第 6 章 電信號(hào)基本參量的常用測(cè)量方法.ppt

第6章電信號(hào)基本參量的常用測(cè)量方法 6 1周期性信號(hào)的頻率 相位的測(cè)量1 頻率 周期 的數(shù)字化測(cè)量1 1計(jì)數(shù)法測(cè)頻的基本原理計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率 就是在一定的時(shí)間間隔T0內(nèi) 對(duì)被測(cè)信號(hào) 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(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉受T0控制 即開(kāi)啟時(shí)間為T(mén)0 所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N為所以 被測(cè)信號(hào)的頻率為 前文已述 采用計(jì)數(shù)法測(cè)量較低的頻率時(shí) 應(yīng)選擇較長(zhǎng)的閘門(mén)時(shí)間 當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率太低時(shí) 閘門(mén)時(shí)間 測(cè)量時(shí)間 將會(huì)長(zhǎng)到測(cè)量者無(wú)法忍受的程度 例如 測(cè)量1Hz左右的信號(hào)頻率 位數(shù)需達(dá)到6位 則閘門(mén)時(shí)間至少應(yīng)為105s 約1個(gè)月 這顯然是不可行的 因而 對(duì)于較低頻率信號(hào)宜采取先測(cè)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(hào)的周期較長(zhǎng) 容易獲得較高的測(cè)量精度 采用計(jì)數(shù)法測(cè)量周期 就是在與被測(cè)信號(hào)的周期T相關(guān)的一定的時(shí)間間隔 通常為周期性被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期 內(nèi) 對(duì)作為時(shí)標(biāo)的脈沖 f0為時(shí)標(biāo)脈沖的頻率 進(jìn)行計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器的閘門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉受控制 即開(kāi)啟時(shí)間間隔為 所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N為 當(dāng)時(shí) 所以 被測(cè)信號(hào)的周期為 計(jì)數(shù)控制閘門(mén)可由門(mén)電路或模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成 由于其開(kāi)啟時(shí)間為 所以又稱(chēng)為 閘門(mén)時(shí)間 閘門(mén)時(shí)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(cè)量位數(shù)及測(cè)量精度 所以較長(zhǎng)的閘門(mén)時(shí)間一般用來(lái)測(cè)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(duì)于較高頻率 則應(yīng)選用較小的閘門(mén)時(shí)間 以免使測(cè)量數(shù)據(jù)溢出 當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率很高時(shí) 還常常先將測(cè)信號(hào)作分頻處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量 若分頻比為m m 1 10 100 則被測(cè)信號(hào)的頻率為 若被測(cè)信號(hào)的頻率太高 可以利用變頻 混頻 電路對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行降頻處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量 以降低對(duì)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(cè)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(cè)量T和T0是兩個(gè)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(cè)頻時(shí) 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(cè)量為例 來(lái)分析其測(cè)量誤差的大小 對(duì)于相同頻率的被測(cè)信號(hào)和閘門(mén)時(shí)間 若于閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)脈沖的相對(duì)位置不同 計(jì)數(shù)到的脈沖的個(gè)數(shù)也不相同 a 圖的情況下 計(jì)數(shù)脈沖N的個(gè)數(shù)大于實(shí)際值 而 b 圖的情況下 計(jì)數(shù)脈沖N的個(gè)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(gè)字 應(yīng)該指出 僅僅是方法誤差 而實(shí)際的測(cè)量誤差還應(yīng)包含閘門(mén)時(shí)間T0的誤差和閘門(mén)開(kāi) 關(guān)時(shí)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(cè)信號(hào)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(hào)整型成周期與輸出信號(hào)行通的矩形脈沖來(lái)作為計(jì)數(shù)脈沖或閘門(mén)控制信號(hào) 但是 