電信號(hào)基本參量的常用測(cè)量方法課件

第6章電信號(hào)基本參量的常用測(cè)量方法13.1周期性信號(hào)的頻率、相位的測(cè)量

1．頻率（周期）的數(shù)字化測(cè)量1．1計(jì)數(shù)法測(cè)頻的基本原理計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率，就是在一定的時(shí)間間隔

內(nèi)，對(duì)被測(cè)信號(hào)(頻率為f，

)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖所示。計(jì)數(shù)器的閘門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉受控制，即開(kāi)啟時(shí)間為，所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N為所以，被測(cè)信號(hào)的頻率為計(jì)數(shù)控制閘門(mén)可由門(mén)電路或模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成，由于其開(kāi)啟時(shí)間為，所以又稱(chēng)為“閘門(mén)時(shí)間”。閘門(mén)時(shí)間通常以秒為單位，一般有10s、1s、0.1s、0.01s等幾種，為了獲得較多的測(cè)量位數(shù)及測(cè)量精度，所以較長(zhǎng)的閘門(mén)時(shí)間一般用來(lái)測(cè)量較低的頻率；由于計(jì)數(shù)器的位數(shù)總是有限的，因而對(duì)于較高頻率，則應(yīng)選用較小的閘門(mén)時(shí)間，以免使測(cè)量數(shù)據(jù)溢出。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率很高時(shí)，還常常先將被測(cè)信號(hào)作分頻處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。若分頻比為m（m

=1、10、100、…），則被測(cè)信號(hào)的頻率為若被測(cè)信號(hào)的頻率太高，可以利用變頻（混頻）電路對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行降頻處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，以降低對(duì)器件速度的要求。由于數(shù)字電路工作速度的提高，目前這種方法已基本不再采用了。前文已述，采用計(jì)數(shù)法測(cè)量較低的頻率時(shí)，應(yīng)選擇較長(zhǎng)的閘門(mén)時(shí)間，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率太低時(shí)，閘門(mén)時(shí)間（測(cè)量時(shí)間）將會(huì)長(zhǎng)到測(cè)量者無(wú)法忍受的程度。例如，測(cè)量1Hz左右的信號(hào)頻率，位數(shù)需達(dá)到6位，則閘門(mén)時(shí)間至少應(yīng)為105s（約1個(gè)月），這顯然是不可行的。因而，對(duì)于較低頻率信號(hào)宜采取先測(cè)量其周期T，然后再根據(jù)

