電子測量數(shù)字測量方法PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1電子測量數(shù)字測量方法電子測量數(shù)字測量方法一、一、DVM的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：1數(shù)字顯示數(shù)字顯示2準(zhǔn)確度高準(zhǔn)確度高3量程轉(zhuǎn)換靈活：自動轉(zhuǎn)換、手動轉(zhuǎn)換量程轉(zhuǎn)換靈活：自動轉(zhuǎn)換、手動轉(zhuǎn)換4.分辨力高分辨力高5.測量速度快測量速度快6.輸入阻抗高輸入阻抗高7.抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)二、二、DVM的主要類型：的主要類型：按工作方式分類按工作方式分類1. 逐次逼近型、逐次逼近型、2. 并行比較型并行比較型/串并行型、串并行型、3. 積分型、積分型、4. -調(diào)制型、調(diào)制型、5. 電容陣列逐次比較型電容陣列逐次比較型6. 壓頻變換型壓頻變換型第1頁/共31頁 (1)電路輸入電壓通過比較器與各個比較器的反相端

2、電壓比較，比較器反相端電壓是參考電壓UR通過電阻分檔的電壓，輸入電壓比哪些個檔的參考電壓高，則哪些個比較器就輸出高電平，但是由于比較器后接優(yōu)先編碼器，所以只有最高級別的比較器輸出的高電平被編碼。 右圖是3位并行A/D轉(zhuǎn)換器。設(shè)參考電壓為8V，比較器反相端的分檔電壓為1V，2V，3V，4V，5V，6V，7V。在第1個采樣到來時，輸入模擬量大于3V，則有三個比較器都輸出高電平，但優(yōu)先編碼器只對反相端接3V分檔電壓的比較器的輸出進(jìn)行編碼，輸出數(shù)字量為011。余此類推，有如下的表格：(2)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快。缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，需比較器數(shù)量越多。N位AD轉(zhuǎn)換器需 2n-1 個比較器。并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換

3、原理圖優(yōu)先編碼器采樣脈沖01234567124DDD012比較器UkRRRRRRRR模擬輸入.第2頁/共31頁比較器比較器 時序邏輯時序邏輯控制電路控制電路 輸出緩沖器輸出緩沖器轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出允許輸出允許啟動啟動時鐘時鐘Ui US D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基基 準(zhǔn)準(zhǔn) 源源數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)寄存器寄存器譯譯 碼碼顯顯 示示(1)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。 缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換電路相對精煉。0.125VMAX V0.6875VMAX 0.75 VMAX 0.625VMAX0.5 VMAX 0.5VMAX第一次比較第一次比較1 1第二次比較第二次比較0 0第三次第三次比較比較1第四次第四次比較比較 0VIN0t0

4、.25VMAX0.0625VMAX (2)電路(3) 例 DVM做4次比較，基準(zhǔn)Ur = 1V， 輸入Ui =0.68V，第3頁/共31頁Uomt0t1t2t3t3uN TRCuxuRCuxTx d d0011放大器積分輸出：工作過程：時段：定時積分, T1 = t t2 2-t t1 1 ; 時段：定值積分，從t t2 2開始，過零結(jié)束;1TRCuUxom 022 TRCuUUNomo112TuuuRCTRCuuRCUTNxNxNom 若時鐘頻率為F，則T2 期間的脈沖數(shù)： xNNxNxuuNFFNuuFTuuFTN11122)()( (2)基本原理： (1)電路結(jié)構(gòu)1TRCuUxom 第4

