天大测控电路讲义 第八章

测控电路第八章电量测量电路第一节频率测量

第二节相位测量第三节脉冲参数测量返回上一页下一页被测量可以分为电量和非电量：（非电量）电量（电压或电流）直接或经过调理后由电压或电流表测量大多数数字电压或电流表通常将电压或电流转换为频率（或时间）测量本章包括频率、相位和脉冲参数的测量频率是周期性发生事件在单位时间内重复的次数；频率和时间测量属于同一测量范畴。常见方法有：计数器法、示波器法测量原理：在高精度测量中，常见的是以高稳定度的频率源为标尺，通过以计数器原理为核心的测量系统去测量被测频率；在低频段常用测量信号周期的方法来测定信号的频率。第一节频率测量8.1.1计数器法一种将未知频率或时间间隔与已知频率或时间间隔进行比较，从而实现对位置频率进行测量的一种电子测量系统。被测频率=计数结果/主闸门开启时间；单位时间内通过主闸门的脉冲个数（即被测信号频率）：计数器测量频率的标尺，为计数器提供已知的频率或时间间隔根据时基发生器输出的控制信号，控制由输入信号形成的计数脉冲序列进入计数器组件一般为十进制计数器，用来对被测脉冲进行累加计数并显示计数器及其电路晶体振荡器电路：十进制分频器

作用：将晶体振荡器输出频率进行多级除以10的计算，通过闸门时间控制开关，选择其中某级分频输出，作为闸门控制电路的输入信号。

分频器根据闸门时间设置将输出信号频率减小为原来的10-n，n为10进制除法器的计数。例如晶振输出频率为5MHz，分频器共有7级，由闸门时间设置将分频器设为第3级，则时基发生器的输出频率为5M×10-3=5kHz，闸门开启时间为0.2ms.计数器测量频率的误差误差来源：量化误差（计数误差）和标准频率误差1.量化误差：门控信号与输入信号不同步导致计数器产生±1个计数误差。被测频率为：

——被测频率（Hz）； ——计数结果；

——闸门开启的时间； ——内部晶振输出频率； ——分频器分频系数。由计数误差所导致的频率测量误差为：为了减小测量误差，需要增大闸门时间，目前大多数计数器的最大闸门时间为10s，通常设为1s。在高频信号测量中量化误差相对影响较小，在低频情况下，一般通过适当选择测量信号周期，以减小量化误差影响。主闸门开启时间T0越大，计数N就越多，相对误差就越小。计数器测量频率的误差误差来源：量化误差（计数误差）和标准频率误差2.标准频率误差：由时基电路引起的时基误差。通常要求时基误差比量化误差小一个数量级，所以在误差分析中不用考虑时基误差。8.1.2示波器法分为直接测量和频率对比两类方法。直接测量：利用示波器显示被测信号波形，读出信号周期，从而获取其频率。测量精度较低。频率对比法：将被测信号与一频率与其接近的标准信号频率进行对比，用示波器测量其差频。1、直接测量法6个周期为7.93cm，时基信号为0.1ms/cm，则信号频率为：2、频率对比法在示波器的水平和垂直输入端分别施加正弦信号，两信号频率相同，有一固定相位差，即

——基准信号

——被测信号荧光屏上利萨如曲线为一椭圆，即若A为椭圆的垂直截距，B为垂直最大值，则有当两信号存在微小频差时，椭圆形状将发生周期性变化，变化周期数等于两信号频差的倒数，频率比对法利用了这一特性。设两信号频差，重复变化n次所用时间为T，则有为了提高测量精度，可以先将被测信号与一频率和它接近的基准振荡器频率相比，将它们的差频倍增后，在进行比对。8.1.3低频信号周期和频率的测量低频信号频率测量时，将图8-1中的被测量信号与晶体振荡器交换位置，且去掉分频器，为什么？【当被测量信号频率较低时，则在主闸门开启的时间里，无脉冲或较少脉冲进入计数器，使之无法测量、误差较大。】用被测量信号控制主闸门S的开关，而晶体振荡器输出的高频信号经过主闸门S进入计数器进行计数。这时直接测量的是周期信号，频率可通过换算得到。第二节相位测量相位测量通常指两个同频率信号相位差的测量。能同时进行线性系统幅频特性和相频特性测量的仪器称为矢量网络分析仪。相位测量通常有补偿测量法、直读法、示波器法等。8.2.1直读法一、直读法原理：将被测相位转变成电压或电流，通过测量电压或电流实现测量相位的目的

