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1、Chapter 4Chapter 4数字测量方法数字测量方法4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法4.2 直流数字电压表直流数字电压表4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表 4.4 频率的测量频率的测量4.5 时间的测量时间的测量4.6 相位的测量相位的测量4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法 数字化测量是将连续模拟量转换成断续的数字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。进行数字化处理，比较方便的量是直流电压和脉冲(或交流)频率。对应的测量仪器是数字电压表(DVM)和电子计数器(一般称计数式频 率计)。*直流直流 DVM 的测量原理的测量原理A/F(A/T)*综
2、合数字化仪表的测量原理综合数字化仪表的测量原理4.2 4.2 直流数字电压表直流数字电压表一、一、DVM的特点：的特点：1数字显示数字显示2准确度高准确度高3量程转换灵活：自动转换、手动转换量程转换灵活：自动转换、手动转换4.分辨力高分辨力高5.测量速度快测量速度快6.输入阻抗高输入阻抗高7.抗干扰能力强抗干扰能力强二、二、DVM的主要类型：的主要类型：按工作方式分类按工作方式分类1.逐次逼近型、逐次逼近型、2.并行比较型并行比较型/串并行型、串并行型、3.积分型、积分型、4.-调制型、调制型、5.电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型6.压频变换型压频变换型 1.1.并行比较型并行比较型 DV
3、M DVM 工作原理工作原理 (1)电路输入电压通过比较器与各个比较器的反相端电压比较，比较器反相端电压是参考电压UR通过电阻分档的电压，输入电压比哪些个档的参考电压高，则哪些个比较器就输出高电平，但是由于比较器后接优先编码器，所以只有最高级别的比较器输出的高电平被编码。右图是3位并行A/D转换器。设参考电压为8V，比较器反相端的分档电压为1V，2V，3V，4V，5V，6V，7V。在第1个采样到来时，输入模拟量大于3V，则有三个比较器都输出高电平，但优先编码器只对反相端接3V分档电压的比较器的输出进行编码，输出数字量为011。余此类推，有如下的表格：(2)特点优点：转换速度快。缺点：转换位数越
4、多，需比较器数量越多。N位AD转换器需 2n-1 个比较器。并行模/数转换原理图优先编码器采样脉冲01234567124DDD012比较器UkRRRRRRRR模拟输入.2 2逐次比较型逐次比较型 DVM DVM 工作原理工作原理比较器比较器 时序逻辑时序逻辑控制电路控制电路 输输出出缓缓冲冲器器转换结束转换结束 输出允许输出允许启动启动时钟时钟Ui US D/A转换器转换器基基 准准 源源数数 据据寄存器寄存器译译 码码显显 示示(1)特点 优点：转换速度较慢。缺点：转换电路相对精炼。0.125VMAX V0.6875VMAX 0.75 VMAX 0.625VMAX0.5 VMAX 0.5VM
5、AX第一次比较第一次比较1 1第二次比较第二次比较0 0第三次第三次比较比较1第四次第四次比较比较 0VIN0t0.25VMAX0.0625VMAX (2)电路(3)例 DVM做4次比较，基准Ur=1V，输入Ui=0.68V，Uomt0t1t2t3t3uN 放大器积分输出：工作过程：时段：定时积分,T1=t t2 2-t t1 1;时段：定值积分，从t t2 2开始，过零结束;若时钟频率为F，则T2 期间的脉冲数：(2)基本原理：(1)电路结构3 3双积分型双积分型 DVM DVM 工作原理工作原理 (2)应用电路：由集成块7106构成3位半数字电压表的典型电路如图4 4U-FU-F变换型变换
