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1、电子测量技术,第4章 数字测量方法,电子测量技术,数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。组成框图,4.1 电压测量的数字化方法,1 DVM的组成,电子测量技术,1)数字显示:2)准确度高:0.0001,1nV;3)测量范围:显示位数完整显示位：能够显示0-9的数字。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。,4.1 电压测量的数字化方法,2 DVM的特点,电子测量技术,量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。扩展其他量程:通过对输入电压（按10倍）放大或衰减。例如：基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、1
2、0V、100V、1000V等五档量程,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,4）分辨力高分辨最小电压变化量的能力。显示的末尾数字变化“1个字”。反映了DVM灵敏度。在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字。5）测量速度快每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒-几十次/秒。,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,6）输入阻抗高直流DVM：10M-1000M之间。(低量程输入阻抗高）交流DVM：输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电
3、容值一般在几十-几百pF之间。,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,7）抗干扰能力强,4.1 电压测量的数字化方法,串模干扰 指干扰信号以串联叠加的形式对被测信号产生的干扰,电子测量技术,串模抑制比,4.1 电压测量的数字化方法,起因：1）来自于被测信号源本身（例如，直流稳压电源输出就存在纹波干扰）；2）从测量引线感应进来的工频（50Hz）或高频干扰(如雷电或无线电发射引起的空中电磁干扰)。特性：频率：直流、低频到超高频；波形：周期性的或非周期性的；正弦波或非正弦波（如瞬间的尖峰脉冲干扰）；随机的。各种干扰信号中，50Hz的工频干扰是最主要的干扰源。,电子测量技术,4.1 电压测量的数
4、字化方法,共模干扰 干扰信号同时作用于DVM的两个测量输入端（称为高端H和低端L）,电子测量技术,4.1 电压测量的数字化方法,起因：被测电压本身被测电压与DVM的参考地电位不相等特性：直流电压和交流电压两类；共模干扰电压可能很大，如上百伏甚至上千伏。,共模抑制比,电子测量技术,3 DVM的主要类型,逐次比较式,4.1 电压测量的数字化方法,基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小Ux未知范围的办法。,它类似天平称重的过程，用标准电源Ur，其各分项相当于提供的有限“电子砝码”，被测电压Ux是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子
5、砝码的过程完全类同于称重中的加减砝码的过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码。,电子测量技术,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,电子测量技术,原理：通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。,4.1 电压测量的数字化方法,U-T积分式（双斜积分）,电子测量技术,电子测量技术,工作过程准备阶段（t0-t1）。开关S4接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Uo回到零（Uo=0）。对被测电压定时积分(t1-t2)。接入被测电压（设Ux为负），则积分器输出Uo从零开始线性地正向增长，经过规定的时间 T1，Uo达到最大Uom，式中，为
6、Ux的平均值，为积分波形的斜率(定值)对参考电压反向定值积分(t2-t3)。接入参考电压(若Ux为负，则接入UN)，积分器输出Uo从Uom开始线性地反向减小(与Ux的积分方向相反)直至零。,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有：将Uom代入可得：由于T1、T2是通过对同一时钟信号（设周期T0）计数得到（设计数值分别为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是式中，为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）。可见计数结果N2（数字量）即可表示被测电压Ux，N2即为双积分A/D转换结果。,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,
7、4.1 电压测量的数字化方法,双积分式ADC特点：基于U-T变换的比较测量原理。一次测量包括3个连续过程，所需时间为T0+T1+T2，其 中，T0、T1是固定的，T2则与被测电压Ux有关，Ux愈大 T2愈大。一般转换时间在几十ms-几百ms，（转换速度 为几次/秒-几十次/秒），其速度是较低的，常用于高 精度慢速测量的场合。积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而 对元件参数的精度和稳定性要求不高。参考电压UN的精度和稳定性对A/D转换结果有影响，一般需采用精 密基准电压源。（例如，一个16bit的A/D转换器，其分辨率 1LSB=1/216=1/655361510-6，那么，要求
