抗：典型值為10M，輸入電容的典型值為40pF； 輸入零電流輸入零電流：是指DVM輸入端短路時儀器呈現(xiàn)的輸入電流，通常為nA量級；61 儀器的校準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)：DVM內(nèi)部備有供校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)，并且校準(zhǔn)部分是獨立的，與測量無關(guān)； 輸出信號輸出信號：為BCD

24、碼，可用于記錄、打印式機(jī)外數(shù)據(jù)處理； 輸出接口輸出接口：通常為GP1B或RS232； 顯示位數(shù)顯示位數(shù)：目前已達(dá)8位，大多數(shù)臺式表為4位、5位，而手持式的為3位； 讀數(shù)速率讀數(shù)速率：最高可達(dá)500次/秒； 數(shù)據(jù)存儲容量數(shù)據(jù)存儲容量：目前DVM內(nèi)部可存儲多大1000個數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)處理能力數(shù)據(jù)處理能力：能求得被測電壓最大偏差、平均值，甚至還可以計算方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等。625、數(shù)字多用表（數(shù)字多用表（DMMDMM）技術(shù)）技術(shù) 在電壓測量的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行對其它參量的測量。在數(shù)字直流電壓表前端配接相應(yīng)的交流直流轉(zhuǎn)換、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、電阻電壓轉(zhuǎn)換電路等，就構(gòu)成了數(shù)字多用表（DMM）。如圖所示，可以看出D

25、MM的核心是DVM。 63 AC/DC AC/DC 在DMM中AC/DC的變換是按有效值的定義進(jìn)行的，即取被測量的均方根值，現(xiàn)在大多采用集成電路實現(xiàn)，如圖是AC/DC變換的原理圖。 64 U0是輸入交流ui的均方根值，即有效值。 目前，通常將AC/DC集成在一塊專用芯片上，除了必要的電源電壓外，只需外接有關(guān)的電路作為平均及濾波之用。 irmsiUUU2065R/V R/V 變換技術(shù)變換技術(shù) R/V變換技術(shù)是將被測電阻Rx變換為相應(yīng)的電壓Ux進(jìn)行測量，只要流過電阻Rx的電流是已知的，測得Rx上的壓降就可以通過計算得Rx。 如圖是恒流法R/V變換原理圖，輸出電壓為 測量得：xsRRUsU0ssxRUUR/066數(shù)字電壓測量的誤差數(shù)字電壓測量的誤差 DVM的誤差公式通常有如下兩種表示形式： 式中，Ux為測量的值，Um為該量程滿度值，aUx稱為讀數(shù)誤差，bUm稱為滿度誤差，它與被測電壓大小無關(guān)，而與所取量程有關(guān)。當(dāng)量程選定后，顯示結(jié)果末位1個字所代表的電壓值也就一定，因此滿度誤差通常用正負(fù)幾個字表示。 幾個字xmx