6、型 DVM DVM 工作原理工作原理 (1)电压反馈式电压反馈式UF转换器组成原理转换器组成原理 被测电压Ux经放大后输出电压Uo，经过U-F 转换器获得频率为UF 的序列脉冲。经过F-U 电路转换成UF，再与UX 比较，产生差值电压U UX-UF。两者差使UO及F 输出改变，如此循环，直至动态平衡。若放大器的增益足够大，则U0，UX UF。因为UF 正比于F，UX 正比于F，即：UX kF (2)特点特点 U/F型A/D转换器多用电压反馈形式。具有较好的抗干扰能力,准确度和输入阻抗高。其中其中uNuNuTuouN(3)原理电路原理电路 (4)应用电路：应用电路：恢复型恢复型UF 转换器电路图
7、转换器电路图1 恢复型恢复型UF 转换器电路图转换器电路图2图4.1.10(b)恢复型UF 转换器电路图三、三、DVM的测量误差：的测量误差：DVM的固有误差，常用下列两种方式表示：其中：aUX 为示值相对误差，与读数成正比，称为读数误差。它与仪器各单元电路的不稳定性有关。b UX 为不随读数变化的满度误差，由量化误差量化误差和0点误差点误差等组成。量化是把本来有无穷个取值的模拟量用有限个数字量来表示的过程。0点偏移如同磁电式电压表的机械0点没有调好一样，对于DVM，多发生在末位数字上。满度误差与被测电压大小无关，而与所取量程有关，常常用正负几个字来表示。为了避免满度误差对测量结果的影响，应选
8、择合适的量程应选择合适的量程，使被测电压显示的位数尽量多。例例:用某型DVM测量0.5V电压，若使用200 V量程时，显示000.52V,满度误差2个字,误差的影响是很大的；而使用2 V量程时，能显示0.5002,这时的满度误差2个字,误差就小多了。与其他仪器一样，DVM除了上述固有误差固有误差之外，还有影响误差影响误差等。例如:输输入阻抗入阻抗、环境温度环境温度 等引起的误差。例题例题:P145例例1纠教材 P145 之“综上所述”4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表 *多用表组成：多用表组成：DVM 一、交流电压一、交流电压直流电压转换器：直流电压转换器：模拟式电压表利用二极管
9、构成的平均值和峰值检波电路，驱动直流微安表指针偏转，如图(a)。这种检波器是非线性的，因为二极管非线性特性和阀值电压VT的影响，使检波输出的线性很差，如图(b)所示。输出电压瞬时值 uo与交流输入电压瞬时值ui 存在如下关系：当 ui 较低时,其很大部分消耗在非线性二极管压降UDV上,当ui UT时；uo=0，这种畸变对于测量变换是不允许的。(b)1.直接二极管检波直接二极管检波：1)1)采用运放式半波检波原理：采用运放式半波检波原理：采用运放式半波检波原理：采用运放式半波检波原理：它利用运放的高增益来补偿二极管正向管压降。若运放 A1 的开环增益 K01105，二极管 VD1 的压降为UT，
10、在输入端引起的等效电压损失为：这样的补偿使得VD1的等效正向压降减小到 6V，二极管可以视为理想检波器件，输入与输出之间呈现良好的线性。如图(d)所示。2.运放半波式检波运放半波式检波：2)采用运放式半波检波实用电路：采用运放式半波检波实用电路：其中：当输入交流电压进入负半波时，由 VD2，R3形成负反馈通道。检波级的增益由R1R2的比例决定，本电路中这两个电阻均为10k，增益为l。正半波时经 VD1 进行半波检波，完成AC-DC变换作用。3.运放全波式检波运放全波式检波：当输入信号为正时，即:ui 0，VD2导通 VD1截止。半波检波电路输出为：加法电路对ui 和 uo1两电压进行求和运算，