5、頁/共31頁 (2)應(yīng)用電路： 由集成塊7106構(gòu)成3位半數(shù)字電壓表的典型電路如圖第5頁/共31頁 (1)電壓反饋式電壓反饋式UF轉(zhuǎn)換器組成原理轉(zhuǎn)換器組成原理 被測電壓Ux經(jīng)放大后輸出電壓Uo，經(jīng)過U-F 轉(zhuǎn)換器獲得頻率為UF 的序列脈沖。經(jīng)過F-U 電路轉(zhuǎn)換成UF ，再與UX 比較，產(chǎn)生差值電壓U UX - UF 。兩者差使UO及F 輸出改變，如此循環(huán)，直至動態(tài)平衡。 若放大器的增益足夠大，則U0， UX UF 。因為UF 正比于F ，UX 正比于F ， 即： UX kF (2)特點(diǎn)特點(diǎn) U/F型A/D轉(zhuǎn)換器多用電壓反饋形式。具有較好的抗干擾能力, 準(zhǔn)確度和輸入阻抗高。其中其中uNuNuTu

6、ouN (3)原理電路原理電路第6頁/共31頁 (4)應(yīng)用電路：應(yīng)用電路： 恢復(fù)型恢復(fù)型UF 轉(zhuǎn)換器電路圖轉(zhuǎn)換器電路圖1第7頁/共31頁 恢復(fù)型恢復(fù)型UF 轉(zhuǎn)換器電路圖轉(zhuǎn)換器電路圖2圖4.1.10(b )恢復(fù)型UF 轉(zhuǎn)換器電路圖第8頁/共31頁三、三、DVM的測量誤差：的測量誤差：DVM的固有誤差，常用下列兩種方式表示：其中： aUX 為示值相對誤差，與讀數(shù)成正比，稱為讀數(shù)誤差。它與儀器各單元電路的不穩(wěn)定性有關(guān)。 b UX 為不隨讀數(shù)變化的滿度誤差，由量化誤差量化誤差和0點(diǎn)誤差點(diǎn)誤差等組成。量化是把本來有無窮個取值的模擬量用有限個數(shù)字量來表示的過程。0點(diǎn)偏移如同磁電式電壓表的機(jī)械0點(diǎn)沒有調(diào)好一

7、樣，對于DVM，多發(fā)生在末位數(shù)字上。 滿度誤差與被測電壓大小無關(guān)，而與所取量程有關(guān)，常常用正負(fù)幾個字來表示。為了避免滿度誤差對測量結(jié)果的影響，應(yīng)選擇合適的量程應(yīng)選擇合適的量程，使被測電壓顯示的位數(shù)盡量多。 例例: 用某型DVM測量0.5V電壓， 若使用200 V量程時，顯示000.52V,滿度誤差2個字,誤差的影響是很大的； 而使用2 V量程時，能顯示0.5002 ,這時的滿度誤差2個字,誤差就小多了。 與其他儀器一樣，DVM除了上述固有誤差固有誤差之外，還有影響誤差影響誤差等。例如: 輸入阻抗輸入阻抗、環(huán)境溫度環(huán)境溫度 等引起的誤差。第9頁/共31頁例題例題: P145例例1糾教材 P145

8、 之“綜上所述”第10頁/共31頁 * 多用表組成：多用表組成：DVM第11頁/共31頁 一、交流電壓一、交流電壓直流電壓轉(zhuǎn)換器：直流電壓轉(zhuǎn)換器： 模擬式電壓表利用二極管構(gòu)成的平均值和峰值檢波電路，驅(qū)動直流微安表指針偏轉(zhuǎn)，如圖 (a)。 這種檢波器是非線性的，因為二極管非線性特性和閥值電壓VT的影響，使檢波輸出的線性很差，如圖 (b)所示。輸出電壓瞬時值 uo與交流輸入電壓瞬時值ui 存在如下關(guān)系： 當(dāng) ui 較低時, 其很大部分消耗在非線性二極管壓降UDV上, 當(dāng)ui UT=0.6V時；uo= 0 ，這種畸變對于測量變換是不允許的。 (b)1. 直接二極管檢波直接二極管檢波 ：第12頁/共3

