第4章數(shù)字化電測(cè)儀表

1

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.1

概述4.2

頻率/周期的數(shù)字化測(cè)量4.3

相位的數(shù)字化測(cè)量4.4

電壓的數(shù)字化測(cè)量4.4

電阻、電容的數(shù)字化測(cè)量4.6電功率的數(shù)字化測(cè)量back2

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表數(shù)字量是信號(hào)幅度隨時(shí)間做離散型變化的物理量。將被測(cè)對(duì)象離散化和數(shù)據(jù)處理后以數(shù)字形式顯示的儀表稱(chēng)為數(shù)字（顯示）儀表。通過(guò)測(cè)量裝置（電路）把電測(cè)結(jié)果以數(shù)字形式顯示、記錄和控制的儀表稱(chēng)為數(shù)字式電測(cè)儀表?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)（單片機(jī)技術(shù)）將被測(cè)對(duì)象離散化和數(shù)據(jù)處理后以數(shù)字形式顯示、打印、存儲(chǔ)和通信的儀表稱(chēng)為智能（數(shù)字（顯示））儀表，具有程序控制、誤差自校正、數(shù)據(jù)處理等功能。電子測(cè)量?jī)x器正向量程擴(kuò)大化，集成化、模塊化、智能化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、跨專(zhuān)業(yè)多功能化、數(shù)字化趨勢(shì)發(fā)展。而這些發(fā)展趨勢(shì)的核心是數(shù)字化。無(wú)論高檔還是低檔儀器，數(shù)字化越來(lái)越普及。4.1概述3

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.1.1數(shù)字式儀表結(jié)構(gòu)模擬量數(shù)字量4

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表準(zhǔn)確度高——數(shù)字電壓表測(cè)量直流電壓的準(zhǔn)確度可達(dá)

10-6數(shù)量級(jí)

輸入阻抗高——數(shù)字電壓表基本量程的輸入阻抗高達(dá)1000M以上靈敏度高——現(xiàn)代的積分式數(shù)字電壓表的分辨率可達(dá)到1V以下直接讀數(shù)——

結(jié)果以數(shù)字形式直接給出，讀數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量速度快——

數(shù)字電壓表的測(cè)量速度高達(dá)每秒上萬(wàn)次測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化操作簡(jiǎn)單4.1.2數(shù)字式儀表的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

不直觀，不便于觀察動(dòng)態(tài)過(guò)程

價(jià)格較高

需要有較高水平的技術(shù)人員維修5例如：某數(shù)字萬(wàn)用表的最大顯示是1999某數(shù)字萬(wàn)用表為位首位數(shù)1

1999進(jìn)位后能達(dá)到的整數(shù)位值能顯示完全10進(jìn)制（0-9）的位數(shù)

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.1.2數(shù)字式儀表的特點(diǎn)6

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.1.3數(shù)字式儀表的分類(lèi)back按顯示位數(shù)分3、4、4、6、7位等按準(zhǔn)確度分低（±0.1％以下）、中（±0.01％以下）、高（±0.01％以上）按測(cè)量速度分低速、中速、高速按使用場(chǎng)合分標(biāo)準(zhǔn)型、通用型、面板型按測(cè)量參數(shù)分直流電壓表、交流電壓表、功率表、頻率表、相位表、萬(wàn)用表等74.2.1時(shí)間/頻率的基本概念4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理4.2.3頻率和頻率比測(cè)量4.2.4周期和時(shí)間間隔測(cè)量4.2.5*多周期同步測(cè)量技術(shù)back4.2頻率/周期的數(shù)字化測(cè)量

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表8back4.2.1時(shí)間/頻率的基本概念

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表1）時(shí)間和頻率的概念◆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?！纛l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：數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法。92）時(shí)間和頻率的標(biāo)準(zhǔn)back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)

a）天文時(shí)標(biāo)

b）原子時(shí)標(biāo)石英晶體振蕩器

4.2.1時(shí)間/頻率的基本概念10back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表石英晶體振蕩器

普通電子系統(tǒng)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?；趬弘娦?yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-4。

采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施（恒定在拐點(diǎn)處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。