11、其输出电压为：若取 RlR2R3R5=2R4,则：uo=ui 当输入信号为负时，即ui 0，VD2截止 VD1导通;uo1=0,加法电路A2的输出电压为:A1构成半波检波电路，A2构成加法器电路。A2加有两路电压输入：二、电阻二、电阻直流电压转换器：直流电压转换器：R-U 转换电路1：二、电阻二、电阻二、电阻二、电阻直流电压转换器：直流电压转换器：直流电压转换器：直流电压转换器：与双积分DVM相配合的R-U 转换电路：在定时积分(采样)阶段,合S1,对ux 积分;然后合S2,对uN进行定值积分,当积分输出电压过0时，比较时间：可见,Rx 与ux成正比,ux又与T2 成正比。将Rx转换成T2后，
12、再利用脉冲计数法即可实现Rx的数字显示。将采样电阻串联在放大器的反馈回路中，设点虚地，则：三、直流电流三、直流电流直流电压转换器：直流电压转换器：I-U 转换电路a：让被测电流流过标准电阻，再用直流DVM测量电阻上的电压，即实现这一转换。+-I-U 转换电路b：利用3位半DVM组成的简易数字电流表电路。I-U 转换电路c：一、时间与频率标准一、时间与频率标准 时间和频率测量的一个重要特点就是：时间是一去不复返的。寻找按严格相等的时间间隔重复出现的周期现象就成为制定时间和频率标准的首要问题。早期，人们把地球自转当作符合上述要求的频率源，把由地球自转确定的时间计量系统称为世界时世界时。随后人们又制
13、定了根据太阳来计量时间的计时系统,这种计时系统的精度比世界时世界时有了大幅度的提高。科学技术的发展，对时间计量的准确度提出越来越高的要求。为了适应这种需要，国际天文学会定义了以地球绕太阳公转为标准的计时系统，称为历书时历书时 ET。4.4 4.4 频率的测量频率的测量 地面上每个观切点都有自己的子午圈，在同一瞬时，不同经度上的观测点将有不同的时刻值。通常把这样的天文观测点测直接测定的世界时称为地方时地方时，记做UTo。在此的基础上修正了地球极移的影响，产生了UT1：在UT1 的基础上修正了季节性变化的影响，产生了UT2。它的稳定度比世界时提高了两个数量级，达到了10-9量级。1.原子频标的基本
14、原理原子频标的基本原理 根据量子理论，原子或分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，而只能跃迁。当由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量，其辐射频率 f 严格地决定于两能级之间的能量差，即：由于该现象是微观原子或分子所固有的，非常稳定。若设法使原于或分子受到激励，便可得到相应的稳定而又准确的频率。这就是原子频标的基本原理。h为普朗克常数；E为跃迁能级间的能量差。1967年年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：秒是与铯 Cs133原子基态的两个超精细能级间跃迁时，相对应辐射的 9192631770 个周期的持续时间。原子时的时刻起点为1958年1月1日0时。铯原
15、子钟的精度已达10-14 10-15量级，甚至更高。这相当于数十万年乃至百万年不差1s。铯原子钟分为大铯钟和小铯钟两种，两者的原理相同。大铯钟都是安置于专用实验室，作为频率基准；小铯钟则可作为良好的频率工作标准。2.铯原子钟铯原子钟 氢原子钟亦称氢原子激射器。它是从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，当原子从高能级跃迁到低能级时，辐射出频率准确的电磁波，可用其作为频率标准。氢原于钟的短期稳定度很好，可达10-14 10-15量级；但由于储存泡壁移效应等影响，其精度只能达到10-12 量级。铷原子钟是一种体积小、重量轻、便于携带的原子频标，由于存在老化频移等影响，其精度约为约为10-11量级，只
