第 6 章 電信號基本參量的常用測量方法.ppt

第6章電信號基本參量的常用測量方法 6 1周期性信號的頻率 相位的測量1 頻率 周期 的數(shù)字化測量1 1計(jì)數(shù)法測頻的基本原理計(jì)數(shù)法測量頻率 就是在一定的時間間隔T0內(nèi) 對被測信號 頻率為f 周期為 進(jìn)行計(jì)數(shù) 如圖所示 計(jì)數(shù)器的閘門的開啟與關(guān)閉受T0控制 即開啟時間為T0 所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N為所以 被測信號的頻率為 前文已述 采用計(jì)數(shù)法測量較低的頻率時 應(yīng)選擇較長的閘門時間 當(dāng)被測信號的頻率太低時 閘門時間 測量時間 將會長到測量者無法忍受的程度 例如 測量1Hz左右的信號頻率 位數(shù)需達(dá)到6位 則閘門時間至少應(yīng)為105s 約1個月 這顯然是不可行的 因而 對于較低頻率信號宜采取先測量其周期T 然后再根據(jù)的關(guān)系求得其頻率 而較低頻率信號的周期較長 容易獲得較高的測量精度 采用計(jì)數(shù)法測量周期 就是在與被測信號的周期T相關(guān)的一定的時間間隔 通常為周期性被測信號的一個周期 內(nèi) 對作為時標(biāo)的脈沖 f0為時標(biāo)脈沖的頻率 進(jìn)行計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器的閘門的開啟與關(guān)閉受控制 即開啟時間間隔為 所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N為 當(dāng)時 所以 被測信號的周期為 計(jì)數(shù)控制閘門可由門電路或模擬開關(guān)構(gòu)成 由于其開啟時間為 所以又稱為 閘門時間 閘門時間通常以秒為單位 一般有10s 1s 0 1s 0 01s等幾種 為了獲得較多的測量位數(shù)及測量精度 所以較長的閘門時間一般用來測量較低的頻率 由于計(jì)數(shù)器的位數(shù)總是有限的 因而對于較高頻率 則應(yīng)選用較小的閘門時間 以免使測量數(shù)據(jù)溢出 當(dāng)被測信號的頻率很高時 還常常先將測信號作分頻處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測量 若分頻比為m m 1 10 100 則被測信號的頻率為 若被測信號的頻率太高 可以利用變頻 混頻 電路對被測信號進(jìn)行降頻處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測量 以降低對器件速度的要求 由于數(shù)字電路工作速度的提高 目前這種方法已基本不再采用了 1 2頻率 周期 計(jì)數(shù)法測量的誤差1 2 1計(jì)數(shù)法的量化誤差由于已知量和被測量T和T0是兩個互不相關(guān)的量 且T通常不是T0的整數(shù) N 倍 或T0通常不是T的整數(shù)倍 測頻時 即T與NT0 或NT與T0 之間存在一定的誤差 下面我們以頻率測量為例 來分析其測量誤差的大小 對于相同頻率的被測信號和閘門時間 若于閘門開啟時刻與被測信號脈沖的相對位置不同 計(jì)數(shù)到的脈沖的個數(shù)也不相同 a 圖的情況下 計(jì)數(shù)脈沖N的個數(shù)大于實(shí)際值 而 b 圖的情況下 計(jì)數(shù)脈沖N的個數(shù)將小于實(shí)際值 綜上所述 計(jì)數(shù)法的最大量化誤差 即計(jì)數(shù)法的最大方法量化誤差為末尾正負(fù)一個字 應(yīng)該指出 僅僅是方法誤差 而實(shí)際的測量誤差還應(yīng)包含閘門時間T0的誤差和閘門開 關(guān)時延不同等方面應(yīng)起的誤差 1 2 1噪聲干擾引起的觸發(fā)誤差被測信號脈沖的形成通常采用施密特觸發(fā)器 在不存在噪聲干擾的情況下 施密特觸發(fā)器可以將正弦波等較為規(guī)則的信號整型成周期與輸出信號行通的矩形脈沖來作為計(jì)數(shù)脈沖或閘門控制信號 但是 如果被測信號中含有較強(qiáng)的噪聲干擾 噪聲干擾的幅度大于施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口 且干擾脈沖落在施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口內(nèi) 將會使施密特觸發(fā)器產(chǎn)生誤觸發(fā) 從而使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生錯誤計(jì)數(shù) 消除的辦 法是 盡可能加寬施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口 正確選擇觸發(fā)窗口相對被測信號的電平位置 如圖 b 所示 2 相位的測量相位的測量實(shí)際是指兩個同頻周期性信號的相位差的測量 