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1、测控技术 第四章你现在浏览的是第一页，共70页一、引言 时间与频率是电子技术中两个重要的基本参量，在电子技术领域内，许多电参量的测量方案，测量结果都与频率测量有关。目前在电子测量中，时间和频率测量精确度是最高的。在现代信息传输和处理中，对频率源的准确度和稳定度，提出了越来越高的要求，这就大大地促进了时间频率测量技术的发展。电压也是基本物理量之一，是集总参数电路中表征电信号能量的三个基本参数（电压、电流、功率）之一，电压测量是电子测量中的基本内容，不仅是电量，即使是非电量也常常是借助电压测量的方法来进行研究。电压测量是电子测量的基础。你现在浏览的是第二页，共70页二、二、时频测量时频测量 1、频
2、率测量的方法模拟法：（1）直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率；（2）利用标准频率和被测频率进行比较来测量频率，包括谐振法、电桥法、拍频法、外差法及示波器法等。数字法：计数器你现在浏览的是第三页，共70页2、频率的数字测量频率的数字测量 通用计数器的基本组成如下图所示。你现在浏览的是第四页，共70页 计数式测频主要由三部分组成：时间基准T产生电路、计数脉冲形成电路和计数显示电路。若在时间基准Tc内，计得周期性信号的重复次数为N，则其频率可表达为：f x=N/Tc 电子计数器测频的原理实质是比较法，它将被测信号频率fx和已知的时基信号频率fc相比，将相比的结果以数字的形成显示出来。你现在浏览
3、的是第五页，共70页2、计数器测周期原理、计数器测周期原理 若在Tx内通过标准信号周期Tc的数目为N，则被测信号周期为 Tx=NTc Tx=(N/km)Ts你现在浏览的是第六页，共70页3、时间间隔的测量、时间间隔的测量 4、计数法测量频率比、计数法测量频率比 你现在浏览的是第七页，共70页5、累加计数、累加计数6、自检、自检你现在浏览的是第八页，共70页7、通用计数器的原理框图 你现在浏览的是第九页，共70页Agilent 53131A频率计你现在浏览的是第十页，共70页Agilent 53131A频率计性能参数测量范围包括频率、频率比、时间间隔、上升/下降时间、相位、占空比、正/负脉冲宽度
4、、总和、峰值电压、时间间隔平均和时间间隔延迟等 自动极限测试和一键式测量设置，用于快速、轻松进行操作 两个225 MHz输入通道，外加可选的高达12.4GHz的第3通道 内置统计数据特性，可使您同时测量平均、最大/最小和标准偏差 每秒10位、500 ps时间间隔分辨率 标准GPIB，可选USB 你现在浏览的是第十一页，共70页安立MF2414B 频率计数器性能参数频率：40 GHz 测量载波频率和脉冲串信号的脉冲宽度 模拟信号频率显示 利用模板功能设定频率范围为 合格/不合格。利用选通功能测量任何的脉冲信号。你现在浏览的是第十二页，共70页8、通用计数器的误差分析、通用计数器的误差分析（1）测
5、频误差分析）测频误差分析 频率测量的误差取决于时基信号所决定的闸门时间的准确性和计数器计数的准确性，根据不确定度的合成方法：因 Tc=kTs=k/fs，且k为常数。则上式变换为：测频误差包括计数误差和时钟频率误差。你现在浏览的是第十三页，共70页（1）计数误差（量化误差）或1个字误差 由于门控信号与计数脉冲之间的相对位置的随机性，且计数值N为整数，因此会因为量化位引起误差，该误差即为量化误差。量化误差示意图如图所示。最大计数误差：从上式可知，若被测频率fx一定时，增大闸门时间可以减小量化误差；若闸门时间T一定时，被测频率fx越低，量化误差越大，因此量化误差对低频影响很大。你现在浏览的是第十四页
6、，共70页 时钟频率误差：时钟频率误差fs/fs取决于决定于晶振的频率稳定度、准确度、分频电路和闸门开关速度及其稳定性等因素。量化误差和时钟误差都是系统误差，按绝对值合成法处理不确定度，可得频率的最大相对误差为：你现在浏览的是第十五页，共70页（2）测周误差分析）测周误差分析 根据误差传递公式，并结合式Tx=NT可得周期测量的相对误差为：用不确定度合成法得：由上式可见，Tx愈大（即被测频率愈低），误差对测量误差的影响愈小。你现在浏览的是第十六页，共70页 测周期时，由被测信号的周期作闸门时间，当被测信号叠加有噪声时，噪声会影响电路的触发时刻，从而带来触发误差。触发误差表示为：与信噪比成反比。你
