1、1,第七章 電氣參數的測量,電氣測量技術,2,7.1 頻率、周期和時間間隔的測量,第七章：電氣參數的測量,3,頻率、周期和時間間隔的含義,頻率：單位時間內被測信號重復出現的次數,或者是單位時間內振蕩的次數。 表達式：f=N/t f 被測信號的頻率 N 電振動次數或脈沖個數 t 產生N次電振動或N個脈沖所需的時間 周期：電信號一個循環(huán)所需要的時間. 表達式：T=1/f 時間間隔：任意兩個時刻間的間隔,4,頻率的計數法測量原理,輸入通道：由放大電路和整形電路組成，整形為方波信號 時間基準電路：由石英晶體振蕩器、整形和分頻電路組成。 控制電路：使主閘門在所選擇的基準時間內打開 計數和顯示電路。,5,

2、計數法測量頻率的誤差分析,誤差包括了計數器的量化誤差和主閘門開啟時間的相對誤差。 前者取決于主閘門開啟時間的長短。開啟時間越長，相對誤差越小。 后者取決于晶體振蕩器的準確度和頻率穩(wěn)定性。,極限情況下最大相對誤差為：,主閘門開啟時間的相對誤差,計數器的量化誤差, 最大為1個字.,閘門時間為,相對誤差,分頻數,晶振標準頻率,晶振的穩(wěn)定度,選擇合適的石英晶體和振蕩電路。 為了獲得高穩(wěn)定度，常將晶振放置在恒溫槽中，溫度選為0溫度系數溫度,+觸發(fā)誤差,6,周期的計數法測量,當被測信號頻率較低時，采用測量周期的方法。 當被測信號頻率較高時，采用測量頻率的方法。 被測信號由B通道輸入，經放大整形后為方波，配

3、合時基選擇開關，產生合適的時基信號觸發(fā)門控雙穩(wěn)信號，控制打開主閘門的時間。 石英晶振經整形、倍頻或分頻后產生標準時鐘脈沖，稱為時標信號。 在主閘門開啟時間內對時標信號進行計數,計數器的讀數,時標信號的周期,周期倍乘系數,7,計數法測量周期的誤差分析,誤差包括了量化誤差、晶振穩(wěn)定度和觸發(fā)誤差。 若周期倍乘開關選擇在1位，n=1,計數器的量化誤差, 最大為1個字.,晶體振蕩器的穩(wěn)定度G,量化誤差取決于計數值大小。對同樣被測周期，時標信號周期0愈小，周期倍乘選擇愈大，則量化誤差愈小。,將被測周期T加以倍乘擴展后,最大相對誤差為,觸發(fā)誤差：取決于轉換電路的觸發(fā)點穩(wěn)定性。 正弦波轉為方波時.由于觸發(fā)靈敏

4、度漂移,或疊加的噪聲引起的誤差 轉換電路應選用觸發(fā)點穩(wěn)定,信噪比高的電路. 整形電路采用施密特電路，同時采用周期倍乘擴展，可在一定程度上克服,8,直接測頻和直接測周期之間中介頻率的確定,為了獲得較高的測量精度 如果被測頻率較高，則采用直接測量頻率法； 如果被測頻率較低時，應采用直接測量周期法。 中介頻率f0 ：對于同一信號用直接測量頻率和直接測量周期的誤差相等時，所對應的輸入頻率。,n測周期時的周期倍乘系數 0測周期的時標信號周期 t測頻率時主閘門開啟的時間,9,時間間隔的計數測量,與周期的測量類似 主閘門開啟時間為兩個信號上升沿的時間差,10,7.2 相位的測量,第七章：電氣參數的測量,11

5、,相位-頻率轉換器原理（1）,相位的數字化測量類似于用頻率計測量時間的原理 兩正弦波信號經放大整形，得方波脈沖序列 經鑒相器，得寬度與兩信號相位差呈線性關系的脈沖波 計數得相位差大小,被測量信號周期,相位差時間,時標脈沖序列,T0 時標脈沖的周期 Nx 在Tx時間內計數值 T 被測信號的周期,12,相位-頻率轉換器原理（2）,由于周期T未知，須分兩次測量，并經計算得到x 測量精度直接受時標信號頻率的影響。例如,考慮T=NT*T0,在Tx時間內計數值,在整個周期內計數值,精度要求0.1，則要求,即當被測信號頻率增大時，時標信號頻率相應增大到3600倍,另有觸發(fā)誤差：輸入正弦波經過整形變?yōu)榉讲ㄐ盘?/p>

6、時，門限電平的漂移或干擾給測量帶來的誤差。,13,相位測量的誤差（1）,用異或門鑒相克服門限電平平移所帶來的誤差 假設通道A為理想狀態(tài)，通道B的門限電平發(fā)生漂移。 鑒相電路采用異或門。 C1為正常異或門輸出 C2為門限電平產生漂移后異或門輸出波形 兩者波形不同，但總面積相等，總的計數脈沖不變 克服了門限電平漂移所帶來的誤差。,整形器門限電平漂移對測量的影響,14,相位測量的誤差（2）,用平均法減小噪聲誤差 噪聲干擾使Tx的前沿和后延時間均可能產生隨機的擺動，增大誤差。 如圖中1、2間和3、4間 噪聲是隨機的，采用平均測量法可以減弱噪聲的影響 設重復采樣n次，總的讀數N為：,15,7.3 電壓、