4.2.1時(shí)間/頻率的基本概念113）時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量

◆測(cè)量準(zhǔn)確度高 時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度(可達(dá)10-14），校準(zhǔn)（比對(duì)）方便，因而數(shù)字化時(shí)頻測(cè)量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測(cè)量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測(cè)量?！糇詣?dòng)化程度高◆測(cè)量速度快back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.1時(shí)間/頻率的基本概念124）測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)量方法可以分為：back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法4.2.1時(shí)間/頻率的基本概念13

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理1.工作原理計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)值為：門(mén)控計(jì)數(shù)法功能框圖已知和兩者中任一個(gè)，通過(guò)計(jì)數(shù)器可測(cè)量另一個(gè)。但前提是：即門(mén)控信號(hào)頻率遠(yuǎn)小于計(jì)數(shù)信號(hào)頻率。14電子計(jì)數(shù)器原理框圖基本組成：輸入通道主門(mén)電路計(jì)數(shù)與顯示電路時(shí)間基準(zhǔn)電路控制電路

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理15

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理倍頻分頻16

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表1）輸入通道◆作用：主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)等單元電路構(gòu)成。其作用是對(duì)輸入信號(hào)處理以產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖信號(hào)。

◆斯密特觸發(fā)電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對(duì)輸入信號(hào)具有較好的抗干擾作用。4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理17

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表2）主門(mén)電路◆功能：主門(mén)也稱(chēng)為閘門(mén)，通過(guò)“門(mén)控信號(hào)”控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖，使計(jì)數(shù)器只對(duì)預(yù)定的“閘門(mén)時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)。◆電路：由“與門(mén)”或“或門(mén)”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“與門(mén)”構(gòu)成的主門(mén)，其“門(mén)控信號(hào)”為‘1’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)；由“或門(mén)”構(gòu)成的主門(mén)，其“門(mén)控信號(hào)”為‘0’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)。◆“門(mén)控信號(hào)”還可手動(dòng)操作得到，如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理18

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表3）計(jì)數(shù)與顯示電路計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路，完成脈沖計(jì)數(shù)；顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果（反映測(cè)量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來(lái)。4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理19

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4）時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能：產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門(mén)控信號(hào)”（多檔閘門(mén)時(shí)間可選）及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)（多檔可選）?！魧?shí)現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到。再通過(guò)門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門(mén)控信號(hào)”。

4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理20

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4）控制電路◆功能：產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按“復(fù)零－測(cè)量－顯示”的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。如下圖所示：準(zhǔn)備期（復(fù)零，等待）

測(cè)量期（開(kāi)門(mén)，計(jì)數(shù)）

顯示期（關(guān)門(mén)，停止計(jì)數(shù)）4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理21

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表5）電子計(jì)數(shù)器性能4.2.2電子計(jì)數(shù)器原理（1）測(cè)量范圍：毫赫~幾十GHz。（2）準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。（3）晶振頻率及穩(wěn)定度：一般要求高于所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)數(shù)量級(jí)（10倍）。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達(dá)10-7~10-9。（4）輸入特性：包括耦合方式（DC、AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（10~100mV）、輸入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）閘門(mén)時(shí)間(測(cè)頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時(shí)標(biāo)(測(cè)周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。22back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.3頻率和頻率比測(cè)量TB放大整形閘門(mén)門(mén)控電路計(jì)數(shù)顯示Afx分頻電路1）頻率測(cè)量23測(cè)量頻率的誤差由兩部分組成：back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.3頻率和頻率比測(cè)量-量化誤差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基誤差晶體振蕩器的頻率誤差所引起，與晶振的穩(wěn)定性密切相關(guān)。24back在測(cè)量頻率時(shí)，主閘門(mén)開(kāi)啟的時(shí)刻相對(duì)于被測(cè)信號(hào)是隨機(jī)的，兩者之間沒(méi)有同步關(guān)系。因此，在相同的主閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)可能不一樣。量化誤差:計(jì)數(shù)器所固有的原理性誤差Nx=10 Nx=9

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.3頻率和頻率比測(cè)量-量化誤差25電子計(jì)數(shù)器在測(cè)量低頻信號(hào)的頻率時(shí)改為測(cè)量該信號(hào)的周期，然后由周期計(jì)算頻率。

