第 6 章 电信号基本参量的常用测量方法.ppt

第6章电信号基本参量的常用测量方法 6 1周期性信号的频率 相位的测量1 频率 周期 的数字化测量1 1计数法测频的基本原理计数法测量频率 就是在一定的时间间隔T0内 对被测信号 频率为f 周期为 进行计数 如图所示 计数器的闸门的开启与关闭受T0控制 即开启时间为T0 所以计数器的计数值N为所以 被测信号的频率为 前文已述 采用计数法测量较低的频率时 应选择较长的闸门时间 当被测信号的频率太低时 闸门时间 测量时间 将会长到测量者无法忍受的程度 例如 测量1Hz左右的信号频率 位数需达到6位 则闸门时间至少应为105s 约1个月 这显然是不可行的 因而 对于较低频率信号宜采取先测量其周期T 然后再根据的关系求得其频率 而较低频率信号的周期较长 容易获得较高的测量精度 采用计数法测量周期 就是在与被测信号的周期T相关的一定的时间间隔 通常为周期性被测信号的一个周期 内 对作为时标的脉冲 f0为时标脉冲的频率 进行计数 计数器的闸门的开启与关闭受控制 即开启时间间隔为 所以计数器的计数值N为 当时 所以 被测信号的周期为 计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成 由于其开启时间为 所以又称为 闸门时间 闸门时间通常以秒为单位 一般有10s 1s 0 1s 0 01s等几种 为了获得较多的测量位数及测量精度 所以较长的闸门时间一般用来测量较低的频率 由于计数器的位数总是有限的 因而对于较高频率 则应选用较小的闸门时间 以免使测量数据溢出 当被测信号的频率很高时 还常常先将测信号作分频处理后再进行计数测量 若分频比为m m 1 10 100 则被测信号的频率为 若被测信号的频率太高 可以利用变频 混频 电路对被测信号进行降频处理后再进行计数测量 以降低对器件速度的要求 由于数字电路工作速度的提高 目前这种方法已基本不再采用了 1 2频率 周期 计数法测量的误差1 2 1计数法的量化误差由于已知量和被测量T和T0是两个互不相关的量 且T通常不是T0的整数 N 倍 或T0通常不是T的整数倍 测频时 即T与NT0 或NT与T0 之间存在一定的误差 下面我们以频率测量为例 来分析其测量误差的大小 对于相同频率的被测信号和闸门时间 若于闸门开启时刻与被测信号脉冲的相对位置不同 计数到的脉冲的个数也不相同 a 图的情况下 计数脉冲N的个数大于实际值 而 b 图的情况下 计数脉冲N的个数将小于实际值 综上所述 计数法的最大量化误差 即计数法的最大方法量化误差为末尾正负一个字 应该指出 仅仅是方法误差 而实际的测量误差还应包含闸门时间T0的误差和闸门开 关时延不同等方面应起的误差 1 2 1噪声干扰引起的触发误差被测信号脉冲的形成通常采用施密特触发器 在不存在噪声干扰的情况下 施密特触发器可以将正弦波等较为规则的信号整型成周期与输出信号行通的矩形脉冲来作为计数脉冲或闸门控制信号 但是 如果被测信号中含有较强的噪声干扰 噪声干扰的幅度大于施密特触发器的触发窗口 且干扰脉冲落在施密特触发器的触发窗口内 将会使施密特触发器产生误触发 从而使计数器产生错误计数 消除的办 法是 尽可能加宽施密特触发器的触发窗口 正确选择触发窗口相对被测信号的电平位置 如图 b 所示 2 相位的测量相位的测量实际是指两个同频周期性信号的相位差的测量 常采用相位 电压转换测量法 图中E1和E2为频率相同相位差为的两个被测正弦信号 经限幅放大和脉冲整形后变成方波信号 经微分后通过鉴相器输出宽度与两个信号相位差有关的方脉冲 方脉冲的电平高度为 重复周期T与输入的正弦波形同 