7、功率和電能的測量,第七章：電氣參數的測量,16,作業(yè),信號由三個正弦組成，f1=3Hz，f2=4Hz，f3=5Hz。用離散傅里葉變換（DFT）分析相關信號 請確定DFT參數。,17,交流電壓的測量,從測量的角度，根據電壓數值分為高、中、低三個范圍 對高電壓需要降壓 對于低電壓、微電壓需要放大 交流電壓測量可分為：平均值測量、有效值測量、峰值測量 測量方案 通過交直流變換，將交流電壓轉換成直流電壓測量 根據定義，用數字化測量技術進行,18,用線性檢波器測量交流電壓的平均值,交流電壓平均值的表示：,線性檢波器：也稱平均值檢波器 用運算放大器的負反饋特性克服檢波的非線性。精度高、線性度好、頻率范圍寬

8、和動態(tài)過程短。,全波,半波,輸入ui0時，運放輸出uo,0時運算放大器開環(huán)使用,19,用線性檢波器測量交流電壓平均值的誤差分析,主要包含：非線性誤差、頻率附加誤差、電壓失真度誤差。 非線性誤差：由于實際運放并非完全理想，導致運放輸入極間電壓u不可能真正為零，所引起的誤差。 輸入阻抗Ri和開環(huán)放大倍數Ad不是無窮大 輸出電阻也不是零 頻率附加誤差：集成運放隨著工作頻率增高，開環(huán)放大倍數下降，從而產生的誤差。 電壓失真度誤差：當交流電壓失真度較大時，在平均值到有效值換算過程中產生的誤差。 實際應用中，常需要測量交流電壓的有效值。 對純正弦波只需要測量平均值，乘以波形系數可換算成有效值。 全波檢波器

9、，波形系數為1.11；半波檢波器，波形系數為2.22,期望的線性檢波,非線性誤差,20,交流電壓峰值的測量（1）,峰值檢波器：將信號峰值保持一段時間，再進行測量的電路。 當輸入信號的波峰系數一定時，可用來測量其有效值 又稱峰值保持器。 波峰系數：波峰與有效值之比 對于純正交流電壓，km=1.4142,21,交流電壓峰值的測量（2）,最基本的峰值檢波器 由一個二極管和一個保持電容組成 分為串聯和并聯兩種形式,過程： t=0，ui正向時，經二極管向保持電容C充電 當ui上升到最大值時，使輸出uo保持峰值不變。,要求： 放電回路=RC 被測信號的最大周期Tmax 充電回路d=RdC 被測信號的最小周

10、期Tmin,正峰值基本檢波器,問題：二極管存在非線性和管壓降,22,交流電壓峰值的測量（3）,使用運算放大器的峰值檢波器 將二極管接入運放的深度負反饋回路 校正二極管的非線性，減小管壓降的影響 反饋保持電容端電壓而非運放輸出端電壓,正峰值檢波器,同相型多重反饋峰值檢波電路,ui0，D2截止，D1導通，A1給C充電 Rf為深度負反饋，減小D1非線性。 R2、R1、C組成滯后環(huán)節(jié)，增加穩(wěn)定度,23,交流電壓有效值測量,對于非正弦電路，有效值與平均值和峰值無確定關系 交流電壓有效值： 檢波器的構成： A1、A2為差分放大器，A3為倒相器，A4為積分器，M為乘法器。,有效值檢波器原理圖,u0ui，積分

11、后使U0減小 U0ui，積分后使U0增大 由于系統(tǒng)的負反饋，最終使U0=Ui（ui的有效值） 二極管D防止正反饋,24,時間分割乘法器式的功率-電壓轉換器（1）,功率的數字表達：p(t)=u(t)i(t) 時間分割乘法器式的功率測量過程 將u(t)和i(t)輸入到乘法器中，得到與功率p成正比的模擬電壓 將該電壓經V/F轉換變?yōu)轭l率量輸入計數器計數，并確定計數時間t 計數值反映了在t時間內的平均功率 如果t足夠短，也可近似反映瞬時功率,25,時間分割乘法器式的功率-電壓轉換器（2）,時間分割乘法器 由節(jié)拍方波E0，參考電壓UR，積分器A、比較器等組成 對輸入電壓Ux進行脈沖寬度調制，即將節(jié)拍方波E0提供的周期T分割為T1和T2 時間差T1-T2正比于Ux Ux：輸入電壓 Ix：輸入電流 Uy=IxRy為與電流成比例的轉換電壓,26,時間分割乘法器式的功率-電壓轉換器（3）,時間分割乘法器式數字功率表達： 由電壓互感器、電流互感器、標準電阻、時間分割式乘法器、量程轉換器、功率顯示器等五部分組成 數字式功率表的主要誤差 電壓互感器的比差1和相角差1 電流互感器的比差3和相角差4