1.相敏检波法相加式相敏检波电路用于调幅信号解调时，要求参考信号uc的幅值Ucm远大于调幅信号us的幅值Usm，使开关器件的通断完全由参考信号决定；而在用于相位测量时，作用在两个二极管VD1和VD2的电压分别为U1=Uc+Us和U1=Uc-UscausT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏检波电路当Ucm=Usm时，讨论，输出电压K是半波（或全波）整流器的整流系数2、脉冲变换法原理：要求被测信号幅度大于某一量值，然后将正弦信号变换为脉冲信号，通过测量两脉冲信号的相位实现相位测量。与上述方法不同的是指示器读数与信号幅值无关。u1u2经放大整形成两个矩形波电压b1b2，b1b2相加后送入均值电压表检波器，检波电流的均值正比于合成电压宽度，正比于均值电压表读数与被测信号相位差。二、计数器法原理：设两个频率为f的正弦信号的相位差为φ，当u1正渡越零电平时，经通道1放大、整形，输出正脉冲u1′，使作为门控电路的双稳触发器翻转，打开计数器闸门，标准脉冲信号发生器输出的频率为f0的脉冲通过闸门进入计数器开始计数，当u2正渡越零时，计数停止。计数结果N与闸门打开时间的关系为：

与被测信号周期T及、之间的相位差的关系为两信号相位差与计数结果N成正比，缺点是测量结果和被测信号频率有关。另外，计数器也可以测量频率信号，所以可以利用两次测量完成相位差测量。将通道或加到输入端。当或第一次由负到正跨越零电平时，计数器开始计数；当或第二次负到正跨越零电平时，计数器停止计数。则计数结果。所以

为了直接以度数显示被测相位，设标准脉冲信号的频率等于被测信号频率的3.6×10n倍。例如某数字相位计中脉冲信号发生器的频率，则被测信号相位差为三、比较法原理：在u1、u2中一路信号通道上加移相器，通过调节移相器改变此路信号的相位，使两路信号相位达到平衡，并用相位平衡指示器指示出来，相位平衡指示器可以采用前面介绍的鉴别相位的各种原理。移相器施加的相位增量即为两路信号的相位差。第三节脉冲参数的测量8.3.1脉冲参数的定义脉冲幅度A脉冲上升时间tr脉冲下降时间tf脉冲的预冲Sd脉冲的上冲Sb脉冲的下冲Sf衰减振荡幅度Sc脉冲宽度τ衰减振荡幅度c脉冲周期T脉冲占空比τ/T脉冲顶部倾斜e脉冲顶部不平坦度Aw根据参数可以确定脉冲波形的特性。当脉冲顶部严重失真时，无法确定脉冲幅度，可采用密度分布统计平均法和密度分布众数法来定义。密度分布统计平均法：以测定脉冲波形瞬时幅值出现的概率分布平均数为依据，按统计平均法求出幅值（顶值）。密度分布众数法：以测定脉冲波形瞬时顶值出现的概率分布众数（概率最大）为基础，即Mt=概率最大的幅值众数。8.3.2脉冲参数测量的方法脉冲参数测量包括脉冲幅值、脉冲宽度、上升时间、下降时间、占空比以及重复频率等参数的测量。8.3.2.1脉冲幅值测量1.峰值检波法测量脉冲幅值：利用峰值保持电路的基本特性，在输入信号未达到最大值时输出信号跟踪输入信号大小；当输入信号从最大值下降时，输出信号保持在最大值出，直到输入信号幅值大于先前所保持的峰值，输出才继续跟踪输入，直到新的峰值。同向型峰值比较器对Ui的正峰值进行保持（比较器+跟随器）N1∞UiUoUCR1VDSCN2∞反向型峰值保持电路，对输入信号的负峰值进行保持（反相加法电路+跟随器）VD2导通，电路处于跟随状态VD2截止，电路处于保持状态2.脉冲保持电路测量脉冲电压作用：将被测脉冲的峰值加以保持、展宽，提高测量精度。8.3.2.2脉冲宽度的测量脉冲宽度：离顶值50%处两点的时间间隔测量实质：时间间隔的测量（1）示波器法：最简单、最容易，由于视觉误差，精度低。