7、现在浏览的是第十七页，共70页中界频率中界频率 测频的量化误差随fx的增大而减少；测周的量化误差随fx的增大而增大。为减少量化误差，当被测频率较高时，宜直接测量频率；当被测频率较低时，宜直接测量周期。在直接测频和直接测周的误差相等时，就确定了一个测频和测周的分界点。这个分界点的频率称为中界频率，表示为 你现在浏览的是第十八页，共70页三、相位差的数字测量相位差的数字测量 相位差的概念只适用于简谐振荡，对于非简谐振荡通常以时间差表征它们之间的相位关系。测量相位差的方法包括用传感器测量；与标准移相器比较（零示法）；示波法；直读法等。直读法包括模拟式和数字式，其基本原理都是把相位差转换为时间间隔、电
8、压，测量时间间隔或电压后转换为相位差。你现在浏览的是第十九页，共70页相位电压转换法相位电压转换法相位差为方波的平均值即直流分量为 你现在浏览的是第二十页，共70页 用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量滤除后，输出电压即为直流电压 若A/D的量化单位取为Ug/360，则A/D的结果即为x的度数。你现在浏览的是第二十一页，共70页相位时间转换法相位时间转换法 将时间间隔Tx用计数器进行测量，便构成了相位时间转换式相位计，相位差可表示为：你现在浏览的是第二十二页，共70页选择fs，使 fs/f36010-n 则 d=No 10-n 量化误差N1所对应的相位误差为:n由所需精度要求决定，要保证测相精
9、度，fs不允许太高，所以计数式相位计只能用于测量低频信号的相位差，而且要求测量精度最高（n 越大），能测量的频率f 越低。你现在浏览的是第二十三页，共70页四、电压测量电压测量 电压是表征信号能量的基本参量之一，在电子测量中，许多物理量的测量常常是借助电压测量来实现。因此电压测量是电子测量中的一项重要内容。1、电压测量的分类、电压测量的分类 按频率范围分：有直流电压和交流电压测量；按被测信号的特点分：有脉冲电压、有效值电压测量等；按测量技术分：有模拟电压测量和数字电压测量技术。你现在浏览的是第二十四页，共70页2、电压表的主要性能指标电压表的主要性能指标（1）性能指标）性能指标幅度范围：是指可
10、测量电压的范围；频率范围：一般电压表的频率范围可从直流 到数GHz；输入特性：通常指电压表的输入阻抗Z；分辨力：是指能够测量被测电压最小增量的能力；准确度（精确度）：指电压表的指示值（或显示值）与被 测量的真值之差；抗干扰能力：通常将干扰分为串模干扰和共模干扰两类。你现在浏览的是第二十五页，共70页（2）交流电压的表征）交流电压的表征 在进行交流电压测量时，国际上一直以有效值表示被测电压的大小，但在实际测量中由于检波器的工作特性不同，所得结果有峰值、平均值、有限值之别。因此，无论用哪一种特性的检波器，都应该将最后的测量结果表示为有效值。以正弦电压为例，交流电压可表示为：你现在浏览的是第二十六页
11、，共70页交流电压的平均值为 0时，UAV=0.637 Up 交流电压的有效值，即均方根值为：为了按照有效值定义测量结果，现在定义U为有效值。你现在浏览的是第二十七页，共70页在峰值电压表中 U=U p/k ps 式中，kps为正弦波峰因数。在平均值电压表中 U=k f s UAV 式中，kfs为正弦波形因数。在实际测量中，被测电压除了理想正弦波以外，还有方波，三角波等各种波形，对于这些波形的检测结果还要进行相应的转换，其波峰因数kp、波形因数kf如下表所示。你现在浏览的是第二十八页，共70页你现在浏览的是第二十九页，共70页3、直流电压的数字测量、直流电压的数字测量 数字电压表数字电压表 对
12、于直流电压，数字电压表（DVM）将被测电压Ui经模数转换，而后由数字逻辑电路进行数据处理并以数码表示测量结果，如图为其原理图。你现在浏览的是第三十页，共70页 DVM实际上是由A/D和电子计数器组成的，其核心是A/D，各种类型的DVM都由这两部分组成。按照模数转换方式的不同，DVM主要有两种类型：逐次渐近比较式和双积分式。你现在浏览的是第三十一页，共70页逐次渐近比较式数字电压表的工作原理 逐次渐进比较型DVM采用“天平”的工作原理，其原理框图如下。你现在浏览的是第三十二页，共70页【例】设被测电压Ux=7V，其比较过程如下（设砝码电压按8421码给出）。(1)时序脉冲发生器发出节拍脉冲，数码
