第5章数字测量方法课件.ppt

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1、第5章数字测量方法,第5章数字测量方法,5.1 电压测量的数字化方法5.2 多用型数字电压表5.3 时间和频率的测量,第5章数字测量方法,第5章数字测量方法,重点：电压测量DVM的类型DVM的测量误差频率测量电子计数式频率计的原理及误差分析难点：DVM的类型频率测量的误差分析,5.1 电压测量的数字化方法,5.1.1 DVM的特点5.1.2 DVM的主要类型5.1.3 DVM的测量误差5.1.4 DVM的抗干扰分析,5.1 电压测量的数字化方法(续),直流DVM的组成框图,核心,4.1.1 DVM的特点,前提：在自动化和快速的前提下发展,1、数字显示,2、准确度高,3、测量范围宽,5、速度快,

2、4、分辨力高,6、输入阻抗高,7、抗干扰能力强,位数超量程,消除视觉误差,位数越多，准确度越高,5.1.1 DVM的特点(续),2、测量范围,位数超量程,位数,A、完整显示位能够显示0 9数字,B、非完整显示位,a.半位（1/2）只能显示0、1数字,b.3/4位只能显示0 5数字,例：下面的最大显示数字分别是：,4位,位,位,5.1.1 DVM的特点(续),2、测量范围,位数超量程,超量程,A、基本量程未经放大或衰减的量程，由A/D决定的,B、扩展量程经过放大或衰减（10倍）的量程,例：基本量程为5V的DVM，扩展量程有0.5V、50V、500V,若：该DVM是 位，则5V量程可测到5.999

3、V,5.1.1 DVM的特点,前提：在自动化和快速的前提下发展,1、数字显示,2、准确度高,3、测量范围宽,5、速度快,4、分辨力高,6、输入阻抗高,7、抗干扰能力强,位数超量程,消除视觉误差,位数越多，准确度越高,可测弱信号，如话筒输出电压,5.1.1 DVM的特点(续),4、分辨力,表灵敏度,定义能够显示被测电压的最小变化值,例S1842：最小量程Vm20mV， 位,表示用最小量程末位对应的电压值表示（V/字）,则可测最大电压为19.999mV,因此，此DVM的分辨力是0.001mV/字。,5.1.1 DVM的特点(续),分辨率,特点用百分数表示，与量程无关，比较直观。,表示：,同上例,也

4、可：,5.1.1 DVM的特点,前提：在自动化和快速的前提下发展,1、数字显示,2、准确度高,3、测量范围宽,5、速度快,4、分辨力高,6、输入阻抗高,7、抗干扰能力强,位数超量程,消除视觉误差,位数越多，准确度越高,可测弱信号，如话筒输出电压,几次上千次,5.1.2 DVM的主要类型,DVM以A/D转换方式分类：比较型直接转换反馈比较式逐次比较型（*）无反馈比较式积分型间接转换UTNUFN,（单斜式、双斜式（*） 、三斜式）,5.1.2 DVM的主要类型(续),一、逐次比较型DVM的工作原理,原理：UN大者弃，小者留,1、原理框图,UN,5.1.2 DVM的主要类型(续),一、逐次比较型DV

5、M的工作原理,UN,2、A/D转换器原理框图,5.1.2 DVM的主要类型(续),一、逐次比较型DVM的工作原理,A/D转换器原理分析,以4位为例，设Uref10V，UX8.5V,CLK=1，1000,1保留,CLK=2，1100,1保留,1000,1100,5.1.2 DVM的主要类型(续),一、逐次比较型DVM的工作原理,CLK=3，1110,1舍弃,记为0,CLK=4，1101,最后，8.5V转化成数字信号1101,1保留,1110,1100,1101,5.1.2 DVM的主要类型(续),一、逐次比较型DVM的工作原理,3、特点分析,测量速度,准确度,与输入信号无关，而与A/D位数及时钟

6、频率有关,与位数有关，位数越多误差越小,n位分辨率：,抗干扰性,差，响应的是瞬时信号,5.1.2 DVM的主要类型(续),二、双斜积分式DVM的工作原理,1、基本原理：,2、组成框图：,通过两次积分过程(对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分)的比较，得到被测电压值。,包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路,5.1.2 DVM的主要类型(续),二、双斜积分式DVM的工作原理,2、组成框图：,5.1.2 DVM的主要类型(续),二、双斜积分式DVM的工作原理,3、工作过程：,准备阶段,采样阶段,比较阶段,设Ux为正，计数容量为N1，时钟周期为T0,准确阶段t0t1,U00,采样阶段,采