9、1頁 它利用運(yùn)放的高增益來補(bǔ)償二極管正向管壓降。 若運(yùn)放 A1 的開環(huán)增益 K01105，二極管 VD1 的壓降為UT=0.6V，在輸入端引起的等效電壓損失為： 這樣的補(bǔ)償使得VD1的等效正向壓降減小到 6V，二極管可以視為理想檢波器件，輸入與輸出之間呈現(xiàn)良好的線性。如圖 (d) 所示。2. 運(yùn)放半波式檢波運(yùn)放半波式檢波 ：2) 采用運(yùn)放式半波檢波實(shí)用電路：采用運(yùn)放式半波檢波實(shí)用電路： 其中：當(dāng)輸入交流電壓進(jìn)入負(fù)半波時，由 VD2 ，R3形成負(fù)反饋通道。檢波級的增益由R1R2的比例決定，本電路中這兩個電阻均為10k，增益為l。正半波時經(jīng) VD1 進(jìn)行半波檢波，完成AC-DC變換作用。第13頁/

10、共31頁3. 運(yùn)放全波式檢波運(yùn)放全波式檢波 ： 當(dāng)輸入信號為正時，即: ui 0，VD2導(dǎo)通 VD1截止。半波檢波電路輸出為： 加法電路對ui 和 uo1兩電壓進(jìn)行求和運(yùn)算，其輸出電壓為： 若取 RlR2R3R5= 2R4 , 則：uo= ui 當(dāng)輸入信號為負(fù)時，即ui 0，VD2截止 VD1導(dǎo)通; uo1=0, 加法電路A2的輸出電壓為: iouu iiouuRRu 35iouRRu121 A1構(gòu)成半波檢波電路， A2構(gòu)成加法器電路。 A2加有兩路電壓輸入：第14頁/共31頁 二、電阻二、電阻直流電壓轉(zhuǎn)換器：直流電壓轉(zhuǎn)換器： R-U 轉(zhuǎn)換電路1：第15頁/共31頁 與雙積分DVM相配合的R-

11、U 轉(zhuǎn)換電路： 在定時積分(采樣)階段, 合S1, 對ux 積分; 然后合S2, 對uN進(jìn)行定值積分,當(dāng)積分輸出電壓過0時，比較時間： 可見, Rx 與ux成正比, ux又與T2 成正比。將Rx轉(zhuǎn)換成T2后，再利用脈沖計數(shù)法即可實(shí)現(xiàn)Rx的數(shù)字顯示。xNNxNxRRTTIRIRTuuT1112 21TTRRNx 第16頁/共31頁 將采樣電阻串聯(lián)在放大器的反饋回路中，設(shè)點(diǎn)虛地，則： 三、直流電流三、直流電流直流電壓轉(zhuǎn)換器：直流電壓轉(zhuǎn)換器： I-U 轉(zhuǎn)換電路a： 讓被測電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻，再用直流DVM測量電阻上的電壓，即實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。+- I-U 轉(zhuǎn)換電路b： 利用3位半DVM組成的簡易數(shù)字電流表

12、電路。NxRIU 0 I-U 轉(zhuǎn)換電路c：mmA A V V, ,5150 xmNmIkRU時時，則則當(dāng)當(dāng)設(shè)設(shè)第17頁/共31頁一、時間與頻率標(biāo)準(zhǔn)一、時間與頻率標(biāo)準(zhǔn) 時間和頻率測量的一個重要特點(diǎn)就是：時間是一去不復(fù)返的。尋找按嚴(yán)格相等的時間間隔重復(fù)出現(xiàn)的周期現(xiàn)象就成為制定時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)的首要問題。 早期，人們把地球自轉(zhuǎn)當(dāng)作符合上述要求的頻率源，把由地球自轉(zhuǎn)確定的時間計量系統(tǒng)稱為世界時世界時。隨后人們又制定了根據(jù)太陽來計量時間的計時系統(tǒng),這種計時系統(tǒng)的精度比世界時世界時有了大幅度的提高。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對時間計量的準(zhǔn)確度提出越來越高的要求。為了適應(yīng)這種需要，國際天文學(xué)會定義了以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為