13、寄存器最高位为1，Us=8V，与Ux比较，U=Ux Us=-1 0，寄存器第二位为高，4V电压保存；(3)下一节拍脉冲使寄存器第三位为1，Us=4+2=6V，U 0，寄存器第三位为高，2V电压保存；(4)下一节拍脉冲使寄存器第四位为1，Us=4+2+1=7V，U=0，寄存器第四位为高，1V电压保存；显示器得到二进制数0111，显示器显示为7V。你现在浏览的是第三十三页，共70页 一般，砝码电压（步进标准电压）按2-n幂级设置。逐次渐近比较式DVM的速度快，其准确度取决于基准电压，D/A转换及比较器的准确度。其缺点是抗干扰能力差，且结构复杂，价格较贵。你现在浏览的是第三十四页，共70页双积分式D
14、VM的工作原理 双积分式DVM的原理框图如下，它是在逻辑电路控制下工作的，工作过程包括取样和比较两个阶段。你现在浏览的是第三十五页，共70页取样阶段：接通K1，同时断开K4，积分器对被测电压Ux积分，积分时间为T1，取样结束时，积分器输出电压为 同时，计数器对周期为Ts的时钟脉冲计数，当计数到一定数值N1，即取样时间T1=N1Ts时，关闭闸门，停止计数，计数器清零，同时发出比较指令。你现在浏览的是第三十六页，共70页比较阶段：K1断开，根据Uo1的极性接通K2或K3，积分器对标准电压Us或-Us进行反相积分。同时打开闸门，计数器计数，当积分器输出电压Uo2等于零时，关闭闸门，停止计数，比较时间
15、T2=N2Ts。比较结束时，积分器的输出电压Uo2为零，即 于是你现在浏览的是第三十七页，共70页结合U01的两种表达式可得：将N1，N2值带入可得：双积分式DVM具有很强的抗干扰能力，其缺点是速度比较慢。你现在浏览的是第三十八页，共70页4、交流电压的测量、交流电压的测量 交流电压表，无论是模拟式还是数字式，其基本原理都是先通过交直流变换器（检波）变换成直流信号，然后进行测量。对于频率很高的信号，可以采用外差技术或取样技术，把它变成频率较低的信号后进行测量。交流电压测量是建立在直流测量基础上的。交流电压表的示值为正弦电压有效值。你现在浏览的是第三十九页，共70页（1）检波式电压测量 按检波方
16、式的不同，交流电压表分为放大检波式和检波放大式。放大检波式测量灵敏度高，但频率范围只能达到几百千赫；检波放大式频率范围可从直流到几百MHz，但由于检波器的限制其灵敏度较低。无论哪一种方法，检波器是其核心部件，它将交流电压转换为相应的直流电压指示测量结果。你现在浏览的是第四十页，共70页 在放大检波式电压表中，检波器多为平均值检波器或有效值检波器，分别构成均值电压表和有效值电压表。在检波放大式电压表中，检波器多采用峰值式，如串联式、并联式、双峰值式、倍压式峰值检波等。你现在浏览的是第四十一页，共70页平均值检波与均值电压表 如图为平均值检波器的基本电路，4只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路，
17、其输出电压为 无论哪一种均值检波器，输出的直流电压都与被测信号的平均值成正比。你现在浏览的是第四十二页，共70页 交流电压表，无论采用哪种检波方式，其示值都是按正弦电压有效值定度的。均值检波式电压表的示值为:式中，kfs为正弦波的波形因数，也是均值检波式电压表的定度系数。你现在浏览的是第四十三页，共70页 上式表明，若被测信号是纯正弦波，则均值检波式电压表的指示值就是被测电压的有效值；若被测电压是失真正弦波或不是正弦波时，则电压表指示的是与被测电压平均值相等的正弦波的有效值。由此可得：被测电压的平均值 UAV=U/kfs 有效值 Ux=kfxUAV=(kfx/kfs)U 峰值 UP=kpxUA