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)越大，量化誤差就越小。4.2.3頻率和頻率比測(cè)量26◆原理：實(shí)際上，前述頻率測(cè)量的比較測(cè)量原理就是一種頻率比的測(cè)量：fx對(duì)fd的頻率比。 據(jù)此，若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比（假設(shè)fA>fB），只要用fB的周期TB作為閘門(mén)，在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可。◆方法：fA對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.3頻率和頻率比測(cè)量2）頻率比測(cè)量27◆頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入?！籼岣哳l率比的測(cè)量精度：擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。◆應(yīng)用：可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。back

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.3頻率和頻率比測(cè)量28

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表back當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，用計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的誤差大。采用測(cè)量周期的方法來(lái)增加讀數(shù)的位數(shù)，降低測(cè)量誤差。4.2.4周期和時(shí)間間隔測(cè)量1）周期測(cè)量29

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表當(dāng)被測(cè)周期較小時(shí)，為了增加讀數(shù)位數(shù)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，可以把被測(cè)周期分頻，也就是延長(zhǎng)開(kāi)門(mén)時(shí)間，這樣也可以擴(kuò)展測(cè)量周期的量限。*小周期的測(cè)量4.2.4周期和時(shí)間間隔測(cè)量30

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表back測(cè)量周期的誤差

計(jì)數(shù)Nx越大，相對(duì)誤差越小。為此，盡量減小填充脈沖的周期，即增大計(jì)數(shù)脈沖的頻率。另外，可以將被測(cè)周期通過(guò)分頻器展寬，用拉長(zhǎng)Tx的辦法把Nx增加10至104倍。若用K表示展寬的倍數(shù)，則4.2.4周期和時(shí)間間隔測(cè)量晶體的時(shí)基誤差31欲測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖間的時(shí)間間隔，將起始信號(hào)和終止信號(hào)分別由B、C通道輸入，時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表4.2.4周期和時(shí)間間隔測(cè)量2）時(shí)間間隔測(cè)量在測(cè)量頻率時(shí)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很低時(shí)，由±1誤差而引起的測(cè)量誤差將大到不能允許的程度，例如，fx＝1Hz，閘門(mén)時(shí)間為1s時(shí)，由±1誤差而引起測(cè)量誤差高達(dá)100%。因此，為提高低頻測(cè)量精度，通常將電子計(jì)數(shù)器的功能轉(zhuǎn)為測(cè)周期，然后再利用頻率與周期互為倒數(shù)的關(guān)系來(lái)?yè)Q算其頻率值。但在測(cè)量周期時(shí)，當(dāng)被測(cè)周期很小時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生同樣的問(wèn)題并且存在同樣的解決辦法。即在被測(cè)信號(hào)的周期很小時(shí)，宜先測(cè)頻率，再換算出周期。*4.2.5多周期同步測(cè)量技術(shù)

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表但是，還存在兩個(gè)問(wèn)題：①、該方法不能直接讀出被測(cè)信號(hào)的頻率值或周期值；②、在中界頻率附近，仍不能達(dá)到較高的測(cè)量精度。若采用多周期同步測(cè)量方法，便可解決上述問(wèn)題。測(cè)頻誤差及測(cè)周誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的關(guān)系如圖示，圖中測(cè)頻和測(cè)周兩條誤差曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)中界頻率fxm。很顯然，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fx＞fxm時(shí)，宜采用測(cè)頻的方法，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率fx＜fxm時(shí)，宜采用測(cè)周的方法。多周期同步測(cè)量原理事件計(jì)數(shù)器時(shí)間計(jì)數(shù)器4.2.5多周期同步測(cè)量技術(shù)

第4章數(shù)字化電測(cè)儀表由于D觸發(fā)器的同步作用，待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器Ⅰ所記錄的NA值（無(wú)論多?。┮巡淮嬖凇?誤差的影響。由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)無(wú)確定關(guān)系，計(jì)數(shù)器Ⅱ所記錄的NB的值仍存在±1誤差的影響。但是，由于時(shí)鐘頻率f0很高使得NB很大，±1誤差的影響很小，且在全頻段的測(cè)量精度是均衡的,測(cè)量精度已與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。設(shè)閘門(mén)時(shí)間為1s，取時(shí)鐘頻率f0＝10MHz，則由±1誤差而引起的相對(duì)誤差恒定為10－7。若要進(jìn)一