8、基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于15ppm（即百万分之15）。价格不高。,电子测量技术,双积分式ADC特点：比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时 间分辨力（响应带宽）。如一个6位的A/D转换器，若满度时积分器输出电压为10V，则ADC的 1LSB=10V/106=10uV，则要求比较器的灵敏度优于 10uV。响应带宽则决定了比较器及时响应积分器输 出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好 的抗干扰能力。如输入电压Ux=Ux+Usm，则T1阶段结 束时积分器的输出为 DVM的最大干扰来自于电网50Hz工频电压（周期为 20ms），因此，只
9、要选择T1时间为20ms的整倍数，则干扰信号Usm的平均值为零。,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,4.1 电压测量的数字化方法,U-F积分式,电子测量技术,4.1 电压测量的数字化方法,4 DVM的测量误差,式中：,为读数误差，与仪器个单元的不稳定性有关,或n个字为满度误差，由量化误差和零点误差等组成，雨量程有关。,电子测量技术,例 一台4位的DVM给出的精度为：（0.01%读数+1个字），如用该DVM的05V DC的基本量程分别测量5.00V和0.1V的电压，试计算DVM测量的固有误差。解 首先，计算出“1字”对应的满度误差。在05V量程上，4位的DVM对应的满度误差“1个字”相
10、当于0.001V。当Ux=5.00V时，固有误差和相对误差分别为：Ux(0.01%5.00V0.001V)0.0015V 当Ux=0.1V时，固有误差和相对误差分别为：,4.1 电压测量的数字化方法,电子测量技术,可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小（这也是在使用DVM时应注意的）。,Ux(0.01%0.1V0.001V)0.001V,电子测量技术,4.2 直流数字电压表,7106A/D3位半数字电压表原理框图,双积分式A/D,逻辑电路,电子测量技术,AC/DC变换将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值 和有效值,4.3 多用型数字电压表,1 电流、电压、阻抗变换技术,精
11、密全波检波电路,电子测量技术,I/U变换 基于欧姆定律,4.3 多用型数字电压表,如图，假如变换后采用的电压量程为200mV，则通过量程开关选择取样电阻分别为1k、100、10、1、0.1，便可测量200A、2mA、20mA、200mA、2A的满量程电流。,电子测量技术,R/U变换同样基于欧姆定律。电阻-电压（R/U）变换原理图。,4.3 多用型数字电压表,a.实现R/U变换的简单原理 b.通过运放实现比例测量的R/U变换,电子测量技术,4.3 多用型数字电压表,电子测量技术,4.3 多用型数字电压表,数字多用表（DMM）,电子测量技术,数字多用表（DMM）的主要特点DVM的功能扩展。DMM可
12、进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半8位半。一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。,4.3 多用型数字电压表,电子测量技术,实际产品Agilent 3458A：8位半DMM。主要技术指标：Math/statistics；20 kB memory；Self-adjusting autocalibration；dc Volts；100 mV to 1000 V ranges；10 nV sensit
13、ivity 0.05 ppm transfer accuracy；ac Volts；10mV to 1000V ranges；Ohms；Analog,random and subsampled modes；0.002 ppm transfer accuracy 10 Ohms to 1 GOhm ranges；2-and 4-wire with offset compensation,4.3 多用型数字电压表,电子测量技术,4.4 频率的测量,1 时间和频率的基本概念时间有两个含义：“时刻”：“时间间隔”：频率的定义：fN/T时间与频率的关系：可以互相转换。,时间是7个基本国际单位之一，在通信
14、、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。,电子测量技术,时间、频率的测量频率量的测量:fN/T 取样时间T:在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N)，根据fx=N/T得到频率值。时间频率基准具有最高准确度（可达10-14）校准（比对）方便，可用做比较测量法许多物理量的测量都转换为时频测量,如电压的测量。数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法,4.4 频率的测量,电子测量技术,4.4 频率的测量,频率时间的标准,基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。,天文时标世界时（UT,Universal
