第8章電量測量電路

1、作用：作用：實(shí)現(xiàn)頻率、相位和脈沖幅值、脈寬的測量。實(shí)現(xiàn)頻率、相位和脈沖幅值、脈寬的測量。 8.1 頻率測量頻率測量 8.2 相位測量相位測量 8.3 脈沖參數(shù)測量脈沖參數(shù)測量被測量信號(hào)被測量信號(hào)放大整形放大整形S計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器fxf顯示器顯示器控制器控制器分頻器分頻器晶體振蕩器晶體振蕩器f0 N計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)器電路主閘門開啟時(shí)間：主閘門開啟時(shí)間：T0 = 1/ f0 = k / f 計(jì)數(shù)結(jié)果：計(jì)數(shù)結(jié)果：N = T0 fx被測信號(hào)頻率：被測信號(hào)頻率： fx= N / T0=Nf / kN 8.1 頻率頻率(周期周期)測量測量 8.1.1 計(jì)數(shù)器法計(jì)數(shù)器法 主要由時(shí)基發(fā)生器主要由時(shí)基發(fā)生器(晶體振蕩

2、器和分頻器晶體振蕩器和分頻器)、門控電路、門控電路(主閘門和控制電路主閘門和控制電路)、計(jì)數(shù)器組件、計(jì)數(shù)器組件(計(jì)數(shù)器和顯示器計(jì)數(shù)器和顯示器)組成。組成。問題：為什么要進(jìn)行分頻？問題：為什么要進(jìn)行分頻？溫度溫度傳感器傳感器檢波器檢波器觸發(fā)器觸發(fā)器電源電源振蕩器振蕩器振蕩器振蕩器壓電晶體壓電晶體恒恒溫溫室室加加熱熱器器AC頻頻率率調(diào)調(diào)整整自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制外部頻率標(biāo)準(zhǔn)外部頻率標(biāo)準(zhǔn)至十進(jìn)制除法至十進(jìn)制除法器組件和邏輯器組件和邏輯控制電路控制電路恒溫室恒溫室恒溫控制恒溫控制熱敏熱敏電阻電阻輸出振輸出振蕩電路蕩電路 將晶體振蕩器輸出頻率進(jìn)行多級(jí)除將晶體振蕩器輸出頻率進(jìn)行多級(jí)除10的計(jì)算，作為閘的

3、計(jì)算，作為閘門控制電路的輸入信號(hào)，控制閘門開啟時(shí)間。門控制電路的輸入信號(hào)，控制閘門開啟時(shí)間。 如：晶體振蕩器輸出頻率如：晶體振蕩器輸出頻率f =5MHz，閘門時(shí)間設(shè)置選分，閘門時(shí)間設(shè)置選分頻器第頻器第3級(jí)，則時(shí)基發(fā)生器輸出頻率級(jí)，則時(shí)基發(fā)生器輸出頻率f0=510610-3=5kHz，閘，閘門開啟時(shí)間門開啟時(shí)間T0=1/f0=1/(5103)=0.2ms。主閘門開啟時(shí)間主閘門開啟時(shí)間T0越長，計(jì)數(shù)越長，計(jì)數(shù)N就越多，相對誤差就越小。就越多，相對誤差就越小。1. 量化誤差：量化誤差：門控信號(hào)與被測信號(hào)不同步，會(huì)產(chǎn)生門控信號(hào)與被測信號(hào)不同步，會(huì)產(chǎn)生1 1個(gè)個(gè)數(shù)字的計(jì)數(shù)誤差，由此產(chǎn)生的頻率測量誤差為數(shù)

4、字的計(jì)數(shù)誤差，由此產(chǎn)生的頻率測量誤差為xx0 x1ffT f T0 相同頻率的被測信號(hào)，在主閘門打開時(shí)間內(nèi)，兩種極相同頻率的被測信號(hào)，在主閘門打開時(shí)間內(nèi)，兩種極端情況計(jì)數(shù)脈沖不同，存在端情況計(jì)數(shù)脈沖不同，存在1個(gè)數(shù)字的計(jì)數(shù)誤差。個(gè)數(shù)字的計(jì)數(shù)誤差。2. 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差：標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差：由時(shí)基電路所引起的時(shí)基由時(shí)基電路所引起的時(shí)基誤差誤差0 xx0ffff 通常要求時(shí)基誤差比量化誤差小一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在誤通常要求時(shí)基誤差比量化誤差小一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在誤差分析中不用考慮時(shí)基誤差。差分析中不用考慮時(shí)基誤差。1cm6個(gè)周期為個(gè)周期為7.93cm，時(shí)基信號(hào)為，時(shí)基信號(hào)為0.1ms/cm，則信號(hào)頻率為：，則信號(hào)