7、样阶段t1t2,对积分器反向积分，时间为T1，计数N16000,T1N1T0,被测电压的平均值,比较阶段,比较阶段t2t3,对积分器正向积分，直到Uo0，时间为T2，计数N2,5.1.2 DVM的主要类型(续),二、双斜积分式DVM的工作原理,3、工作过程：,设Ux为正，时钟周期为T0,T2N2T0,对积分器正向积分，直到Uo0，时间为T2，计数N2,定值积分,比较阶段t2t3,5.1.2 DVM的主要类型(续),二、双斜积分式DVM的工作原理,4、特点分析：,测量速度慢,准确度高,双积分，T1n20ms；T为几十几百ms，与Ux有关,取决于基准电压Uref的准确度和稳定度，与RC无关,抗干扰

8、性强,成本低,响应的是平均值信号,对R、C及时钟参数的稳定度和准确度要求不高,5.1.2 DVM的主要类型(续),三、两种DVM的性能比较,5.1.3 DVM的测量误差,DVM误差包含：固有误差（*）表示在一定测量条件下DVM本身所固有的误差，它反映了DVM的性能指标。影响误差指测量环境的变化（如温度漂移）和测量条件（如被测电压的等效信号源内阻）所引起的测量误差。,5.1.3 DVM的测量误差(续),一、固有误差的表示：,或,读数误差主要包含转换误差（或刻度误差）,满度误差主要包含量化误差、0点偏移，与Ux无关,二、固有误差的来源：,5.1.3 DVM的测量误差(续),二、固有误差的来源：,转

9、换误差包含： 输入衰减/放大器（设传递系数分别为k1和k2）、 模拟开关（传递系数k3） A/D转换器（传递系数k4）的转换特性。,则可将DVM的输入Ux到最终转换结果N视为一个由k1k4的多级级连系统，表示为：,转换系数,K与刻度有关。理论上k为常数，但由于各器件的非理想性，必定存在误差。,5.1.3 DVM的测量误差(续),DVM转换特性曲线,5.1.3 DVM的测量误差(续),三、固有误差的计算,例1： 有一台4位半的DVM,量程为2V，固有误差为（0.01%Vx1字），试用满度误差表示DVM测量的固有误差。,5.1.3 DVM的测量误差(续),三、固有误差的计算,例2： 有一台4位半的

10、DVM测量直流电压1.5V，分别用2V和200V的量程，已知两档的固有误差分别为（0.025%Vx1个字）和（0.03%Vx1个字） ，问这两种情况的固有误差？,同样是1个字误差，不同量程引起的固有误差也不相同,5.1.3 DVM的测量误差(续),三、固有误差的计算,例3： 用3位半的DVM的20V量程分别测量5.00V和15.00V的电压，已知该仪表的准确度为（0.1%读数+1字），试计算DVM测量的固有误差。,3位半、20V量程，可得1字相当于0.01V。,5.1.4 DVM的抗干扰分析,一、干扰的分类串模干扰干扰信号Usm以串联形式叠加到被测信号Ux上而产生的误差。共模干扰干扰信号Ucm

11、同时作用于DVM的两个测量输入端。,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),二、串模干扰的来源串模干扰的来源被测信号源本身例：直流稳压电源输出就存在纹波干扰引线感应进来的工频（50Hz）或高频干扰如雷电或无线电发射引起的空中电磁干扰干扰信号可从直流、低频到超高频；可以是周期性的或非周期性的，可以是正弦波或非正弦波（如瞬间的尖峰脉冲干扰），甚至完全是随机的。 各种干扰信号中，50Hz的工频干扰是最主要的干扰源。,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),三、干扰的误差分析串模干扰抑制比（SMR）,SMR越大，则抗干扰能力越强，一般为2060dB；积分型的SMR较大，因其响应被测信号的平均值。,5.1.