15、Time）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(246060)=1/86400为1秒。其误差约为10-7量级。,历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1109。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。,电子测量技术,原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。hfn-m=En-Em式中，h=6.625210-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。,4.4 频
16、率的测量,原子时标（AT）,1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”。1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4-5个量级，达510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。,电子测量技术,原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。铯原子钟准确度：10-13-10-14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。铷原子钟准确度：10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。氢
17、原子钟短期稳定度高：10-14-10-15，但准确度较低（10-12）。,4.4 频率的测量,电子测量技术,电子计数器所采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响，普通晶体频率准确度为10-5。,4.4 频率的测量,2 电子计数式频率计测量原理,电子测量技术,测量原理：门控计数法上图为由“与”逻辑门作为闸门，其门控信号为1时闸门开启（允许计数），为0时闸门关闭（停止计数）。,测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间”）即为采样时间。测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。,4.4 频率的测量,电子测量技术,4.4 频率的测量,通用电
18、子计数器测频的组成框图：fx=N/Ts=Nfs,输入单元,逻辑控制,十进制计数,时标产生,电子测量技术,通用计数器包括如下几个部分输入单元：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。通过预定标器还可扩展频率测量范围。主门电路：完成计数的闸门控制作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。时标产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路：控制协调整机工作，即准备测量显示。,4.4 频率的测量
19、,电子测量技术,4.4 频率的测量,3 脉冲累计的测量,电子测量技术,原理：与前相同 方法：fA对fB分别由A、B两通道输入。fAfB,4 频率比的测量,4.4 频率的测量,电子测量技术,4.4 频率的测量,fAfB,频率比的测量原理 图：,电子测量技术,电子测量技术,注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输入。提高频率比的测量精度：扩展B通道信号的周期个数。例如：以B通道信号的10个周期作为闸门信号，则计数值为：,即计数值扩大了10倍，相应的测量精度也就提高了10倍。为得到真实结果，需将计数值N缩小10倍（小数点左移1位），即应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。,4.4 频率的
20、测量,电子测量技术,测量误差的来源：1）量化误差:2）标准频率误差:,4.4 频率的测量,5 误差分析：频率测量时的误差分析：fx=N/Ts=Nfs,电子测量技术,1)量化误差:概念：“1误差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。产生原因：由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起，是因为时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。量化误差的示意图：,4.4 频率的测量,电子测量技术,2)标准频率误差:它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。由晶体振荡器的稳定性决定。通常，要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。,4.4 频率的测量,电子测量技术,误差表达式由频率测量表达式：fx=N
21、/Ts=Nfs，式中，即为1误差，其最大值为,而 由于fs由晶振(fc)分频得到，设fs=fc/k，则于是，频率测量的误差表达式可写成：,4.4 频率的测量,电子测量技术,误差曲线,分析：误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率fx和闸门时间T的关系。fx愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，测频误差以标准频率误差为极限。,4.4 频率的测量,电子测量技术,量化误差的影响从频率测量的误差表达式：可知，量化误差为它是频率测量的主要误差（标准频率误差一般可忽略）。为减小量化误差，需增大计数值N：增大闸门时间T或在相同的闸门时间内测量较高的频率可得到较大的N。但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并
