測控技術(shù) 第四章

1、測控技術(shù) 第四章第1頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四一、 引言 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，對頻率源的準確度和穩(wěn)定度，提出了越來越高的要求，這就大大地促進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行研究。電壓測量是電子測量的基礎(chǔ)。 第2頁，共70頁，202

2、2年，5月20日，11點53分，星期四二、 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）利用標準頻率和被測頻率進行比較來測量頻率 ，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)器第3頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四2、頻率的數(shù)字測量 通用計數(shù)器的基本組成如下圖所示。第4頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 計數(shù)式測頻主要由三部分組成：時間基準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，則其頻率可表達為： f x= N/Tc 電子計

3、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。 第5頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四2、計數(shù)器測周期原理 若在Tx內(nèi)通過標準信號周期Tc的數(shù)目為N，則被測信號周期為 Tx = NTc Tx = (N / km)Ts第6頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四3、時間間隔的測量 4、計數(shù)法測量頻率比 第7頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四5、累加計數(shù)6、自檢第8頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四7、通用計數(shù)器的原理框圖 第9頁，共70頁，2

4、022年，5月20日，11點53分，星期四Agilent 53131A頻率計第10頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四Agilent 53131A頻率計性能參數(shù)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、輕松進行操作 兩個225 MHz輸入通道，外加可選的高達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/最小和標準偏差 每秒10位、500 ps時間間隔分辨率 標準GPIB，可選USB 第11頁，共70頁，2022年，5月20日

5、，11點53分，星期四安立MF2414B 頻率計數(shù)器性能參數(shù)頻率：40 GHz 測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。 第12頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四8、通用計數(shù)器的誤差分析 （1）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確性和計數(shù)器計數(shù)的準確性，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。 第13頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四

6、（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性，且計數(shù)值N為整數(shù)，因此會因為量化位引起誤差，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。 第14頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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

7、最大相對誤差為： 第15頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四（2）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。 第16頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 測周期時，由被測信號的周期作閘門時間，當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。第17頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四中界頻率 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

8、而增大。為減少量化誤差，當被測頻率較高時，宜直接測量頻率；當被測頻率較低時，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 第18頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四三、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；與標準移相器比較（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。 第19頁，共70頁，2022年，5月20日，11

9、點53分，星期四相位電壓轉(zhuǎn)換法相位差為方波的平均值即直流分量為 第20頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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)。第21頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四相位時間轉(zhuǎn)換法 將時間間隔Tx用計數(shù)器進行測量，便構(gòu)成了相位時間轉(zhuǎn)換式相位計，相位差可表示為： 第22頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四選擇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

10、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。 第23頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四四、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、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) 。第24頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四2、 電壓表

11、的主要性能指標 （1）性能指標幅度范圍：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。 第25頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四（2）交流電壓的表征 在進行交流電壓測量時，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

12、效值。 以正弦電壓為例，交流電壓可表示為：第26頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四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。 第27頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四在峰值電壓表中 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 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)果還要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，其波峰因數(shù)kp、波形因數(shù)kf

13、如下表所示。 第28頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四第29頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四3、直流電壓的數(shù)字測量 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。 第30頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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。第31頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星

14、期四逐次漸近比較式數(shù)字電壓表的工作原理 逐次漸進比較型DVM采用“天平”的工作原理，其原理框圖如下。 第32頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四【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

15、第四位為高，1V電壓保存；顯示器得到二進制數(shù)0111，顯示器顯示為7V。第33頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 一般，砝碼電壓（步進標準電壓）按2-n冪級設(shè)置。 逐次漸近比較式DVM的速度快，其準確度取決于基準電壓，D/A轉(zhuǎn)換及比較器的準確度。其缺點是抗干擾能力差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。 第34頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四雙積分式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。 第35頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四取樣階段 ：接通K1，同時斷開K4，積

16、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。 第36頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四比較階段： K1斷開，根據(jù)Uo1的極性接通K2或K3，積分器對標準電壓Us或-Us進行反相積分。同時打開閘門，計數(shù)器計數(shù)，當積分器輸出電壓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 于是第37頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四結(jié)合

17、U01的兩種表達式可得：將N1，N2值帶入可得： 雙積分式DVM具有很強的抗干擾能力，其缺點是速度比較慢。第38頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四4、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，然后進行測量。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。第39頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四（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

18、波式測量靈敏度高，但頻率范圍只能達到幾百千赫；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。 第40頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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、并聯(lián)式、雙峰值式、倍壓式峰值檢波等。 第41頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四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

19、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。 第42頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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)。 第43頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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。由此可得： 被測電壓的平均值 UAV =

20、 U / kfs 有效值 Ux = kfxUAV = (kfx / kfs )U 峰值 UP = kpxUAV = (kpxkfx / kfs )U第44頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四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 第45頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 對于正弦波等周期對稱電壓，流過

21、微安表的電流為 從而實現(xiàn)了有效值的轉(zhuǎn)換。 第46頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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)。 第47頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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第48頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 若被

22、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 第49頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四（2）外差式電壓表 外差式電壓測量方法在相當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

23、。外差式電壓表的靈敏度可以提高到V級。第50頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四（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 / R有關(guān)，可以表示為 為了減小理論誤差，要求 Rd T第51頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四與信號頻率有關(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 第52頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四波形誤差 交流電壓表，

24、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。 第53頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 用峰值檢波式電壓表測量非正弦波時，若測量的是失真正弦波，且失真度為時，相當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當作被測電壓的有效值，則由此造成的波形失真為 第54頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期

25、四由表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%第55頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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 / U = -12%第56頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四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

26、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；第57頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四4、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）具有標準接口功能 （4）利用計算機軟件功能 第58頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 通常將具有微處理的DVM稱為微機化DVM或智能DVM，其組成如圖所示： 第59頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四DVM的主要技術(shù)指標： 輸入

27、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； 準確度：最高可在10-7左右； 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：目前達10-8，即1V輸入量程時的測量分辨力為10nV； 輸入阻抗：典型值為10M，輸入電容的典型值為40pF； 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；第60頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 儀器的校準：DVM內(nèi)部備有供校準用的標準，并且校準部分是獨立的，與測量無關(guān)； 輸出信號：為BCD碼，可用于記錄、打印式機外數(shù)據(jù)處理； 輸

28、出接口：通常為GP1B或RS232； 顯示位數(shù)：目前已達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：最高可達500次/秒； 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：能求得被測電壓最大偏差、平均值，甚至還可以計算方差、標準偏差等。第61頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四5、數(shù)字多用表（DMM）技術(shù) 在電壓測量的基礎(chǔ)上還可以進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DMM的核心是DVM。 第62頁，共70頁，2022年

29、，5月20日，11點53分，星期四 AC/DC 在DMM中AC/DC的變換是按有效值的定義進行的，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。 第63頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四 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。 第64頁，共70頁，2022年，5月20日，11點53分，星期四R/V 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