其的平均值 直流分量 为 经低通滤波后被A D转换成数字量输出 相位差与方脉冲宽度及正弦波的重复周期T间的关系为 所以 即 6 2脉冲时间间隔的测量1 测量原理脉冲时间间隔的测量原理框图如图所示 它可以分别由测量A通道 起始脉冲 和B通道 终止脉 输入的两个脉冲的时间间隔T 如果起始脉冲与终止脉冲不能分离成两个通道的信号时 可以将开关S闭合 由A B两个通道中的任一通道输入 当起始脉冲与终止脉冲的时间间隔为tx 计数器的计数值将为 所以tx NT0 图6 1 7 2 时标的选择及测量误差脉冲时间间隔的测量采用的也是计数法 我们已经知道 计数法的方法最大量化误差为末尾正负一个字 所以 为了增大计数量N 减小测量误差 在不产生计数溢出的条件下时标脉冲T0越小越好 如图所示 触发门控电路的触发脉冲都具有一定的上升和下降时间 所有的触发脉冲的上升及下降时间都不可能为零 同时门控电路也具有一定的触发电平 窗口 所以 当采用计数法测量脉冲宽度时 有时应考虑采取必要的补偿 6 3信号频谱的测量对非周期性信号 往往需要了解信号构成的频率成分 这就需要进行信号频谱的测量 或称为频谱分析 频谱分析一般可利用付里叶变换 采用数字信号处理技术来实现 时域 频域间的付里叶变换公式我们是熟知的 即 也可以写成 数字信号处理技术需要对按一定的时间间隔做数字化采样处理 转换成 采用离散付里叶变换 高速付里叶变换 方式进行处理 对于离散的采样值 令这就是离散的付里叶变换公式 利用FFT可以得到Um 即被测信号的频谱分布函数U f 连续付氏变换可写成 由可知 为了提高频率分辨率 可以通过降低采样频率 增大采样时间间隔 或加大采样点数N来实现 然而 根据奈奎斯特采用定理 为了防止频谱混叠 采样时间间隔不能过大 所以在存储器空间允许的条件下 加大采样点数N是个不错的选择 图九中的低通滤器就是为了防止频谱混叠而加入的 6 4交流信号电压的测量1 交流电压的表征1 1峰值周期性交流电信号偏离零电平的最大值称为峰值UP 或Um 典型的周期性交流电信号是正弦信号 不含直流成分的正弦信号为这种信号的正负峰值是对称的 相等 如果交流电信号的正负峰值不对称的 不相等 可以用UP UP 来分别表示信号的正负峰值 1 2平均值周期性交流电信号的平均值被定义为T为信号的周期 显然 正弦信号的平均值为零 在电子测量中 经常要测量交流信号检波 整流 后的平均值 交流信号的整流分为全波整流和半波整流两种 全波整流的平均值为 1 3有效值U或Urms如果某个交流电和一个直流电U分别加在同一个纯电阻上 当它们产生的焦耳热相等时 这个交流电的有效值等于直流电U 这个关系可以写成 1 4波形因数KF 波峰因数KP交流电压波形因数KF的定义为该电压的平均值与有效值之比 而交流电压波峰因数KP的定义为该电压的峰值与有效值之比 不同的电压波形 其KF KP亦不相同 了解到一些常见波形的KF KP可以利用信号的峰值快速计算的它们有效值及平均值 6 5电流的测量6 5 1电流 电压转化 一 取样电阻法 适合测量较大电流 取样电阻不宜太大 二 反馈电阻法 适合测量小电流 三 电流互感器法 工频交流 2 电流电压变换电路 1 电流互感器 钳形表 钳形互感式电流表 6 6电功率与电功的测量电动系直读功率表 感应系有功电度表 电子测量式功率表6 6 1电动系功率表 电动系功率表的测量机构原理示意图 静圈与动圈间的相互作用力矩Mt 与指针相连 由游丝提供恢复力矩 游丝的恢复力矩Mf 平衡时 功率 电动式仪表结构 特点 交直流两用 有功功率 电动系流比计 转动力矩 抵抗力矩 通常设计使K1 K2 由图知 所以 平衡时 6 6 2功率因数 两