18、V=(kpxkfx/kfs)U你现在浏览的是第四十四页，共70页有效值检波与有效值电压表有效值检波与有效值电压表 为了获得有效值，必须使变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变换器有二极管平方律检波式、热电变换式和模拟计算式等几种。二极管在其正向特性的起始部分，具有近似的平方律关系，如图所示。当信号ux较小时，有 由于电容C的积分（滤波）作用，流过微安表的电流正比于i的平均值 你现在浏览的是第四十五页，共70页 对于正弦波等周期对称电压，流过微安表的电流为 从而实现了有效值的转换。你现在浏览的是第四十六页，共70页 模拟计算型电压表利用集成乘法器、积分器、开方电路等实现的有效值测量，下图为其原理
19、图。有效值电压表的优点是，输出示值就是被测电压的有效值，而与被测电压的波形无关。你现在浏览的是第四十七页，共70页 峰值检波器与峰值电压表 在检波放大式电压表中，检波器多采用峰值检波式。如图为串联式峰值检波器原理电路及检波波形，元件参数满足 RC Tmax，RdC T min 检波器的输出电压平均值为你现在浏览的是第四十八页，共70页 若被测信号是纯正弦波，则峰值检波式电压表的指示值U就是被测电压的有效值；若被测电压是失真正弦波或非正弦波时，则电压表指示的是与被测电压峰值相等的正弦波的有效值。由此可得被测电压的：峰值 UP=kps U 有效值 Ux=UP/kpx=(kps/kpx)U 平均值
20、UAV=UP/kfx=(kps/kpx kfx)U 你现在浏览的是第四十九页，共70页（2）外差式电压表 外差式电压测量方法在相当大的程度上解决了检波式电压表在灵敏度和频率范围之间的矛盾。由于中频放大器具有良好的频率选择性和固定中频频率。从而解决了放大器增益带宽的矛盾。外差式电压表的灵敏度可以提高到V级。你现在浏览的是第五十页，共70页（3）交流电压测量中的误差峰值检波器的理论误差 峰值检波器的输出电压平均值总是略小于被测信号的峰值Up，所造成的误差称为理论误差。理论误差与Rd/R有关，可以表示为 为了减小理论误差，要求 Rd T你现在浏览的是第五十一页，共70页与信号频率有关的误差 峰值检波
21、器工作在低频时，由于信号周期很大，峰值检波条件RCT不能满足，会造成测量误差，称之为低频误差。低频误差可以表示为 你现在浏览的是第五十二页，共70页波形误差 交流电压表，无论采用哪种检波方式，其示值都是按正弦电压有效值定度的。当测量的是纯正弦电压时，则不会造成波形失真。但在实际测量时，若被测正弦波或多或少有些失真，或被测电压不是正弦波时，则交流电压表指示的并不是被测电压的有效值，而是与被测电压峰值或均值相同的正弦波的有效值。你现在浏览的是第五十三页，共70页 用峰值检波式电压表测量非正弦波时，若测量的是失真正弦波，且失真度为时，相当于基波电压的最大波形误差为 用峰值检波式电压表测量三角波等其它
22、非正弦波时，若把电压表的示值U当作被测电压的有效值，则由此造成的波形失真为 你现在浏览的是第五十四页，共70页由表4.2的波形参数可得：测量三角波时 U/U=18%测量方波时 U/U=-41%测量白噪声时 U/U=+53%你现在浏览的是第五十五页，共70页 用均值检波式电压表测量非正弦波时，若把电压表的示值U当作被测电压的有效值，则由此造成的波形失真为 由表4.2的波形参数可得：测量三角波时 U/U=-4%测量方波时 U/U=+10%测量白噪声时 U/U=-12%你现在浏览的是第五十六页，共70页交流电压测量的其它误差 交流电压测量中的误差主要有以下几项：电压表的基本误差和附加误差；信号波峰因
23、数较大时产生的误差；信号频率范围超出电压表的带宽范围产生的误差；电压表输入阻抗产生的误差；你现在浏览的是第五十七页，共70页4、电压数字测量方法的特点：、电压数字测量方法的特点：从DVM的结构来说，电压的数字测量方法有以下一些特点：（1）采用模数转换器（A/D）（2）用数码显示测量结果（3）采用微处理器（4）具有标准接口功能 （4）利用计算机软件功能 你现在浏览的是第五十八页，共70页 通常将具有微处理的DVM称为微机化DVM或智能DVM，其组成如图所示：你现在浏览的是第五十九页，共70页DVM的主要技术指标：的主要技术指标：输入范围输入范围：最大输入一般为1000V，并具有自动量化转换和一定
