1、第4章 数字化电测仪表,授课老师：,第4章 数字化电测仪表,41 概述 42 频率、周期的数字化测量 43 相位的数字化测量 44 电压的数字化测量 45 电阻、电容的数字化测量 46 单相有功功率的测量 47 微机化仪表,41 概述,4.1.1 数字化测量技术的发展 世界上第一台数字式仪表于1952年在美国诞生。我国数字仪表的研制始于1958年。近六十年来，随着电子技术与计算技术的飞速发展，数字式仪表与数字测量技术获得了迅速的发展。,412 数字式仪表的结构,413 数字式仪表的特点,与模拟式指示仪表相比，数字式仪表有以下优点： (1)准确度高。 (2)输入阻抗高。 (3)灵敏度高。 (4)
2、测得结果直接以数字形式给出，无读数误差，且记录方便。 (5)测量速度快。 (6)测量过程自动化。 (7)操作简单。,数字式仪表的缺点是： (1)由于采用了大量的电子元件，其结构比模拟式指示仪表复杂得多。 (2)不便于观察动态过程，不直观。 (3)价格较高。 (4)需要有较高水平的技术人员维修。,414 数字式仪表的分类,(1)按显示位数分 可分为三位、四位、五位、六位和七位等。 (2)按准确度分 低准确度：在0.1%以下； 中准确度：在0.01%以下； 高准确度：在0.01%以上。 (3)按测量速度分 低速：几次/秒几十次/秒； 中速：几百次/秒几千次/秒； 高速：几万次/秒以上。,(4)按使
3、用场合分 标准型：它的精度高，对环境条件要求比较严格，适宜于实验室条件下使用或作为标准仪器使用。 通用型：它具有一定的精度，对环境条件要求比较低，适用于现场测量。 面板型：它的精度低，对环境条件要求比较低，是面板上使用的指示仪表。 (5)按测量的参数分 可分为直流电压表、交流电压表、功率表、频率表相位表、电路参数表和万用表等等。,42 频率、周期的数字化测量,421 电子计数器的原理 422 用电子计数器测量频率 423 用电子计数器测量周期 424 时间间隔的测量 425 测量频率比 426 电子计数器的误差,421 电子计数器的原理,电子计数器也称为频率计，可以用来记录脉冲的个数、测量频率
4、、频率比、周期和时间间隔等参数,电子计数器原理框图,(1)输入通道 输入通道包括放大、整形电路。各种被测信号(如正弦波、三角波、锯齿波等)经过放大、整形后转换成矩形脉冲信号，然后在主闸门的控制下进入十进制计数器。 (2)时间基准电路 由晶体振荡器和分频器组成。石英晶体振荡器产生稳定的时钟信号，经过分频后可以得到一系列周期已知的标准信号。这些信号可以作为计数器的标准计数脉冲(填充脉冲)，也可以作为各种时间基准，控制计数器的门电路。 (3)控制电路 控制电路在所选择的基准时间内打开主闸门，允许整形后的被测脉冲信号输入到计数器中。 (4)计数器和显示器 对控制门输出的信号进行计数，并显示计数值。,4
5、22 用电子计数器测量频率,用电子计数器测量频率的方法如图4.2.1所示 :,计数器的脉冲个数:,可见，可以通过改变开门时间的方法来改变频率计的量限。,测量频率的波形图,423 用电子计数器测量周期,测量周期的原理框图,假设计数器计得的数为 ，被测周期为 ，若未经分频直接用开启控制门，则进入计数器的脉冲的个数为,即,若 ,用 控制计数器的开启，则计数器计得的 数 为,即,测量周期的波形图,424 时间间隔的测量,测量时间间隔的电路框图,用开门时间内计数器计得的标准脉冲个数来度量时间间隔,测量时间间隔的波形图,425 测量频率比,测量频率比的原理框图,426 电子计数器的误差,(1)测量频率的误
6、差 (2)测量周期的误差,(1)测量频率的误差,被测频率由主闸门的开启时间和这段时间内计数器的计数值所决定，其关系为 :,测量频率的相对误差为：,表示测量误差的式(4.2.9)可以写成：,电子计数器的量化误差,计数器计数时产生的相对误差 ：,(2)测量周期的误差,根据式(4.2.5)可得电子计数器测量周期的相对误差表达式为,式(4.2.12)所表示的测量周期的误差公式可以写成：,(4.2.12),触发电平漂移引起的误差,触发时间的最大值,最小值为,43 相位的数字化测量,431 相位测量原理 432 相位-时间式数字相位计,431 相位测量原理,相位的数字化测量主要采用过零鉴相法,过零鉴相法测