13、標(biāo)準(zhǔn)的計時系統(tǒng)，稱為歷書時歷書時 ET 。 1952年9月，國際天文學(xué)會第8次大會通過了歷書時的正式定義。這種計時系統(tǒng)采用1900年1月1日0時(ET)起的回歸年長度作為計量時間的單位，定義“秒是按1900年起始時的地球公轉(zhuǎn)平均角速度計算出的一個回歸年的1315569259747“，稱之為歷書秒。86400歷書秒被規(guī)定為一歷書日。歷書秒可以認(rèn)為是“秒”的第二次定義，它在1960年的第11屆計量大會上得到認(rèn)可。 地面上每個觀切點(diǎn)都有自己的子午圈，在同一瞬時，不同經(jīng)度上的觀測點(diǎn)將有不同的時刻值。通常把這樣的天文觀測點(diǎn)測直接測定的世界時稱為地方時地方時，記做UTo。在此的基礎(chǔ)上修正了地球極移的影響，

14、產(chǎn)生了UT1：在UT1 的基礎(chǔ)上修正了季節(jié)性變化的影響，產(chǎn)生了UT2。它的穩(wěn)定度比世界時提高了兩個數(shù)量級，達(dá)到了10-9量級。第18頁/共31頁 1. 原子頻標(biāo)的基本原理原子頻標(biāo)的基本原理 根據(jù)量子理論，原子或分子只能處于一定的能級，其能量不能連續(xù)變化，而只能躍遷。當(dāng)由一個能級向另一個能級躍遷時，就會以電磁波的形式輻射或吸收能量，其輻射頻率 f 嚴(yán)格地決定于兩能級之間的能量差，即：hEf 由于該現(xiàn)象是微觀原子或分子所固有的，非常穩(wěn)定。 若設(shè)法使原于或分子受到激勵，便可得到相應(yīng)的穩(wěn)定而又準(zhǔn)確的頻率。這就是原子頻標(biāo)的基本原理。 h為普朗克常數(shù)；E為躍遷能級間的能量差。 1967年年第十三屆國際計量

15、大會通過新的原子秒的定義：秒是與銫 Cs133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷時，相對應(yīng)輻射的 9192631770 個周期的持續(xù)時間。原子時的時刻起點(diǎn)為1958年1月1日0時。 銫原子鐘的精度已達(dá)10-14 10-15量級，甚至更高。這相當(dāng)于數(shù)十萬年乃至百萬年不差1s。銫原子鐘分為大銫鐘和小銫鐘兩種，兩者的原理相同。大銫鐘都是安置于專用實(shí)驗室，作為頻率基準(zhǔn)；小銫鐘則可作為良好的頻率工作標(biāo)準(zhǔn)。2. 銫原子鐘銫原子鐘 3.氫原子鐘氫原子鐘 氫原子鐘亦稱氫原子激射器。它是從氫原子中選出高能級的原子送入諧振腔，當(dāng)原子從高能級躍遷到低能級時，輻射出頻率準(zhǔn)確的電磁波，可用其作為頻率標(biāo)準(zhǔn)。 氫原于鐘的短期穩(wěn)

16、定度很好，可達(dá)10-14 10-15量級；但由于儲存泡壁移效應(yīng)等影響，其精度只能達(dá)到10-12 量級。第19頁/共31頁4.銣原子鐘銣原子鐘 銣原子鐘是一種體積小、重量輕、便于攜帶的原子頻標(biāo)，由于存在老化頻移等影響，其精度約為約為10-11量級，只能作為工作標(biāo)準(zhǔn)。5.離子儲存頻標(biāo)離子儲存頻標(biāo) 離子儲存頻標(biāo)，亦稱離子阱頻標(biāo)，該類頻標(biāo)存在的主要問題是儲存的離子與殘存氣體碰撞產(chǎn)生的碰撞頻移，以及由于儲存的離子數(shù)量少，而使信噪比較低等。預(yù)計離子阱頻標(biāo)的精度可達(dá) 10-15 10-16 量級，甚至更高。 從基本原理和技術(shù)方案來看，離子阱頻標(biāo)的確有較大的發(fā)展?jié)摿Γ赡艹蔀槲磥淼臅r間頻率基準(zhǔn)。 我國陜西天文