22、且计数值的增加不应超过计数器的计数容量，否则将产生溢出（高位无法显示）。例如：一个6位的计数器，最大显示为999999，当用T=10s的闸门测量fx=1MHz时,应显示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,显然溢出。,4.4 频率的测量,电子测量技术,原理：“时标计数法”周期测量。即:该式表明，“时标”的计数值N可表示周期Tx。也体现了时间间隔（周期）的比较测量原理。实现：由Tx得到闸门；在Tx内计数器对时标计数。,4.5 周期的测量,1 周期的测量,电子测量技术,周期测量原理图：,4.5 周期的测量,电子测量技术,例如：时标Ts=1us，若计数值N=10000，则显示的Tx
23、为“10000”us，或“10.000”ms。如时标Ts=10us，则计数值N=1000，显示的Tx为“10.00”ms。请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它表示了周期测量的分辨力（应等于时标Ts）。为便于显示，多档时标设定为10的幂次方.测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期Tx，Tx愈大(频率愈低)则测量时间愈长；计数值N与时标有关，时标愈小分辨力愈高。,4.5 周期的测量,电子测量技术,周期测量时的误差分析：由测周的基本表达式：根据误差合成，可得：式中，和 分别为量化误差和时标周期误差。由(Tc为晶振周期，k为倍频或分频比)，有：而计数值N为：所以，,4.5 周期的测量,电子测量
24、技术,量化误差的影响由测周的误差表达式：其中，第一项即为量化误差。它表示Tx愈大（被测信号的频率愈低），则量化误差愈小，其意义为Tx愈大则计入的时标周期数N愈大。另外，晶振的分频系数k愈小，则时标周期愈小，在相同的Tx内计数值愈大。此外，第二项为标准频率误差，通常也要求小于测量误差的一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。为减小量化误差，应增加计数值N，但也需注意不可使其溢出。例如：一个6位的计数器，最大显示为999999,当用T0=1us的时标测量Tx=10s(fx=0.1Hz)时,应显示“10000000”us或“10.000000”s,显然溢出。,4.5 周期的测量,频率的测量,电子测
25、量技术,4.5 周期的测量,电子测量技术,4.5 周期的测量,3）触发误差当进行周期等测量时，门控双稳的门控信号由通过B通道的被测信号所控制。若信号受到干扰，信号将使整形电路出现超前或滞后触发，使整形后信号的周期与实际被测信号的周期发生偏离Tn，引起所谓的触发误差。经推导，触发误差 的大小为：式中:Um信号的振幅；Un干扰或噪声的振幅。,电子测量技术,4.5 周期的测量,在频率等测量功能中，由于控制门控双稳的门控信号是由仪器内部产生，不会存在触发误差。而在周期、fAfB等测量功能中，如果进入B通道的信号含有干扰，便会存在触发误差。采用周期倍率开关进行多周期测量，可减弱此项误差。例如周期倍率取1
26、0，可使触发误差相对减弱了十倍。可得周期测量误差表达式如下:,电子测量技术,电子测量技术,由ICM 7226B组成的10MHz 通用计数器简图,电子测量技术,2 时间间隔的测量1）时间间隔的概念：指两个时刻点之间的时间段。2）两个事件的例子及测量参数还有：a.同一信号波形上两个不同点之间脉冲信号参数；b.两个信号波形上，两点之间相位差的测量；c.手动触发定时、累加计数。测量方法：采用“时标计数”方法,4.5 周期的测量,电子测量技术,4.5 周期的测量,电子测量技术,3 长时间的测量（外控时间间隔测量）,4.5 周期的测量,电子测量技术,4.6 相位的测量,脉冲计数法测相位:,电子测量技术,4
27、.6 相位的测量,脉冲计数法测相位,电子测量技术,4.6 相位的测量,4.6 相位的测量,误差分析：1）量化误差：2）标准频率误差3）触发误差：4）电平误差：,电子测量技术,关于输入通道,输入通道的作用：被测信号的形状、幅度往往是未知的，并且还可能夹带着一定的噪声，所以当被测信号进入计数门之前需要整理一番，这就是输入通道的作用。功能：电子计数器的许多技术指标，例如频率范围、输入阻抗、灵敏度、抗干扰性等都是由输入通道来决定的。,电子测量技术,关于输入通道,组成,输入通道由调整电路、放大整形电路等几部分组成。调整电路一般由阻抗变换器、衰减器、保护电路等几部分组成。,关于输入通道,输入通道中放大整形
28、电路一般采用斯密特触发器，一方面起整形作用，另一方面其滞后带宽度E可有效地抑制信号中的干扰。,电子测量技术,斯密特触发器对信号中干扰抑制示意图,电子测量技术,正确选择滞后带相对于被测信号的位置，对确保测量精确度非常重要。一般情况下，滞后带应移动在信号波形的中部；特殊情况下，应移在信号的某个确定的部位上，如图所示。为此目的，某些计数器还备有监视触发器的输出插孔，以便接到示波器上观察。,电子测量技术,正确选择滞后带相对于被测信号的位置示意图,电子测量技术,移动滞后带与信号之间的相对位置是通过改变差分放大器中一个输入端的直流电位而实现的。,电子测量技术,接线时应注意,接线时应注意，为防止外界干扰，各仪器的共公接地端应连接在一起，称共地。信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线，示波器接线使用专用电缆线，直流电源的接线用普通导线。,电子测量技术,电子测量技术,
