第6章电信号基本参量的常用测量方法(2)PPT讲稿.ppt

第6章电信号基本参量的常用测量方法(2)第1页，共26页，编辑于2022年，星期一第2页，共26页，编辑于2022年，星期一 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。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，测量例如，测量1Hz左右的信号频率，位数需达到左右的信号频率，位数需达到6位，则闸门时间至少应为位，则闸门时间至少应为105s（约（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其周期T，然后再根据，然后再根据 的关系求得其频率，而的关系求得其频率，而较低频率信号的周期较长，容易获得较较低频率信号的周期较长，容易获得较高的测量精度。高的测量精度。采采用用计计数数法法测测量量周周期期，就就是是在在与与被被测测信信号号的的周周期期T相相关关的的一一定定的的时时间间 间间隔隔(通通常常为为周周期期性性被被测测信信号号的的一一个个周周期期)内内，对对作作为为时时标标的的脉脉冲冲 (f 0为为时标脉冲的时标脉冲的频率频率)，进行计数。计数器的闸门的开启与关闭受进行计数。计数器的闸门的开启与关闭受 控制，控制，即即开启时间间隔为开启时间间隔为 ，所以计数器的计数值，所以计数器的计数值N为为 ，当，当 时时，所以，被测信号，所以，被测信号的周期为的周期为第3页，共26页，编辑于2022年，星期一 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，所以 又称为又称为“闸门时间闸门时间”。闸门时间通常以秒为单位，一般有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。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。测量。若分频比为若分频比为m（m =1=1、1010、100100、），则），则被测信号的频率为被测信号的频率为 若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。字电路工作速度的提高，目前这种方法已基本不再采用了。第4页，共26页，编辑于2022年，星期一 12 频率（周期）计数法测量的误差频率（周期）计数法测量的误差 121 计数法的量化误差计数法的量化误差 由由于于已已知知量量和和被被测测量量T和和T0是是两两个个互互不不相相关关的的量量，且且T通通常常不不是是T0的的整整数数（N）倍倍（或或T0通通常常不不是是T的的整整数数倍倍，测测频频时时。），即即T与与N T0（或或N T与与T0）之之间间存存在在一一定定的的误误差差，下下面面我我们们以以频频率率测测量量为为例例，来来分分析析其其测测量量误误差的大小。差的大小。对于相同频率的被测信号和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，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。计数到的脉冲的个数也不相同。(a)图的情况下，计数脉冲图的情况下，计数脉冲N 的的个数大于实际值，而个数大于实际值，而(b)图的情图的情况下，计数脉冲况下，计数脉冲N 的个数将的个数将小于实际值。综上所述，小于实际值。综上所述，计数计数法的最大量化误法的最大量化误差差 。即计数法的最大方法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。为末尾正负一个字。第5页，共26页，编辑于2022年，星期一 应应该该指指出出，仅仅仅仅是是方方法法误误差差，而而实实际际的的测测量量误误差差还还应应包包含含闸门时间闸门时间 T0 的误差和闸门开、关时延不同等方面应起的误差。的误差和闸门开、关时延不同等方面应起的误差。121 噪声干扰引起的触发误差噪声干扰引起的触发误差 被被测测信信号号脉脉冲冲的的形形成成通通常常采采用用施施密密特特触触发发器器。在在不不存存在在噪噪声声干干扰扰的的情情况况下下，施施密密特特触触发发器器可可以以将将正正弦弦波波等等较较为为规规则则的的信信号号整整型型成成周周期期与与输输出出信信号号行行通通的的矩矩形形脉脉冲冲来来作作为为计计数数脉脉冲冲或或闸闸门门控控制制信信号号。但但是是，如如果果被被测测信信号号中中含含有有较较强强的的噪噪声声干干扰扰（噪噪声声干干扰扰的的幅幅度度大大于于施施密密特特触触发发器器的的触触发发窗窗口口），且且干干扰扰脉脉冲冲落落在在施施密密特特触触发发器器的的触触发发窗窗口口内内，将将会会使使施施密密特特触触发发器器产产生生误误触触发发，从从而而使使计计数数器器产产生错误计数。