5、頻率為：fx=顯示讀數(shù)顯示讀數(shù)/時(shí)基率時(shí)基率= / (0.110-3)=7.566kHz67.93 在示波器的水平和垂直輸在示波器的水平和垂直輸入端分別施加頻率相同、相位入端分別施加頻率相同、相位差差的正弦信號(hào)，即的正弦信號(hào)，即XYBAO00sinX=Xt 基準(zhǔn)信號(hào)基準(zhǔn)信號(hào)00sin()Y=Yt+ 被測信號(hào)被測信號(hào)2000cos1() sin XY=YX/XX由由Lissajuos圖形得：圖形得： arcsin(/)A B 0 xff 當(dāng)當(dāng)X與與Y存在微小頻差時(shí)，存在微小頻差時(shí)，Lissajuos圖形將周期性變化，圖形將周期性變化，變化周期變化周期=兩信號(hào)頻率差的倒兩信號(hào)頻率差的倒數(shù)。數(shù)。設(shè)頻

6、差為設(shè)頻差為f0 ，重復(fù)變化，重復(fù)變化n次所用時(shí)間為次所用時(shí)間為T，則，則XYBAO為了提高測量精度，可將頻差倍增后在進(jìn)行比較。為了提高測量精度，可將頻差倍增后在進(jìn)行比較。被測信號(hào)被測信號(hào)YX基準(zhǔn)振蕩器基準(zhǔn)振蕩器差頻倍增器差頻倍增器V H0/fn T x00fff xx11/ffTNfN被測量信號(hào)被測量信號(hào)放大整形放大整形S計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器fxf顯示器顯示器控制器控制器晶體振蕩器晶體振蕩器N計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)器電路 低頻信號(hào)頻率測量時(shí)，將圖低頻信號(hào)頻率測量時(shí)，將圖8-1中的被測量信號(hào)與晶體中的被測量信號(hào)與晶體振蕩器交換位置，且去掉分頻器，為什么？振蕩器交換位置，且去掉分頻器，為什么？ 當(dāng)被測量信號(hào)頻率

7、較低時(shí)，則在主閘門開啟的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)被測量信號(hào)頻率較低時(shí)，則在主閘門開啟的時(shí)間內(nèi)，無脈沖或較少脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，使之無法測量、誤差較大。無脈沖或較少脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，使之無法測量、誤差較大。8.2 相位測量相位測量8.2.1 直讀法直讀法causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+edbus2+uc+uc要求：要求：Ucm=UsmUUUs1s2s電容電容C1和和C2兩端電壓分別為：兩端電壓分別為：UU +UUU1cs1cs UUUUU2cs2cs- UUUU221mcmsmsm(cos )(sin ) UUUU222mcmsmsm(cos )(sin ) UsU1UcU2-Us 8.

8、2.1.1 相敏檢波法相敏檢波法8.2.1.1 相敏檢波法相敏檢波法當(dāng)當(dāng)Ucm=Usm時(shí)時(shí)UU1mcm2cos2 UU2mcm2sin2 在在 時(shí)，輸出時(shí)，輸出uo為：為：0uk UUkUkUo1m2mcmcm()2(cossin)2 2sin()2242 在在 與與 時(shí)，輸出時(shí)，輸出uo相同，故鑒相器不能鑒別相相同，故鑒相器不能鑒別相位超前與滯后，只能鑒別相位大小。位超前與滯后，只能鑒別相位大小。0 0 工作范圍：工作范圍： ，在，在 附近，鑒相器線性好。附近，鑒相器線性好。/ 2/ 2 / 2 causT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+edbus2+uc+uc u1u2經(jīng)

9、放大整形成兩個(gè)矩形波電壓經(jīng)放大整形成兩個(gè)矩形波電壓b1b2，b1b2相加后相加后送入均值電壓表檢波器，檢波電流的均值送入均值電壓表檢波器，檢波電流的均值合成電壓的合成電壓的寬度寬度 ，即，即DD1(1)22k UIk U dt kD 檢波系數(shù)；檢波系數(shù)；U 相加電路輸出合成電壓。相加電路輸出合成電壓。 8.2.1 直讀法直讀法8.2.1.2 脈沖變換法脈沖變換法脈沖形成及脈沖形成及限幅電路限幅電路u1b2相加電路相加電路脈沖形成及脈沖形成及限幅電路限幅電路b1u2均值電壓表均值電壓表U8.2 相位測量相位測量8.2.2 計(jì)數(shù)器法計(jì)數(shù)器法放大整形放大整形通道通道1u1門控電路門控電路u2主閘門主

10、閘門通道通道2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器u1u2f0雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器 u1u2經(jīng)放大整形成后輸出兩個(gè)正脈沖經(jīng)放大整形成后輸出兩個(gè)正脈沖 ， 使門控使門控電路的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，打開計(jì)數(shù)器閘門，標(biāo)準(zhǔn)脈沖信電路的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，打開計(jì)數(shù)器閘門，標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為號(hào)發(fā)生器輸出頻率為f0的脈沖通過主閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。的脈沖通過主閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 使門控電路的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)復(fù)原，關(guān)閉計(jì)數(shù)器閘門，使門控電路的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)復(fù)原，關(guān)閉計(jì)數(shù)器閘門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為：計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為：Nft0u1u2u1u28.2.2 計(jì)數(shù)器法計(jì)數(shù)器法tT2360

