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1、1,第六章信号测量的基本方法,2,学习目的：1、掌握对信号直流、交流成分的测量方法。2、掌握信号幅值、频率的测量方法。3、掌握对脉冲信号的上升、下降时间及脉冲宽度的测量方法。4、掌握相位差的测量方法：5、用单踪或双踪测量正弦信号的相位差的方法。,3,学习内容：6.1 信号的测量6.2 直流、交流成分的测量方法6.3 信号幅值的测量方法6.4 信号频率的测量方法6.5 脉冲信号的测量方法6.6 相位差的测量方法,4,6.1信号的测量1、时域的测量2、频域的测量,5,6.2 交流电压的测量1、表征交流成分的参数检波电路的分类：1）平均值检波：响应是输入交流的平均值2）峰值检波：响应是输入交流的峰值
2、3）有效值检波：响应是输入交流的有效值,6,1、表征交流成分的参数1）峰值周期交流电压在一周期内出现的最大瞬时值。,7,1、表征交流成分的参数2）平均值任意电压在一段时间内随时间逐点测得的电压值的平均。,8,2）平均值半波平均值正向半波平均值定义为：负向半波平均值定义为：全波平均值全波平均值定义为：如果不特别说明，所谓平均值都是指全波平均值。,9,1、表征交流成分的参数3）有效值有效值，又称为均方根值，是表征交流电压大小的应用最普遍的量值。交流电量的有效值，是与它的热效应相等的直流值。有效值定义为：有效值和峰值的关系是：,10,1、表征交流成分的参数4）波形因数交流电压的波形因数定义为：5）波
3、峰因数交流电压的波形因数定义为：,11,波形因数与波峰因数,12,例如：已知被测的交流电压波形是三角波，用峰值响应的电压表测量时读数为10V（有小至刻度），根据峰值响应电压表按正弦交流电压的定度规律可知，被测交流电压的峰值为V=VKp=101.414=14.14V，这里的Kp是指正弦波的波峰因数1.414，然后根据三角波的波峰因数KFd为1.732可求出被测交流电压的有效值V：可见，原来测出的读数10V是偏大的，其实际相对误差为：其指示值相对误差为：,13,6.3 信号幅度的测量1、直流、交流成分的测量方法1）地电平的确定,14,1、直流、交流成分的测量方法2）直流成分的测量,15,1、直流、
4、交流成分的测量方法3）交流成分的测量,16,例如：信号源内阻为0.02M，示波器输入阻抗为1M，信号源电压1V，测量电压为：则误差为0.02V，约为2%。,2、测量误差的计算,17,6.4 信号周期和频率的测量,18,6.5 脉冲信号的测量方法1、脉冲信号宽度的测量,19,2、脉冲上升沿和下降沿的测量,20,2、脉冲上升沿和下降沿的测量,21,3、两信号时间差的测量,22,4、延迟特性对测量的影响示波器上升时间的计算：,23,4、延迟特性对测量的影响示波器延迟特性对测量脉冲的影响如图所示，这是一脉冲上升沿测量的实例。输入脉冲信号本身的上升沿为100ns，示波器本身的上升时间为35ns，在示波管
5、上的波形这就是说示波器有6%的测量误差。,24,4、延迟特性对测量的影响,25,6.6 相位差的测量方法1、用单踪示波器测量正弦信号相位差,26,1、用单踪示波器测量正弦信号相位差,27,2、用双踪示波器测量正弦信号相位差,28,3、用X-Y功能测量频率和相位,29,3、用X-Y功能测量频率和相位,30,3、用X-Y功能测量频率和相位,31,3、用X-Y功能测量频率和相位,32,3、用X-Y功能测量频率和相位,33,6.7 示波器的误差及消除方法1、用示波器测量电压的误差,34,6.7 示波器的误差及消除方法1、用示波器测量电压的误差示波器的误差对测量的影响如前图所示。图中为一个实际测量情况，
6、将两个信号相位一致、幅度不同的信号分别送到CH-1（2.1V）和CH-2（1.9V）。如果两信道的误差分别为+1%和-1%，各自的幅度误差为：上述两信号的差电压应为：两个信号之差的电压值也会有误差，其误差为：0.021-（-0.019）=0.04DIV。实际测量时，通过这种计算可知，用示波器测量的两个信号的差值会有20%的误差。,35,1、用示波器测量电压的误差,36,2、探头对脉冲波形的影响,37,2、探头对脉冲波形的影响示波器的输入耦合方式采用交流（AC）方式。观测低频方波信号，方伯波形会下降，方伯波形的下降量如图所示，如果采用直流（DC）耦合方式，就不会有图中的下降情况。示波器的下将量D
7、可用波形的下降幅度与波形的上升沿幅度之比来表示。这种下降量是与频率有关的。当用示波器的交流耦合方式进行测量时，如低频截至频率为fc，所测量的方波信号的频率为fs，其下降量可由下式计算：此公式适用于对称方波的监测。,38,2、探头对脉冲波形的影响如果示波器的示波器的低频截止频率为fc=5Hz，方波信号频率为fs=50Hz，测量时的下降量为：从计算可知，其波形的下降量是很大的。如果使用衰减型探头（衰减量为10：1），则会有明显改善。此时灵敏度变为原来的1/10，fc也变为1/10，则fc=5/10=0.5Hz重新计算：由此可见，所观测的波形下降量有明显减小。,39,3、测量高频信号的方法,40,3