消除的办生错误计数。消除的办法是：尽可能加法是：尽可能加宽施密特触发器宽施密特触发器的触发窗口；正的触发窗口；正确选择触发窗口确选择触发窗口相对被测信号的相对被测信号的电平位置，如图电平位置，如图(b)所示所示。第6页，共26页，编辑于2022年，星期一 2相位的测量相位的测量 相相位位的的测测量量实实际际是是指指两两个个同同频频周周期期性性信信号号的的相相位位差差的的测测量量，常常采采用用相相位位电压转换测量法电压转换测量法。图图中中E1和和E2为为频频率率相相同同相相位位差差为为 的的两两个个被被测测正正弦弦信信号号，经经限限幅幅放放大大和和脉脉冲整形后变成方波信号，经微分后通过鉴相器输出宽度冲整形后变成方波信号，经微分后通过鉴相器输出宽度 与与两两个个信信号号相相位位差差 有有关关的的方方脉脉冲冲，方方脉脉冲冲的的电电平平高高度度为为 ，重重复周期复周期T与输入的正弦波形同，其的平均值与输入的正弦波形同，其的平均值 （直流分量）为（直流分量）为经经低低通通滤滤波波后后被被A/D转转换换成成数字量输出。数字量输出。相相位位差差 与与方方脉脉冲冲宽宽度度 及及正正弦弦波波的的重重复复周周期期T间间的的关关系为系为所以，所以，。即。即NxN高频脉冲高频脉冲第7页，共26页，编辑于2022年，星期一 6.2 脉冲时间间隔的测量脉冲时间间隔的测量 1测量原理测量原理 脉脉冲冲时时间间间间隔隔的的测测量量原原理理框框图图如如图图所所示示。它它可可以以分分别别由由测测量量A通通道道(起起始始脉脉冲冲)和和B通通道道(终终止止脉脉)输输入入的的两两个个脉脉冲冲的的时时间间间间隔隔T。如如果果起起始始脉脉冲冲与与终终止止脉脉冲冲不不能能分分离离成成两两个个通通道道的的信信号号时时，可可以以将将开开关关S闭闭合合，由由A、B两两个个通通道道中中的的任任一一通通道道输输入入。当当起起始始脉脉冲冲与与终终止止脉脉冲冲的的时时间间间间隔隔为为tx，计数器的计数值将为，计数器的计数值将为所以所以 tx=NT0。图图6-1-76-1-7第8页，共26页，编辑于2022年，星期一 2时标的选择及测量误差时标的选择及测量误差 脉脉冲冲时时间间间间隔隔的的测测量量采采用用的的也也是是计计数数法法。我我们们已已经经知知道道，计计数数法法的的方方法法最最大大量量化化误误差差为为末末尾尾正正负负一一个个字字。所所以以，为为了了增增大大计计数数量量N，减减小测量误差，小测量误差，在不产生计数溢出的条件下时标脉冲在不产生计数溢出的条件下时标脉冲 T0 越小越好。越小越好。如图所示，触发门控如图所示，触发门控电路的触发脉冲都具有一电路的触发脉冲都具有一定的上升和下降时间（所定的上升和下降时间（所有的触发脉冲的上升及下有的触发脉冲的上升及下降时间都不可能为零），降时间都不可能为零），同时门控电路也具有一定同时门控电路也具有一定的触发电平（窗口），所的触发电平（窗口），所以，当采用计数法测量脉以，当采用计数法测量脉冲宽度时，有时应考虑采冲宽度时，有时应考虑采取必要的补偿。取必要的补偿。第9页，共26页，编辑于2022年，星期一 6.3 信号频谱的测量信号频谱的测量 对对非非周周期期性性信信号号，往往往往需需要要了了解解信信号号构构成成的的频频率率成成分分，这这就就需需要要进进行行信信号号频频谱谱的的测测量量（或或称称为为频频谱谱分分析析）。频频谱谱分分析析一一般般可可利利用用付付里里叶叶变变换换，采采用用数数字字信信号号处处理理技技术术来来实实现现。时时域域频频域域间间的的付付里里叶叶变变换换公公式式我我们们是是熟知的，即熟知的，即 ，也可以写成，也可以写成 数数字字信信号号处处理理技技术术需需要要对对 按按一一定定的的时时间间间间隔隔 做做数数字字化化采采样样处处理理，转转换换成成 ，采采用用离离散散付付里叶变换（高速付里叶变换）方式进行处理。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，对于离散的采样值，、,令令这就是离散的付里叶变换公式。利用这就是离散的付里叶变换公式。利用FFT可以得到可以得到Um，即被测信号的频谱分，即被测信号的频谱分布函数布函数U(f)。连续付氏变换可写成连续付氏变换可写成第10页，共26页，编辑于2022年，星期一 由由 可知，为了提高频率分辨率可知，为了提高频率分辨率 ，可以通过降，可以通过降低采样频率（增大采样时间间隔低采样频率（增大采样时间间隔 ）或加大采样点数）或加大采样点数N来实现。然而，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 不能不能过大，所以在存储器空间允许的条件下，加大采样点数过大，所以在存储器空间允许的条件下，加大采样点数 N 是个不错的是个不错的选择。