24、的过量程能力；准确度准确度：最高可在10-7左右；稳定度稳定度：短期稳定度为读数的0.002倍，期限为24小时；长期稳定度为读数的0.008倍，期限为半年；分辨力：分辨力：目前达10-8，即1V输入量程时的测量分辨力为10nV；输入阻抗输入阻抗：典型值为10M，输入电容的典型值为40pF；输入零电流输入零电流：是指DVM输入端短路时仪器呈现的输入电流，通常为nA量级；你现在浏览的是第六十页，共70页 仪器的校准仪器的校准：DVM内部备有供校准用的标准，并且校准部分是独立的，与测量无关；输出信号输出信号：为BCD码，可用于记录、打印式机外数据处理；输出接口输出接口：通常为GP1B或RS232；显
25、示位数显示位数：目前已达8位，大多数台式表为4位、5位，而手持式的为3位；读数速率读数速率：最高可达500次/秒；数据存储容量数据存储容量：目前DVM内部可存储多大1000个数据；数据处理能力数据处理能力：能求得被测电压最大偏差、平均值，甚至还可以计算方差、标准偏差等。你现在浏览的是第六十一页，共70页5、数字多用表（数字多用表（DMM）技术）技术 在电压测量的基础上还可以进行对其它参量的测量。在数字直流电压表前端配接相应的交流直流转换、电流电压转换电路、电阻电压转换电路等，就构成了数字多用表（DMM）。如图所示，可以看出DMM的核心是DVM。你现在浏览的是第六十二页，共70页 AC/DC 在
26、DMM中AC/DC的变换是按有效值的定义进行的，即取被测量的均方根值，现在大多采用集成电路实现，如图是AC/DC变换的原理图。你现在浏览的是第六十三页，共70页 U0是输入交流ui的均方根值，即有效值。目前，通常将AC/DC集成在一块专用芯片上，除了必要的电源电压外，只需外接有关的电路作为平均及滤波之用。你现在浏览的是第六十四页，共70页R/V 变换技术变换技术 R/V变换技术是将被测电阻Rx变换为相应的电压Ux进行测量，只要流过电阻Rx的电流是已知的，测得Rx上的压降就可以通过计算得Rx。如图是恒流法R/V变换原理图，输出电压为 测量得：你现在浏览的是第六十五页，共70页数字电压测量的误差数
27、字电压测量的误差 DVM的误差公式通常有如下两种表示形式：式中，Ux为测量的值，Um为该量程满度值，aUx称为读数误差，bUm称为满度误差，它与被测电压大小无关，而与所取量程有关。当量程选定后，显示结果末位1个字所代表的电压值也就一定，因此满度误差通常用正负几个字表示。你现在浏览的是第六十六页，共70页【例例4.1】直流DVM基本量程8V档固有误差为 0.02Ux 0.005Um，最大显示为79999，问满度误差相当于几个字？解解：满度误差为 该量程每个字所代表的电压值为 所以，8V档上的满度误差0.005Um也可用4个字表示。你现在浏览的是第六十七页，共70页【例例4.2】用4位DVM测量1
28、.5V电压分别用2V档和200V档测量，已知2V档和200V档固有误差分别为0.025Ux1和0.03Ux 1个字，问两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少？解解：该DVM为4位半显示，最大显示位19999，所以2V档和200V档1个字分别代表 和用2V档测量时的数值相对误差为 用200V档测量时的数值相对误差为你现在浏览的是第六十八页，共70页7、电压测量的干扰及其抑制技术 由于DMM的灵敏度很高，因此对外部干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量的重要因素，外部干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。串模干扰是指干扰电压以串联形式与被测电压迭加后加到DVM输入端，串模干扰可能来自被测信号本身，也可能是由测量引线受到外界电磁场感应引起的。通常用串模干扰抑制比SMR来表示DMM对串模干扰的抑制能力，SMR定义为 你现在浏览的是第六十九页，共70页 常见抑制串模干扰的方法有两种：输入滤波法和积分平均值。当DMM的两输入端受到干扰信号的同等影响时，该干扰被称为共模干扰。共模干扰峰值Ucmp和它等效的串模干扰峰值Usmp的比值定义为DMM共模干扰抑制 抑制共模干扰常用的方法有浮置DMM的低端，采用双端对称输入电路，浮置双端对称输入电路，采用双重屏蔽和浮置等。你现在浏览的是第七十页，共70页