的關(guān)系求得其頻率，而較低頻率信號(hào)的周期較長(zhǎng)，容易獲得較高的測(cè)量精度。采用計(jì)數(shù)法測(cè)量周期，就是在與被測(cè)信號(hào)的周期T相關(guān)的一定的時(shí)間間隔(通常為周期性被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期)內(nèi)，對(duì)作為時(shí)標(biāo)的脈沖(f0為時(shí)標(biāo)脈沖的頻率)，進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的閘門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉受控制，即開(kāi)啟時(shí)間間隔為，所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N為，當(dāng)使，，所以，被測(cè)信號(hào)的周期為應(yīng)該指出，僅僅是方法誤差，而實(shí)際的測(cè)量誤差還應(yīng)包含閘門(mén)時(shí)間T0的誤差和閘門(mén)開(kāi)、關(guān)時(shí)延不同等方面應(yīng)起的誤差。1．2．1噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差被測(cè)信號(hào)脈沖的形成通常采用施密特觸發(fā)器。在不存在噪聲干擾的情況下，施密特觸發(fā)器可以將正弦波等較為規(guī)則的信號(hào)整型成周期與輸出信號(hào)相同的矩形脈沖來(lái)作為計(jì)數(shù)脈沖或閘門(mén)控制信號(hào)。但是，如果被測(cè)信號(hào)中含有較強(qiáng)的噪聲干擾（噪聲干擾的幅度大于施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口），且干擾脈沖落在施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口內(nèi)，將會(huì)使施密特觸發(fā)器產(chǎn)生誤觸發(fā)，從而使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。消除的辦法是：盡可能加寬施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口；正確選擇觸發(fā)窗口相對(duì)被測(cè)信號(hào)的電平位置，如圖五(b)所示。2．相位的測(cè)量相位的測(cè)量實(shí)際是指兩個(gè)同頻周期性信號(hào)的相位差的測(cè)量，常采用相位－電壓轉(zhuǎn)換測(cè)量法。圖中E1和E2為頻率相同相位差為的兩個(gè)被測(cè)正弦信號(hào)，經(jīng)限幅放大和脈沖整形后變成方波信號(hào)，經(jīng)微分后通過(guò)鑒相器輸出寬度與兩個(gè)信號(hào)相位差有關(guān)的方脈沖，方脈沖的電平高度為，重復(fù)周期T與輸入的正弦波形同，其平均值（直流分量）為經(jīng)低通濾波后被A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。相位差與方脈沖寬度及正弦波的重復(fù)周期T間的關(guān)系為所以即2．時(shí)標(biāo)的選擇及測(cè)量誤差脈沖時(shí)間間隔的測(cè)量采用的也是計(jì)數(shù)法。我們已經(jīng)知道，計(jì)數(shù)法的方法最大量化誤差為末尾正負(fù)一個(gè)字。所以，為了增大計(jì)數(shù)量N，減小測(cè)量誤差，在不產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出的條件下時(shí)標(biāo)脈沖T0越小越好。如圖所示，觸發(fā)門(mén)控電路的觸發(fā)脈沖都具有一定的上升和下降時(shí)間（所有的觸發(fā)脈沖的上升及下降時(shí)間都不可能為零），同時(shí)門(mén)控電路也具有一定的觸發(fā)電平（窗口），所以，當(dāng)采用計(jì)數(shù)法測(cè)量脈沖寬度時(shí)，有時(shí)應(yīng)考慮采取必要的補(bǔ)償。13.3信號(hào)頻譜的測(cè)量對(duì)非周期性信號(hào)，往往需要了解信號(hào)構(gòu)成的頻率成分，這就需要進(jìn)行信號(hào)頻譜的測(cè)量（或稱(chēng)為頻譜分析）。頻譜分析一般可利用付里葉變換，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。時(shí)域—頻域間的付里葉變換公式我們是熟知的，即，也可以寫(xiě)成數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)需要對(duì)按一定的時(shí)間間隔做數(shù)字化采樣處理，轉(zhuǎn)換成，采用離散付里葉變換（高速付里葉變換）方式進(jìn)行處理。對(duì)于離散的采樣值，、、,令這就是離散的付里葉變換公式。利用FFT可以得到Fm，即被測(cè)信號(hào)的頻譜分布函數(shù)F(f)。連續(xù)付氏變換可寫(xiě)成由可知，為了提高頻率分辨率，可以通過(guò)降低采樣頻率（增大采樣時(shí)間間隔）或加大采樣點(diǎn)數(shù)N來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，根據(jù)奈奎斯特采用定理，為了防止頻譜混疊，采樣時(shí)間間隔不能過(guò)大，所以在存儲(chǔ)器空間允許的條件下，加大采樣點(diǎn)數(shù)N是個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖九中的低通濾器就是為了防止頻譜混疊而加入的。1．3有效值U或Urms如果某個(gè)交流電和一個(gè)直流電U分別加在同一個(gè)純電阻上，當(dāng)它們產(chǎn)生的焦耳熱相等時(shí)，這個(gè)交流電的有效值等于直流電U。這個(gè)關(guān)系可以寫(xiě)成1．4波形因數(shù)KF、波峰因數(shù)KP交流電壓波形因數(shù)KF的定義為該電壓的平均值與有效值之比而交流電壓波峰因數(shù)KP的定義為該電壓的峰值與有效值之比不同的電壓波形，其KF、KP亦不相同。了解到一些常見(jiàn)波形的KF、KP可以利用信號(hào)的峰值快速計(jì)算的它們有效值及平均值。13.5電流的測(cè)量13.5.1電流-電壓轉(zhuǎn)化一、取樣電阻法適合測(cè)量較大電流，取樣電阻不宜太大。三、電流互感器法（工頻交流）2.電流電壓變換電路1.電流互感器鉗形表（鉗形互感式電流表）13.6電功率與電功的測(cè)量電動(dòng)系直讀功率表／感應(yīng)系有功電度表、電子測(cè)量式功率表6.6.1電動(dòng)系功率表電動(dòng)系功率表的測(cè)量機(jī)構(gòu)原理示意圖靜圈與動(dòng)圈間的相互作用力矩Mt與指針相連，由游絲提供恢復(fù)力矩游絲的恢復(fù)力矩Mf平衡時(shí)功率電動(dòng)式儀表結(jié)構(gòu)特點(diǎn):交直流兩用有功功率13.6.3