如果被測(cè)信號(hào)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(huì)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(cuò)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(duì)被測(cè)信號(hào)的電平位置 如圖 b 所示 2 相位的測(cè)量相位的測(cè)量實(shí)際是指兩個(gè)同頻周期性信號(hào)的相位差的測(cè)量 常采用相位 電壓轉(zhuǎn)換測(cè)量法 圖中E1和E2為頻率相同相位差為的兩個(gè)被測(cè)正弦信號(hào) 經(jīng)限幅放大和脈沖整形后變成方波信號(hào) 經(jīng)微分后通過(guò)鑒相器輸出寬度與兩個(gè)信號(hào)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(shí)間間隔的測(cè)量1 測(cè)量原理脈沖時(shí)間間隔的測(cè)量原理框圖如圖所示 它可以分別由測(cè)量A通道 起始脈沖 和B通道 終止脈 輸入的兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔T 如果起始脈沖與終止脈沖不能分離成兩個(gè)通道的信號(hào)時(shí) 可以將開(kāi)關(guān)S閉合 由A B兩個(gè)通道中的任一通道輸入 當(dāng)起始脈沖與終止脈沖的時(shí)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(shí)標(biāo)的選擇及測(cè)量誤差脈沖時(shí)間間隔的測(cè)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(gè)字 所以 為了增大計(jì)數(shù)量N 減小測(cè)量誤差 在不產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出的條件下時(shí)標(biāo)脈沖T0越小越好 如圖所示 觸發(fā)門(mén)控電路的觸發(fā)脈沖都具有一定的上升和下降時(shí)間 所有的觸發(fā)脈沖的上升及下降時(shí)間都不可能為零 同時(shí)門(mén)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(cè)量脈沖寬度時(shí) 有時(shí)應(yīng)考慮采取必要的補(bǔ)償 6 3信號(hào)頻譜的測(cè)量對(duì)非周期性信號(hào) 往往需要了解信號(hào)構(gòu)成的頻率成分 這就需要進(jìn)行信號(hào)頻譜的測(cè)量 或稱(chēng)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(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 時(shí)域 頻域間的付里葉變換公式我們是熟知的 即 也可以寫(xiě)成 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)需要對(duì)按一定的時(shí)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(duì)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(cè)信號(hào)的頻譜分布函數(shù)U f 連續(xù)付氏變換可寫(xiě)成 由可知 為了提高頻率分辨率 可以通過(guò)降低采樣頻率 增大采樣時(shí)間間隔 或加大采樣點(diǎn)數(shù)N來(lái)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(shí)間間隔不能過(guò)大 所以在存儲(chǔ)器空間允許的條件下 加大采樣點(diǎn)數(shù)N是個(gè)不錯(cuò)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(hào)電壓的測(cè)量1 交流電壓的表征1 1峰值周期性交流電信號(hào)偏離零電平的最大值稱(chēng)為峰值UP 或Um 典型的周期性交流電信號(hào)是正弦信號(hào) 不含直流成分的正弦信號(hào)為這種信號(hào)的正負(fù)峰值是對(duì)稱(chēng)的 相等 如果交流電信號(hào)的正負(fù)峰值不對(duì)稱(chēng)的 不相等 可以用UP UP 來(lái)分別表示信號(hào)的正負(fù)峰值 1 2平均值周期性交流電信號(hào)的平均值被定義為T(mén)為信號(hào)的周期 顯然 正弦信號(hào)的平均值為零 在電子測(cè)量中 經(jīng)常要測(cè)量交流信號(hào)檢波 整流 后的平均值 交流信號(hào)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(gè)交流電和一個(gè)直流電U分別加在同一個(gè)純電阻上 當(dāng)它們產(chǎn)生的焦耳熱相等時(shí) 這個(gè)交流電的有效值等于直流電U 這個(gè)關(guān)系可以寫(xiě)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(jiàn)波形的KF KP可以利用信號(hào)的峰值快速計(jì)算的它們有效值及平均值 6 5電流的測(cè)量6 5 1電流 電壓轉(zhuǎn)化 一 取樣電阻法 適合測(cè)量較大電流 取樣電阻不宜太大 二 反饋電阻法 適合測(cè)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(cè)量電動(dòng)系直讀功率表 感應(yīng)系有功電度表 電子測(cè)量式功率表6 6 1電動(dòng)系功率表 電動(dòng)系功率表的測(cè)量機(jī)構(gòu)原理示意圖 靜圈與動(dòng)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(shí) 功率 電動(dòng)式儀表結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 交直流兩用 有功功率 電動(dòng)系流比計(jì) 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 抵抗力矩 通常設(shè)計(jì)使K1 K2 由圖知 所以 平衡時(shí) 6 6 2功率因數(shù) 兩