8、、测量高频信号的方法,41,3、测量高频信号的方法,42,4、差动放大器输出信号的检测方法,43,5、频率特性的测量1）测量方法：,44,5、频率特性的测量2）测量原理：式中：A-增益；Uo-输出电压；Ui-输入电压增益通常用dB表示，如果Ui=10mV Uo=1000mV，则：如果使用单踪示波器进行测量时，可先测量输入电压。然后测量输出电压，再求出增益值。,45,5、频率特性的测量使用扫频仪可以方便的产生连续变化频率的信号。,46,5、频率特性的测量,47,根据方波的形状评价频率特性的方法,48,6、最大不失真功率的测量,49,6、最大不失真功率的测量,50,7、最佳偏置电阻的测量,51,5
9、2,8、立体声双通道相位差的测量立体声录放机磁头的方位角会影响双通道信号的相位差，硬是磁头输出的相位一致，可以利用示波器测量两通道信号的相位差。,53,8、立体声双通道相位差的测量立体声录放机磁头的方位角会影响双通道信号的相位差，硬是磁头输出的相位一致，可以利用示波器测量两通道信号的相位差。,54,6.8 非电量的测量 1、非电量检测技术概论1）问题的提出在信息时代中，人们从事社会活动、生产实践和科学实验，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器将一切科学研究和生产过程中要获取的非电量信息，转换成易于测量、传输和处理的电信号。因此，传感器是处于研究对象与测控系统的接口位置，其地位和作
10、用特别重要，是感知、获取与检测各类非电量信息的窗口。,55,一切科学实验、生产过程，尤其是检测和自动控制系统要获取的信息，都是通过传感器将其转换成便于传输和处理的电信号。非电量信息是传感器感知、获取和转换的对象。非电量信息的类型十分广泛，如光、磁、热、声、力、压力、加速度、速度、位移、湿度、浓度、颜色、气味等。非电量检测技术的任务是通过传感器准确地、及时地掌握各种信息，一般情况下是要获取被测非电量的大小。因此，非电量检测技术的主要含义就是测量，取得测量数据。,56,2）测控系统非电量的测量系统与控制系统，简称为测控系统，主要由传感器、测量控制电路(简称测控电路)和执行机构3部分组成。传感器作为
11、非电量的敏感元件，其功能是探测被测对象的变化并转换成易于测量和控制的电信号。传感器的输出信号一般很微弱，而且常伴随着各种噪声，需要通过测控电路将它放大，剔除噪声，选取有用信号，按照测量与控制功能要求，进行所需演算、处理与转换，输出能控制执行机构动作的信号。,57,2）测控系统在整个测控系统中，测控电路是最灵活的部分，起着十分关键的作用，它具有便于放大、转换、传输，以及适应各种使用要求的功能。一旦传感器确定后，整个测控系统，乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度上取决于测控电路。,58,2、传感器概论1）传感器的定义根据我国的国家标准(GB766587)，传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照
12、一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。定义中的被测量就是各类非电量，包括物理量、化学量、生物量等；可用输出信号实际上就是便于处理和传输的电量，即电压量、电流。,59,2、传感器概论2）传感器的作用在信息化时代中，人类一切社会活动将主要依靠对信息资源的开发和利用，而传感器正是处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取和检测信息的窗口；传感器处于研究对象和测控系统的接口位置，在计算机广为普及的今天，如果没有各类传感器提供可靠、准确的信息，“没有传感器就没有现代科学技术”的说法越来越广泛了。正因为传感器的作用和地位如此重要，各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术，已经成为各国相互竞争的核心技术之一
