第4章数字化电测仪表

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第4章数字化电测仪表4.1

概述4.2

频率/周期的数字化测量4.3

相位的数字化测量4.4

电压的数字化测量4.4

电阻、电容的数字化测量4.6电功率的数字化测量back2

第4章数字化电测仪表数字量是信号幅度随时间做离散型变化的物理量。将被测对象离散化和数据处理后以数字形式显示的仪表称为数字（显示）仪表。通过测量装置（电路）把电测结果以数字形式显示、记录和控制的仪表称为数字式电测仪表。基于计算机技术（单片机技术）将被测对象离散化和数据处理后以数字形式显示、打印、存储和通信的仪表称为智能（数字（显示））仪表，具有程序控制、误差自校正、数据处理等功能。电子测量仪器正向量程扩大化，集成化、模块化、智能化、虚拟化、网络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。而这些发展趋势的核心是数字化。无论高档还是低档仪器，数字化越来越普及。4.1概述3

第4章数字化电测仪表4.1.1数字式仪表结构模拟量数字量4

第4章数字化电测仪表准确度高——数字电压表测量直流电压的准确度可达

10-6数量级

输入阻抗高——数字电压表基本量程的输入阻抗高达1000M以上灵敏度高——现代的积分式数字电压表的分辨率可达到1V以下直接读数——

结果以数字形式直接给出，读数准确测量速度快——

数字电压表的测量速度高达每秒上万次测量过程自动化操作简单4.1.2数字式仪表的特点结构复杂

不直观，不便于观察动态过程

价格较高

需要有较高水平的技术人员维修5例如：某数字万用表的最大显示是1999某数字万用表为位首位数1

1999进位后能达到的整数位值能显示完全10进制（0-9）的位数

第4章数字化电测仪表4.1.2数字式仪表的特点6

第4章数字化电测仪表4.1.3数字式仪表的分类back按显示位数分3、4、4、6、7位等按准确度分低（±0.1％以下）、中（±0.01％以下）、高（±0.01％以上）按测量速度分低速、中速、高速按使用场合分标准型、通用型、面板型按测量参数分直流电压表、交流电压表、功率表、频率表、相位表、万用表等74.2.1时间/频率的基本概念4.2.2电子计数器原理4.2.3频率和频率比测量4.2.4周期和时间间隔测量4.2.5*多周期同步测量技术back4.2频率/周期的数字化测量

第4章数字化电测仪表8back4.2.1时间/频率的基本概念

第4章数字化电测仪表1）时间和频率的概念◆时间有两个含义：“时刻”：即某个事件何时发生；“时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。◆频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法。92）时间和频率的标准back

第4章数字化电测仪表时间与频率的原始标准

a）天文时标

b）原子时标石英晶体振荡器

4.2.1时间/频率的基本概念10back

第4章数字化电测仪表石英晶体振荡器

普通电子系统内部时间、频率基准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（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-4。

采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。

4.2.1时间/频率的基本概念113）时频测量的特点◆最常见和最重要的测量

◆测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度(可达10-14），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。◆自动化程度高◆测量速度快back

第4章数字化电测仪表4.2.1时间/频率的基本概念124）测量方法概述◆频率的测量方法可以分为：back

第4章数字化电测仪表差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法4.2.1时间/频率的基本概念13

第4章数字化电测仪表4.2.2电子计数器原理1.工作原理计数电路的计数值为：门控计数法功能框图已知和两者中任一个，通过计数器可测量另一个。但前提是：即门控信号频率远小于计数信号频率。14电子计数器原理框图基本组成：输入通道主门电路计数与显示电路时间基准电路控制电路

第4章数字化电测仪表4.2.2电子计数器原理15

第4章数字化电测仪表4.2.2电子计数器原理倍频分频16

第4章数字化电测仪表1）输入通道◆作用：主要由放大/衰减、滤波、整形、触发等单元电路构成。其作用是对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。

◆斯密特触发电路：利用斯密特触发器的回差特性，对输入信号具有较好的抗干扰作用。4.2.2电子计数器原理17

第4章数字化电测仪表2）主门电路◆功能：主门也称为闸门，通过“门控信号”控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数。◆电路：由“与门”或“或门”构成。其原理如下图：◆由“与门”构成的主门，其“门控信号”为‘1’时，允许计数脉冲通过；由“或门”构成的主门，其“门控信号”为‘0’时，允许计数脉冲通过。◆“门控信号”还可手动操作得到，如实现手动累加计数。4.2.2电子计数器原理18

第4章数字化电测仪表3）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。4.2.2电子计数器原理19

第4章数字化电测仪表4）时基产生电路◆功能：产生测频时的“门控信号”（多档闸门时间可选）及时间测量时的“时标”信号（多档可选）。◆实现：由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。

