第四章 頻率和相位的測量

第四章頻率和相位的測量第一節(jié)頻率的測量方法第二節(jié)數字頻率計的測量原理第三節(jié)E312系列數字頻率計第四節(jié)相位的測量方法第五節(jié)電動系相位表第六節(jié)整步表ElectricalMeasure本章要點本章主要介紹測量頻率的方法，以及電子數字頻率計的結構與原理。用電子數字頻率計測量頻率，是今后測量頻率的主要手段，也是頻率計的發(fā)展方向。相位計和整步表是電力系統運行中常用儀表，本章對其作一般性介紹，以供相關專業(yè)使用。

第一節(jié)頻率的測量方法

一、工頻的測量--用電動系頻率表測量工頻

1.電動系頻率表的結構

采用比率表型，兩可動線圈空間錯開90°。無工作時呈隨遇平衡狀態(tài)。被測頻率等于固定線圈回路的諧振頻率時，指針停在標尺中心，即固定線圈軸線位置，標尺兩邊示值分別為大于或小于諧振頻率的值。2.電動系頻率表工作原理按接線圖，兩可動線圈所受力矩分別為由于兩個力矩方向相反，當平衡時兩者相等。聯立可得3.電動系頻率表標尺特性

返回本章首頁工頻的測量--用變換式頻率表測量工頻1.變換式頻率表的結構

變換式頻率表由磁電系測量機構和變換電路組成，變換電路包含方波形成、微分、整流、指示和偏置五個環(huán)節(jié)，通過變換電路，被測頻率轉換為一定大小的直流電流，然后通過磁電系測量機構進行測量。微分電路指示儀表雙向限幅整流電路偏置電路2.變換式頻率表工作原理

被測電壓經穩(wěn)壓管雙向限幅并經微分轉換為尖脈沖，由于電容小充電時間短，可形成尖脈沖波，若用i1表示充電電流，則電流脈沖波形可用下式表示 通過磁電系測量機構的電流平均值為

由于電路中Ri、C0很小故上式可簡化為 按式可知，通過磁電系測量機構的電流可以反映被測頻率的大小。

3.變換式電動系頻率表標尺特性

工頻頻率表所測量的頻率范圍并不要求從0開始，標尺一般為45～55Hz、900～1100Hz等等。變換式頻率表可通過調節(jié)偏置電阻，改變機械零點的頻率讀數，得到相應標尺。以45～65Hz的頻率表為例，被測輸入信號經微分得到的電流方向是從上到下，經過偏置電路的電流是從下到上，調節(jié)偏置電路使偏置電流平均值等于45Hz時輸入尖脈沖電流的平均值，則機械零點的頻率值就等于45Hz。選擇指示電表的靈敏度使?jié)M度為65Hz。工頻的測量--用振簧式頻率表測量工頻

早期還常用振簧式頻率表測量工頻頻率，振簧式頻率表是利用交流電磁鐵吸引一排機械振動頻率不同的簧片，簧片固有振動頻率與電源頻率相同時，產生共振的簧片振幅最大，從窗口看，好像簧片頂端被拉長。可以從產生共振的簧片位置讀出頻率值。

1.電磁鐵2.簧片3.銜鐵4.觀察窗口二、低頻和高頻的測量

1.比較法

將被測頻率與標準頻率相比較，通過檢測差拍或混頻后的頻率求得被測頻率?；祛l法差拍法fd=fx－fsf0=fx－fs2.無源測量法無源測量法是指測量電路不需要另加電源，直接用被測信號進行測量如文氏電橋測頻率和諧振回路測頻率。1）文氏電橋測頻率令R1=R2=R且C1=C2=C,可得將上式整理可得2.無源測量法無源測量法是指測量電路不需要另加電源，直接用被測信號進行測量。如文氏電橋測頻率和諧振回路測頻率。2）諧振回路測頻率