13、。,60,2）传感器的组成敏感元件转换元件测量电路,61,2）传感器的组成敏感元件(sensing element)，又叫预变换器，是指传感器中能够直接感受或响应被测量(输入的非电量)的部分，往往是将被测非电量预先变换成另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换成电量。转换元件(transduction element)是指传感器中能将敏感元件输出的非电量转换成适于传输和测量的电量信号的部分。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地分清敏感元件和转换元件两部分。测量电路是指将传感器输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。测量电路本身并不是传感器。测量电路的类型视传感器的分类
14、而定。常用的测量电路有交、直流电桥及其他特殊的电路，如高阻抗输入电路、脉冲宽度调制电路、振荡回路等。,62,3、检测系统根据传感器输入信号的不同，检测系统分直流检测系统和交流检测系统两大类。,63,3、检测系统电桥主要把被测的非电量(或电量)转换成电阻、电感、电容的变化，再变成电流或电压的变化。根据供电电源的不同，可分为直流电桥和交流电桥两种。1）直流电桥直流电桥主要用于应变式传感器。2）交流电桥交流电桥主要测量电感和电容的变化。,64,3、检测系统1）直流电桥,65,1）直流电桥电桥灵敏度KV：单电桥：-0.25x双电桥：-0.5x全电桥：-x,66,1）直流电桥电桥灵敏度KV：单电桥：-0
15、.25x双电桥：-0.5x全电桥：-x,67,2）交流电桥交流电桥输出负阻抗用指数形式表示，即Z=|Z|ej平,则可得|Z2|Z4|ej（2+4）=|Z2|Z4|ej（1+3）可知，交流电桥必须满足幅位平衡和相位平衡，缺一不可。,68,2）交流电桥交流电桥基本上分电容电桥和电感电桥两大类，它们广泛用于电容式传感器和电感式传感器的测量电路中。与直流电桥相比，应用交流电桥时应注意以下方面的问题：交流电桥的电源通常为纯净的正弦波电源。在分析、计算时仅对基波而言，而在误差分析中需考虑高次谐波的影响；可以用线性电路的方法分析交流电桥，但对非线性元件需在规定的条件下(如规定工作频率、工作电压、工作电流等)
16、进行线性化处理；交流电桥中至少需要两个可调参数，才能保证电桥平衡，调整参数时必须满足。,69,4、非电量测量的数据处理1）问题的引入在智能化仪表及微型机控制系统中，非电量经过传感器转换成模拟量，经过放大、硬件滤波和信号变换等处理后，经AD转换器转换成数字量送人PC、MCU或DSP中，此数字量在进行显示、打印、报警及控制计算之前，还必须根据需要进行一些加工处理，如数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断以及非线性补偿等，以满足测量控制的需要。,70,4、非电量测量的数据处理1）问题的引入有些非电量测量比较简单，被测参数只与一个变量有关，如温度测量，温度只与热电偶的电流值近似成线性关系，这种测量结果
17、处理起来比较容易实现。有些非电量测量较为复杂，需若干几个变量，必须把它们经过一定的数学运算才能得到被测的非电量大小。另外，实际的测量中有些参数不但与几个被测非电量有关，而且是非线性关系，涉及到复杂的运算，若用硬件电路完成十分困难。显然，在非电量进行测量与控制过程中，采用计算机进行数据处理是一种十分方便而有效的方法，在传感器应用中得到了广泛应用。,71,4、非电量测量的数据处理2）软件数据处理优点可用不同的程序代替硬件电路，甚至完全不需要硬件电路做数据处理；可增加或改变相应的信号处理技术，无须增加新的硬件开销，降低了成本；计算机数据处理精度高，不受环境条件变化的影响，稳定可靠；不仅可对数据进行各
18、种复杂运算，而且具有智能判断功能。,72,4、非电量测量的数据处理3）数字滤波（1）数字滤波的作用由于被测非电量的环境比较恶劣，干扰源比较多(如温度、湿度、电场、磁场等)，除在模拟系统中采用必要的各种硬件滤波电路外，在用计算机组成的非电量自动测量系统和智能化仪器中，为了减小对采样值的干扰，提高系统可靠性，还常常采用数字滤波的方法。数字滤波是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑处理，提高有用信号，消除或减小各类干扰和噪声，以确定测量结果的准确、可靠。,73,5、标度变换概念 在非电量测量过程中，不同的非电量都有各自的量纲和数直，最终都经过变送器或相关硬件电路转换成A/D所能接收的0V5V，再由A/D转换成00H FFH的数字两。为了显示、打印、报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对测量过程进行监视和管理，这就是标度变换。,74,举例某加热炉温度仪的量程为200 800，该仪表的量程刻度是线形的，某时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？,