常采用相位 電壓轉(zhuǎn)換測量法 圖中E1和E2為頻率相同相位差為的兩個被測正弦信號 經(jīng)限幅放大和脈沖整形后變成方波信號 經(jīng)微分后通過鑒相器輸出寬度與兩個信號相位差有關(guān)的方脈沖 方脈沖的電平高度為 重復(fù)周期T與輸入的正弦波形同 其的平均值 直流分量 為 經(jīng)低通濾波后被A D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出 相位差與方脈沖寬度及正弦波的重復(fù)周期T間的關(guān)系為 所以 即 6 2脈沖時間間隔的測量1 測量原理脈沖時間間隔的測量原理框圖如圖所示 它可以分別由測量A通道 起始脈沖 和B通道 終止脈 輸入的兩個脈沖的時間間隔T 如果起始脈沖與終止脈沖不能分離成兩個通道的信號時 可以將開關(guān)S閉合 由A B兩個通道中的任一通道輸入 當(dāng)起始脈沖與終止脈沖的時間間隔為tx 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值將為 所以tx NT0 圖6 1 7 2 時標(biāo)的選擇及測量誤差脈沖時間間隔的測量采用的也是計(jì)數(shù)法 我們已經(jīng)知道 計(jì)數(shù)法的方法最大量化誤差為末尾正負(fù)一個字 所以 為了增大計(jì)數(shù)量N 減小測量誤差 在不產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出的條件下時標(biāo)脈沖T0越小越好 如圖所示 觸發(fā)門控電路的觸發(fā)脈沖都具有一定的上升和下降時間 所有的觸發(fā)脈沖的上升及下降時間都不可能為零 同時門控電路也具有一定的觸發(fā)電平 窗口 所以 當(dāng)采用計(jì)數(shù)法測量脈沖寬度時 有時應(yīng)考慮采取必要的補(bǔ)償 6 3信號頻譜的測量對非周期性信號 往往需要了解信號構(gòu)成的頻率成分 這就需要進(jìn)行信號頻譜的測量 或稱為頻譜分析 頻譜分析一般可利用付里葉變換 采用數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn) 時域 頻域間的付里葉變換公式我們是熟知的 即 也可以寫成 數(shù)字信號處理技術(shù)需要對按一定的時間間隔做數(shù)字化采樣處理 轉(zhuǎn)換成 采用離散付里葉變換 高速付里葉變換 方式進(jìn)行處理 對于離散的采樣值 令這就是離散的付里葉變換公式 利用FFT可以得到Um 即被測信號的頻譜分布函數(shù)U f 連續(xù)付氏變換可寫成 由可知 為了提高頻率分辨率 可以通過降低采樣頻率 增大采樣時間間隔 或加大采樣點(diǎn)數(shù)N來實(shí)現(xiàn) 然而 根據(jù)奈奎斯特采用定理 為了防止頻譜混疊 采樣時間間隔不能過大 所以在存儲器空間允許的條件下 加大采樣點(diǎn)數(shù)N是個不錯的選擇 圖九中的低通濾器就是為了防止頻譜混疊而加入的 6 4交流信號電壓的測量1 交流電壓的表征1 1峰值周期性交流電信號偏離零電平的最大值稱為峰值UP 或Um 典型的周期性交流電信號是正弦信號 不含直流成分的正弦信號為這種信號的正負(fù)峰值是對稱的 相等 如果交流電信號的正負(fù)峰值不對稱的 不相等 可以用UP UP 來分別表示信號的正負(fù)峰值 1 2平均值周期性交流電信號的平均值被定義為T為信號的周期 顯然 正弦信號的平均值為零 在電子測量中 經(jīng)常要測量交流信號檢波 整流 后的平均值 交流信號的整流分為全波整流和半波整流兩種 全波整流的平均值為 1 3有效值U或Urms如果某個交流電和一個直流電U分別加在同一個純電阻上 當(dāng)它們產(chǎn)生的焦耳熱相等時 這個交流電的有效值等于直流電U 這個關(guān)系可以寫成 1 4波形因數(shù)KF 波峰因數(shù)KP交流電壓波形因數(shù)KF的定義為該電壓的平均值與有效值之比 而交流電壓波峰因數(shù)KP的定義為該電壓的峰值與有效值之比 不同的電壓波形 其KF KP亦不相同 了解到一些常見波形的KF KP可以利用信號的峰值快速計(jì)算的它們有效值及平均值 6 5電流的測量6 5 1電流 電壓轉(zhuǎn)化 一 取樣電阻法 適合測量較大電流 取樣電阻不宜太大 二 反饋電阻法 適合測量小電流 三 電流互感器法 工頻交流 2 電流電壓變換電路 1 電流互感器 鉗形表 鉗形互感式電流表 6 6電功率與電功的測量電動系直讀功率表 感應(yīng)系有功電度表 電子測量式功率表6 6 1電動系功率表 電動系功率表的測量機(jī)構(gòu)原理示意圖 靜圈與動圈間的相互作用力矩Mt 與指針相連 由游絲提供恢復(fù)力矩 游絲的恢復(fù)力矩Mf 平衡時 功率 電動式儀表結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 交直流兩用 有功功率 電動系流比計(jì) 轉(zhuǎn)動力矩 抵抗力矩 通常設(shè)計(jì)使K1 K2 由圖知 所以 平衡時 6 6 2功率因數(shù) 兩