12、4 DVM的抗干扰分析(续),三、干扰的误差分析串模干扰抑制比（SMR）以积分型为例,干扰信号：,显示误差：,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),SMR随干扰信号f的增大而增大，危害主要在低频； T1越大，则SMR越大； 主要危害是工频50Hz，因此T120n（ms）,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),四、共模干扰的来源共模干扰的来源被测电压本身（被测电压是一个浮置电压）如：测量一个直流电桥的输出被测电压与DVM相距较远，被测电压与DVM的参考地电位不相等。,共模干扰电压也分直流电压和交流电压两类。 共模干扰电压可能很大，如上百伏甚至上千伏。,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),五、干

13、扰的误差分析共模干扰,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),五、干扰的误差分析,共模干扰电压Ucm转换为DVM的H、L端的串模干扰电压,令Ux=0,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),五、干扰的误差分析共模干扰抑制比（CMR）,将Ucm引入在Rs、 r1、 r2上的压降转换成串模干扰,原理：,公式：,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),ZiZ2， I2I1，忽略I1，则：,低端与机壳间的阻抗,低端信号线电阻,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),抑制共模干扰的措施：浮置测量：将DVM的接地端浮置，即不与机壳地连接，DVM接地端到机壳之间为绝缘电阻Z2,DVM浮置测量的输入等效电路,ZiZ2

14、,Z2rcm+ r2,5.1.4 DVM的抗干扰分析(续),一般CMR为86120dB；,双端对称测量,其他措施：浮置双端对称测量，屏蔽与隔离,5.2 时间和频率的测量,5.2 时间和频率的测量(续),电子计数器的分类按功能分：*通用计数器： 可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。,5.2 时间和频率的测量(续),5.2.1 时间和频率标准5.2

15、.2 电子计数式频率计原理5.2.3 通用计数器的基本组成和工作方式5.2.4 误差分析,5.2.1 时间和频率标准,一、时间与频率的原始标准 1、天文时标 2、原子时标二、 石英晶体振荡器 1、组成 2、指标,5.2.1 时间和频率标准(续),一、时间与频率的原始标准 1、天文时标,世界时（UT,Universal Time）:以地球自转1天确定的时间，即 1/(246060)=1/86400为1秒。 其误差约为107量级。,历书时（ET）：以地球绕太阳公转1年的31556 925.9747分之一为1秒。 参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达109 。,5.3.1 时

16、间和频率标准(续),一、时间与频率的原始标准 2、原子时标,基本原理：原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的：,h为普兰克系数,5.3.1 时间和频率标准(续),一、时间与频率的原始标准 2、原子时标,定义：1967年第13届国际计量大会规定： “秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”。起点：原子时的时刻起点为1958年1月1日0时。准确度：510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。,5.2.1 时间和频率标准(续),一、时间与频率的原始标准 2、原子时标,铯原

17、子钟：大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。,5.3.1 时间和频率标准(续),一、时间与频率的原始标准 2、原子时标,铯原子钟：大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。,铷原子钟：准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。,氢原子钟：短期稳定度高：10-1410-15，但准确度较低10-12 。,5.2.1 时间和频率标准(续),二、 石英晶体振荡器,电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通

18、晶体频率准确度为10-5。采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。,5.2.1 时间和频率标准(续),二、 石英晶体振荡器1、组成,4.3.1 时间和频率标准(续),二、 石英晶体振荡器2、指标,通过分频或倍频得到测周的时标和测频的闸门时间。,5.2.2 电子计数式频率计原理,N,闸门时间,fx,工作过程,5.3.4 误差分析,一、测频误差,1、量化误差,5.2.3 误差分析(续),一、测频误差,2、标频误差,测频总误差：,减少误差措施：,采用优质晶振,测高频, 低频用测周法, T增大，即增大闸门时间,闸门时间尽量选择大些,5.2.4 通用计数器的基本组成和工作方式,1、测周基本组成,3、 误差分析(续),（1）、测周误差,减少误差措施：,采用优质晶振,测低频,m增大，即多周期测量,多周期测量,分频系数,5.3.4 误差分析(续),（2）、中界频率fm,使测频和测周的误差相同的频率，即：,或,5.3.4 通用计数器的基本组成和工作方式,测频率比基本组成,5.2.4 通用计数器的基本组成和工作方式,工作方式,测频,测周,测频比,作业P148150,5.4，5.65.11，5.14 ，5.15,