16、能作为工作标准。离子储存频标，亦称离子阱频标，该类频标存在的主要问题是储存的离子与残存气体碰撞产生的碰撞频移，以及由于储存的离子数量少，而使信噪比较低等。预计离子阱频标的精度可达 10-15 10-16 量级，甚至更高。从基本原理和技术方案来看，离子阱频标的确有较大的发展潜力，可能成为未来的时间频率基准。我国陕西天文台是规模较大的现代化授时中心，它有发格时间与频率的专用电台。台内有氢原子钟和瑟原子钟，成为我国原子时间标准。它能够保持三万年以上才有1s的偏差。中央人民广播电台的北京时间报时声，就是由陕西天文台授时给北京天文台，再通过中央人民广播电台播发的。国际上规定30kHz以下为甚低频、超低频
17、，30kHz以上每10倍频程依次划分为低、中、高、甚高、特高、超高等频段。在微波技术中,按波长(m)300/f(MHz)划分为米波/分米波/厘米波/毫米波等波段。在一般电子技术中把:20Hz 20kHz的频段称为音频，20Hz 20MHz 频段称为视频，30kHz 几十GHz频段称为射频。当然，这些界限也只是一个大致的划分。在电子测量技术中，一种划分法是以30kHz为界，以下称低频测量，以上称高频测量；另一种划分法是以100kHz(或lMHz)为界，以下称低频测量，以上称高频测量(一般，正弦波信号发生器就是这样划分的)。我们采用后一种划分。目前多用电子计数器电子计数器 测频，它具有测量精度高、
18、速度快、自动化程度高、操作简便、直接显示数字等特点，尤其是与微处理器相结合，实现了程控化和智能化，构成智能化计数器。目前，电子计数器几乎取代了模拟式测量仪器。二、频率测量方法二、频率测量方法三、电子计数式频率计三、电子计数式频率计 1.计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理 频率是每秒内信号变化的次数。在一个准确的时间段对信号变化计数，就可实现频率测量。2.时间基准的产生时间基准的产生 通用频率计一般选用频率稳定度良好的石英晶体谐振器来产生这个时间基准，它在短时间内的频率稳定度可以达到10-9量级。设石英晶体振荡器产生的脉冲周期为T0，经过一系列分频可以得到几种标准的时间基准，如：10m
19、S，0.1S，l S，10S等几种。T N0 T0，N0是在时间基准T 内含有晶振本身振荡周期的整倍数。只要分频次数准确，N0 就是确切的数，则时间基准 T 就是一个稳定的数值。3.计数式频率计组成计数式频率计组成显示显示框图框图1:框图框图2:显显 示示智能单元智能单元(MCU DSP ARM)晶晶 振振量程选择输入量程选择输入 4.应用实例应用实例高精度高精度10MHZ频率计频率计整形整形电路电路ui四、电子计数器主要技术指标四、电子计数器主要技术指标 (1)测量范围：测量范围：电子计数器的测量范围很广，可以测量从 mHz 1010Hz范围。(2)晶体振荡器的频率稳定度：晶体振荡器的频率稳
20、定度：可用频率准确度、日频率漂移、秒级频率稳定度、温度影响误差、电压影响误差及负载影响误差等指标来完整地描述晶振的性能。频率稳定度一般为10-6 10-9范围。(3)输入特性输入特性 1)耦合方式：有AC耦合和DC耦合两种方式。2)触发电平及极性：助发电平和极性共同决定了输入信号的触发点，要求触发电平有一定的调节范围，触发极性可选择。3)输入电压范围。能保证正常工作的最小输入电压称为输入灵敏度，大多为10 100mV。此外，还需要定义最大输入电压。4)输入阻抗：内输入电阻和输入电容两部分组成。5)波形适应性。包括对正弦被、脉冲和其他信号的适应性。(4)测量时间测量时间Tm 1)闸门时间：即测量时间。测频时一般有1mS、10mS、0.1S、1S、10S。测周期时闸门时间为被测信号的一个或多个周期。2)显示时间：显示测量结果的那段时间，一般为0.1 20s范围内调节。测量时间测量时间=闸门时间闸门时间+显示时间显示时间+复零时间复零时间4.5 4.5 时间的测量时间的测量.周期的测量周期的测量.时间的测量时间的测量4.6 4.6 相位的测量相位的测量 相位测量-通常指两同频率信号间相位差的测量。在电子技术中主要测量RC、LC网络、放大器相频特性，以及依靠信号相位传递信息的电子设备。脉冲计数法测相位脉冲计数法测相位作业：作业：4-4 4-6 4-12