11、 0360360tfNNTf 缺點(diǎn)：測量結(jié)果缺點(diǎn)：測量結(jié)果 與被測信號(hào)的頻率與被測信號(hào)的頻率f 有關(guān)。有關(guān)。 若將通道若將通道1和和2并聯(lián)，并將并聯(lián)，并將u1或或u2加到輸入端，當(dāng)加到輸入端，當(dāng)u1或或u2第一次正跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)谝淮握儠r(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)u1或或u2第二次正跳變第二次正跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。則計(jì)數(shù)結(jié)果時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。則計(jì)數(shù)結(jié)果M=f0/f，所以，所以NM360 放大整形放大整形通道通道1u1門控電路門控電路u2主閘門主閘門通道通道2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器u1u2f0雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器8.2 相位測量相位測量8.2.3 比較法比較

12、法u1u2已定度已定度移相器移相器相位相位平衡平衡指示器指示器 通過調(diào)節(jié)移相器使通過調(diào)節(jié)移相器使u1和和u2相位達(dá)到平衡，并用相位相位達(dá)到平衡，并用相位平衡指示器指示，移相器的平衡指示器指示，移相器的相位增量為相位增量為u1和和u2的相位差。的相位差。UiUoRC0 / 2 相位滯后，調(diào)節(jié)相位滯后，調(diào)節(jié)范圍：范圍：UiUoRC0 / 2 相位超前，調(diào)節(jié)相位超前，調(diào)節(jié)范圍：范圍：UiUoRCRC0 相位超前和滯后，相位超前和滯后，調(diào)節(jié)范圍：調(diào)節(jié)范圍：8.3 脈沖參數(shù)測量脈沖參數(shù)測量8.3.1 脈沖參數(shù)的定義脈沖參數(shù)的定義Abdcftrtf90%50%10%Mt Mb A脈沖幅度，脈沖幅度，A=M

13、t-Mb ；tr上升時(shí)間；上升時(shí)間；tf 下降時(shí)間；下降時(shí)間；d 脈沖預(yù)沖；脈沖預(yù)沖；b 脈沖上沖；脈沖上沖；c 衰減振蕩幅度；衰減振蕩幅度；e 脈沖頂部傾斜；脈沖頂部傾斜；Aw 脈沖頂部不平坦度。脈沖頂部不平坦度。f 脈沖下沖；脈沖下沖； 脈沖寬度；脈沖寬度； T 脈沖周期；脈沖周期； /T 脈沖占空比脈沖占空比； 8.3.2 脈沖參數(shù)測量方法脈沖參數(shù)測量方法8.3.2.1 脈沖幅值測量脈沖幅值測量1. 峰值檢波法測量脈沖幅值峰值檢波法測量脈沖幅值uiuoucR1VD2CN1- -+N2- -+VuRR2u- -VD1同相型峰值檢波電路同相型峰值檢波電路(P142圖圖5-25) 當(dāng)輸入信號(hào)未

14、達(dá)到最大值時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)變當(dāng)輸入信號(hào)未達(dá)到最大值時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)變化；當(dāng)輸入信號(hào)從最大值下降時(shí)，輸出信號(hào)保持在最大值?；划?dāng)輸入信號(hào)從最大值下降時(shí)，輸出信號(hào)保持在最大值。 當(dāng)當(dāng) ui uo時(shí)，時(shí)，N1(反相加法器反相加法器)輸出輸出uo10，VD1斷，斷，VD2通，通，C充電，充電，uo跟蹤跟蹤ui變化變化采樣過程；采樣過程； 當(dāng)當(dāng) ui uo時(shí)，時(shí)，N1(反相加法器反相加法器)輸出輸出uo10.7V時(shí)，時(shí)，V和和VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，C1充電，使之在充電，使之在脈沖持續(xù)期間脈沖持續(xù)期間tk內(nèi)充電至內(nèi)充電至Um。同時(shí)。同時(shí)G1工作，工作，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，C2也充電至也充電至Um ，即，即Uc2Uc1=Um； 當(dāng)當(dāng)Ui下降沿下降沿比較電平時(shí)，比較電平時(shí)，N1輸出高電平，經(jīng)輸出高電平，經(jīng)脈沖形成電路產(chǎn)生正脈沖觸發(fā)門控電路翻轉(zhuǎn)成高電平，主脈沖形成電路產(chǎn)生正脈沖觸發(fā)門控電路翻轉(zhuǎn)成高電平，主閘門打開，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；閘門打開，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)； 當(dāng)輸入信號(hào)下降沿當(dāng)輸入信號(hào)下降沿 比較電平時(shí)，比較電平時(shí)，N2輸出高電平，經(jīng)輸出高電平，經(jīng)脈沖形成電路產(chǎn)生正脈沖觸發(fā)門控電路翻轉(zhuǎn)成低電平，主脈沖形成電路產(chǎn)生正脈沖觸