4.2.2电子计数器原理20

第4章数字化电测仪表4）控制电路◆功能：产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，使整机按“复零－测量－显示”的工作程序完成自动测量的任务。如下图所示：准备期（复零，等待）

测量期（开门，计数）

显示期（关门，停止计数）4.2.2电子计数器原理21

第4章数字化电测仪表5）电子计数器性能4.2.2电子计数器原理（1）测量范围：毫赫~几十GHz。（2）准确度：可达10-9以上。（3）晶振频率及稳定度：一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。（4）输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可调）、灵敏度（10~100mV）、输入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）闸门时间(测频)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）时标(测周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）显示：包括显示位数及显示方式等。22back

第4章数字化电测仪表4.2.3频率和频率比测量TB放大整形闸门门控电路计数显示Afx分频电路1）频率测量23测量频率的误差由两部分组成：back

第4章数字化电测仪表4.2.3频率和频率比测量-量化误差标准时基误差晶体振荡器的频率误差所引起，与晶振的稳定性密切相关。24back在测量频率时，主闸门开启的时刻相对于被测信号是随机的，两者之间没有同步关系。因此，在相同的主闸门开启时间内，计数器所计数的脉冲个数可能不一样。量化误差:计数器所固有的原理性误差Nx=10 Nx=9

第4章数字化电测仪表4.2.3频率和频率比测量-量化误差25电子计数器在测量低频信号的频率时改为测量该信号的周期，然后由周期计算频率。

第4章数字化电测仪表计数器计得的数越大，量化误差就越小。4.2.3频率和频率比测量26◆原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：fx对fd的频率比。 据此，若要测量fA对fB的频率比（假设fA>fB），只要用fB的周期TB作为闸门，在TB时间内对fA作周期计数即可。◆方法：fA对fB分别由A、B两通道输入，如下图。

第4章数字化电测仪表4.2.3频率和频率比测量2）频率比测量27◆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。◆应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。back

第4章数字化电测仪表4.2.3频率和频率比测量28

第4章数字化电测仪表back当被测信号频率较低时，用计数器测量频率的误差大。采用测量周期的方法来增加读数的位数，降低测量误差。4.2.4周期和时间间隔测量1）周期测量29

第4章数字化电测仪表当被测周期较小时，为了增加读数位数，提高测量的准确度，可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样也可以扩展测量周期的量限。*小周期的测量4.2.4周期和时间间隔测量30

第4章数字化电测仪表back测量周期的误差

计数Nx越大，相对误差越小。为此，尽量减小填充脉冲的周期，即增大计数脉冲的频率。另外，可以将被测周期通过分频器展宽，用拉长Tx的办法把Nx增加10至104倍。若用K表示展宽的倍数，则4.2.4周期和时间间隔测量晶体的时基误差31欲测量两个脉冲间的时间间隔，将起始信号和终止信号分别由B、C通道输入，时标由机内提供。

第4章数字化电测仪表4.2.4周期和时间间隔测量2）时间间隔测量在测量频率时，当被测信号频率很低时，由±1误差而引起的测量误差将大到不能允许的程度，例如，fx＝1Hz，闸门时间为1s时，由±1误差而引起测量误差高达100%。因此，为提高低频测量精度，通常将电子计数器的功能转为测周期，然后再利用频率与周期互为倒数的关系来换算其频率值。但在测量周期时，当被测周期很小时，也会产生同样的问题并且存在同样的解决办法。即在被测信号的周期很小时，宜先测频率，再换算出周期。*4.2.5多周期同步测量技术

第4章数字化电测仪表但是，还存在两个问题：①、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；②、在中界频率附近，仍不能达到较高的测量精度。若采用多周期同步测量方法，便可解决上述问题。测频误差及测周误差与被测信号频率的关系如图示，图中测频和测周两条误差曲线交点所对应的频率称中界频率fxm。很显然，当被测信号频率fx＞fxm时，宜采用测频的方法，当被测信号的频率fx＜fxm时，宜采用测周的方法。多周期同步测量原理事件计数器时间计数器4.2.5多周期同步测量技术

第4章数字化电测仪表由于D触发器的同步作用，待测信号计数器Ⅰ所记录的NA值（无论多小）已不存在±1误差的影响。由于时钟信号与闸门的开和关无确定关系，计数器Ⅱ所记录的NB的值仍存在±1误差的影响。但是，由于时钟频率f0很高使得NB很大，±1误差的影响很小，且在全频段的测量精度是均衡的,测量精度已与被测信号的频率无关。设闸门时间为1s，取时钟频率f0＝10MHz，则由±1误差而引起的相对误差恒定为10－7。若要进一