选择。图九中的低通滤器就是为了防止频谱混叠而加入的。图九中的低通滤器就是为了防止频谱混叠而加入的。第11页，共26页，编辑于2022年，星期一 6.4 交流信号电压的测量交流信号电压的测量 1交流电压的表征交流电压的表征 11 峰值峰值 周周期期性性交交流流电电信信号号 偏偏离离零零电电平平的的最最大大值值称称为为峰峰值值UP（或或Um）。典型的周期性交流电信号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是正弦信号，不含直流成分的正弦信号为 这这种种信信号号的的正正负负峰峰值值是是对对称称的的（相相等等）。如如果果交交流流电电信信号号的的正正负负峰峰值值不对称的（不相等），可以用不对称的（不相等），可以用UP+、UP-来分别表示信号的正负峰值。来分别表示信号的正负峰值。12平均值平均值 周期性交流电信号周期性交流电信号 的平均值的平均值 被定义为被定义为T为信号的周期。显然，正弦信号的平均值为零。为信号的周期。显然，正弦信号的平均值为零。在在电电子子测测量量中中，经经常常要要测测量量交交流流信信号号检检波波（整整流流）后后的的平平均均值值。交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第12页，共26页，编辑于2022年，星期一 13有效值有效值U或或Urms 如果某个交流电如果某个交流电 和一个直流电和一个直流电U分别加在同一个纯电阻上，当它们产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。这个关系可以写成 14 波形因数波形因数KF、波峰因数、波峰因数KP 交流电压波形因数交流电压波形因数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的定义为该电压的峰值与有效值之比 不同的电压波形，其不同的电压波形，其KF、KP亦不相同。了解到一些常见波形的亦不相同。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。可以利用信号的峰值快速计算的它们有效值及平均值。第13页，共26页，编辑于2022年，星期一第14页，共26页，编辑于2022年，星期一6.5 电流的测量电流的测量6.5.1 电流电流-电压转化电压转化一、取样电阻法一、取样电阻法适合测量较大电流，适合测量较大电流，取样电阻不宜太大。取样电阻不宜太大。第15页，共26页，编辑于2022年，星期一二、反馈电阻法二、反馈电阻法适合测量小电流适合测量小电流第16页，共26页，编辑于2022年，星期一三、三、电流互感器法（工频交流）电流互感器法（工频交流）2.电流电压变换电路电流电压变换电路1.电流互感器电流互感器第17页，共26页，编辑于2022年，星期一钳形表（钳形互感式电流表）钳形表（钳形互感式电流表）第18页，共26页，编辑于2022年，星期一6.6 电功率与电功的测量电功率与电功的测量电动系电动系直读直读功率表感应系有功电度表功率表感应系有功电度表、电子测量式、电子测量式功率表功率表6.6.1 电动系功率表电动系功率表电动系功率表的测量机构原电动系功率表的测量机构原理示意图理示意图静圈与动圈间的相互作用力矩静圈与动圈间的相互作用力矩 Mt与指针相连，由游丝与指针相连，由游丝提供恢复力矩提供恢复力矩游丝的恢复力矩游丝的恢复力矩 Mf平衡时平衡时功率功率电动式仪表结构电动式仪表结构特点特点:交直流两用交直流两用有功有功功率功率第19页，共26页，编辑于2022年，星期一电动系流比计电动系流比计转动力矩转动力矩抵抗力矩抵抗力矩通常设计使通常设计使K1=K2由图知由图知所以，平衡时所以，平衡时6.6.2 功率因数功率因数两动圈正交两动圈正交第20页，共26页，编辑于2022年，星期一6.6.3 感应系有功电度表感应系有功电度表两磁通叠加产生的两磁通叠加产生的平均力矩平均力矩第21页，共26页，编辑于2022年，星期一6.6.4 有功功率和功率因数的电子化测量有功功率和功率因数的电子化测量有功功率有功功率 当对当对U及及UI 进行限幅放大后在送入模拟乘法器，进行限幅放大后在送入模拟乘法器，则输出则输出U0便是功率因数（便是功率因数（K、U及及UI均为常数）。均为常数）。第22页，共26页，编辑于2022年，星期一6.6.5(智能化智能化)电子式有功电度表电子式有功电度表预付费预付费第23页，共26页，编辑于2022年，星期一负功率负功率指示指示芯片介绍芯片介绍(AD7755)第24页，共26页，编辑于2022年，星期一使用电流互感器使用电流互感器使用电压互感器使用电压互感器第25页，共26页，编辑于2022年，星期一第26页，共26页，编辑于2022年，星期一