3.計數法計數法可適用于工頻、低頻與高頻，由于集成化程度的提高，計數器電路體積小，價格便宜，幾乎取代了所有其他形式的測頻儀器。返回本章首頁計數法測頻率計數法測周期第二節(jié) 數字頻率計的測量原理一、硬件計數頻率計硬件計數頻率計其結構如下圖所示，被測信號通過整形，轉換為與被測信號頻率相同的脈沖，然后對脈沖進行計數，也就是把頻率測量轉換為脈沖個數的測量。計數器可選用專用的集成電路，外圍再配上顯示器、放大整形以及電源電路即可組成頻率計。硬件計數頻率計組成放大整形部分秒信號發(fā)生器控制門電路計數顯示部分數字頻率計測周期與測頻率的基本原理相同測頻率時，以被測電壓作為計數對象，用標準時間信號（例如秒信號）作為門控信號。測周期時，用標準時間脈沖計數對象，用被測電壓作為門控信號。數字頻率計測頻率與測周期的轉換用兩個開關來變換計數對象和門控信號的位置，可以實現測頻率與測周期的轉換。二、軟件計數頻率計

1.軟件計數頻率計的結構

軟件計數是指用單片機軟件進行計數而構成的頻率計，它由單片機，以及外圍配置的顯示器件、放大整形、電源等電路組成。2.軟件計數頻率計的工作原理

整形放大：將任意波形的被測信號，轉換為前沿陡峭的脈沖，以利計數。

計數：由單片機內部的計數單元完成，每當被測信號從低到高變化時，將計數器加1，并由內部時鐘計時，每一秒所計的變化次數，就等于被測信號的頻率。

數碼轉換與顯示：讀出的頻率值由軟件將它轉換為七段碼，送LED數碼管顯示。

三、計數器的測量誤差

1.秒信號時間不準造成的誤差：

由于電子數字頻率計是把規(guī)定的一秒鐘內所計的信號個數作為頻率，如果秒信號本身不準確，必然造成計數誤差。

2.觸發(fā)誤差：

由于干擾造成計數器的誤觸發(fā)所產生的誤差。

3.量化誤差：

計數閘門開啟時間不剛好是被測信號周期的整數倍，而且脈沖到達時刻不剛好是閘門開啟時刻，因此在相同的開啟時間內，可能會有正負一個數的誤差。量化誤差示意圖計數閘門開啟時間不剛好是被測信號周期的整數倍造成的量化誤差。在時間T內脈沖個數為7.5,測出數可能為6。計數開始不剛好是第一個脈沖到達時刻，造成的量化誤差。

在時間T內，被測脈沖個數為7，測出數可能為5。量化誤差可見用計數方式測頻率的最大絕對誤差為△N=±1測頻率時，計數值

N=Tc/Tx最大的相對誤差為γ=△N/

N=±1/N=±fc/fx被測頻率fx越小，γ就越大。測周期時計數值

N=Tx

/Tc最大的相對誤差為γ=△N/

N=±1/N=±fx/fc被測頻率fx越小，γ就越小。返回本章首頁第三節(jié)E312系列數字頻率計一、頻率計數器專用集成電路ICM7226B1.信號輸入引腳2.信號輸出引腳3.控制引腳4.儀器工作狀態(tài)指示及電源引腳二、由ICM7226B組成的E312X系列數字頻率計電路返回本章首頁第四節(jié)相位的測量方法一、相位含義相位一般是指兩個同頻率波形，過零點的時間差。而在工業(yè)供電系統中通常指電壓、電流兩波形過零點的時間差。因為一個電壓、電流過零點的時間差角，對應一個該角的余弦即功率因數，所以工業(yè)上測量相位角，與測量功率因數都可稱為相位測量。二、測量相位方法

1.直接法：可用指示儀表，例如變換式、電動式或數字式相位表進行測量。2.間接法：通過測量電壓、電流、功率求得I、U間的相位角。3.比較法：可以用示波器測量兩個波形間的相位差。

三、變換式相位表

變換式相位表由電壓回路、電流回路和指示電路三部分構成，通過檢流計的電流。

式中U1、U2

值與u、i

相位差有關。因此可根據檢流計的電流值測得相位差。當u、i同相時變換式相位表波形1．只有u1正半波，才能有電流通過VD5、VD