17、臺是規(guī)模較大的現(xiàn)代化授時中心，它有發(fā)格時間與頻率的專用電臺。臺內(nèi)有氫原子鐘和瑟原子鐘，成為我國原子時間標(biāo)準(zhǔn)。它能夠保持三萬年以上才有1s的偏差。中央人民廣播電臺的北京時間報時聲，就是由陜西天文臺授時給北京天文臺，再通過中央人民廣播電臺播發(fā)的。6.頻段的劃分頻段的劃分 國際上規(guī)定30kHz以下為甚低頻、超低頻，30kHz以上每10倍頻程依次劃分為低、中、高、甚高、特高、超高等頻段。 在微波技術(shù)中,按波長 (m)300/f (MHz)劃分為米波/分米波/厘米波/毫米波等波段。 在一般電子技術(shù)中把 : 20Hz 20kHz的頻段稱為音頻， 20Hz 20MHz 頻段稱為視頻，30kHz 幾十GHz頻

18、段稱為射頻。當(dāng)然，這些界限也只是一個大致的劃分。 在電子測量技術(shù)中，一種劃分法是以30kHz為界，以下稱低頻測量，以上稱高頻測量；另一種劃分法是以100kHz(或lMHz)為界，以下稱低頻測量，以上稱高頻測量(一般，正弦波信號發(fā)生器就是這樣劃分的)。我們采用后一種劃分。第20頁/共31頁 目前多用電子計數(shù)器電子計數(shù)器 測頻，它具有測量精度高、速度快、自動化程度高、操作簡便、直接顯示數(shù)字等特點(diǎn)，尤其是與微處理器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了程控化和智能化，構(gòu)成智能化計數(shù)器。目前，電子計數(shù)器幾乎取代了模擬式測量儀器。二、頻率測量方法二、頻率測量方法第21頁/共31頁三、電子計數(shù)式頻率計三、電子計數(shù)式頻率計 1.

19、計數(shù)式頻率計的測頻原理計數(shù)式頻率計的測頻原理 頻率是每秒內(nèi)信號變化的次數(shù)。在一個準(zhǔn)確的時間段對信號變化計數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)頻率測量。 2. 時間基準(zhǔn)的產(chǎn)生時間基準(zhǔn)的產(chǎn)生 通用頻率計一般選用頻率穩(wěn)定度良好的石英晶體諧振器來產(chǎn)生這個時間基準(zhǔn)，它在短時間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-9量級。 設(shè)石英晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖周期為T0，經(jīng)過一系列分頻可以得到幾種標(biāo)準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)，如：10mS，0.1S，l S，10S等幾種。T N0 T0 ，N0是在時間基準(zhǔn)T 內(nèi)含有晶振本身振蕩周期的整倍數(shù)。只要分頻次數(shù)準(zhǔn)確， N0 就是確切的數(shù)，則時間基準(zhǔn) T 就是一個穩(wěn)定的數(shù)值。 第22頁/共31頁 3. 計數(shù)式頻率計組成計數(shù)式頻率計組成顯示顯示框圖框圖1: 第23頁/共31頁框圖框圖2: 顯顯 示示智能單元智能單元(MCU DSP ARM)晶晶 振振量程選擇輸入量程選擇輸入第24頁/共31頁 4. 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例高精度高精度10MHZ頻率計頻率計整形整形電路電路ui第25頁/共31頁四、電子計數(shù)器主要技術(shù)指標(biāo)四、電子計數(shù)器主要技術(shù)指標(biāo) (1) 測量范圍：測量范圍：電子計數(shù)器的測量范圍很廣，可以測量從