7、量相位的波形图,设两个同频率信号的周期为 ，相位差为 ，两信号波形过零点的时间差为 ，则存在下列关系式,所以,432 相位-时间式数字相位计,相位-时间式相位计框图,标准脉冲数,设信号 和 的周期为 ，则有：,将 代入式(4.3.3)，得：,相位-时间式相位计波形图,令 ，则,44 电压的数字化测量,电压的数字化测量可以由直流数字电压表来实现。直流数字电压表是一种通用的电子仪器，它的功能很全，应用非常广泛。,直流数字电压表的原理框图,4.4.1 逐位逼近比较式数字电压表 4.4.2 电压-时间变换型数字电压表 4.4.3 电压频率型(Uf)数字电压表,4.4.1 逐位逼近比较式数字电压表,这种
8、电压表的准确度主要取决于基准源、数/模转换器和比较器的性能指标。其突出特点是速度快；但是，由于与标准电压比较的是被测电压的瞬时值，没有能力去识别被测电压中是否混有交变的干扰信号，故抗干扰能力较差。,4.4.2 电压-时间变换型数字电压表,(1)单斜率式,电压-时间变换型单斜率式数字电压表原理框图,单斜率式电压-时间变换原理,单斜率式电压表U-T变换波形图,设计数器在上述过程中记录下 的脉冲数相当于时间 T，则：,(2)双斜率积分式,(b)波形图,(a)原理线路,电压时间变换型双斜率积分式数字电压表原理,积分器反方向充电电压：,时刻 ：,可以解得,将这一结果代入式(4.4.2)，可得,把 ， 代
9、入式(4.4.5)，可得 ：,该电压表的特点为,准确度主要取决于基准电压，而与积分器的元件参数R、C基本无关。 由于测得的结果是被测电压在时间段内的平均值，故混入被测电压信号中的交流干扰成分通过积分被削弱。 由于积分作用，所以测量速度比较慢。 受基准电压和时钟频率稳定性等条件的限制，其测量准确度不可能高过 0.01%。 (3)脉宽调制(PWM)积分式,(3)脉宽调制(PWM)积分式,脉宽调制积分式数字电压表原理框图,脉宽调制式数字电压表中脉宽调制部分信号波形,若 ，则：,对于这种数字式电压表，同样根据积分电容C在一个周期时间T内充、放电电荷量相等，可得,这种电压表的特点为 积分时间可取为工业电
10、源信号周期的整数倍，所以，抗干扰能力强； 在一个周期内积分四次，非线性误差小； 速度较慢。,4.4.3 电压频率型(Uf)数字电压表,电压-频率转换原理 (a)电路原理框图 (b)信号波形,积分器有输出电压：,在 时间里，电容C获得的电量为,它被这段时间里产生的标准电荷脉冲电量 所中和，即,所以,45 电阻、电容的数字化测量,451 电阻的数字化测量 452 电容的数字化测量,451 电阻的数字化测量,用比例运算法测量电阻,(1)比例运算法,用四端纽接法测量小电阻,(2)比率法,根据已知的标准电阻值，即可求出被测电阻为：,根据双积分A/D的原理，可得：,将式(4.5.3)代入式(4.5.4),
11、得,则有：,452 电容的数字化测量,(1)容抗法,容抗法测量电容的原理框图,由电容器的容抗 ，可得：,为了消除其它频率的干扰，设带通滤波器和交直流转换 器的转换系数为 ，于是,(2)脉宽调制法,该方法是利用被测电容器的充放电过程，调制一定频率的脉冲波形， 使其占空比与 成正比。然后，经过滤波器电路检出其直流电压，送到A/D转换器中。有些便携式数字万用表的电容测试电路，就采用这种方案。这种方法的缺点是准确度不高，而且每次测量前需要调零。因此，新型数字万用表普遍采用容抗法测量电容。,46 电功率的数字化测量,采用时间分割式乘法器的数字功率表原理框图,转换成时间间隔 和之差，即,经过整理，得,46
12、1 单相有功功率的测量,一个节拍方波T内的平均值为：,将式(4.6.2)代入式(4.6.3)，得：,则有：,时间分割式乘法器的信号波形,47 微机化仪表,微机化仪表具有以下特点 : (1)用软件控制测量过程。(2)具备数据处理。 (3)多功能化。,471 带微处理器的仪表 472 采样计算式仪表,471 带微处理器的仪表,智能仪器的原理结构,由于增加了微处理器，电测仪表增加的功能: （1）自动校准 （2）零漂电压的校正 （3）多次采样平均值测量法,（1）自动校准,用给定基准对智能仪器作自动校准，将测得的误差存储起来，在测量值中扣除此系统误差，将有助于提高测量的准确性。,自校准测试电压,输出电压
13、,由以上三式可以得到,即,（2）零漂电压的校正,智能仪表中常用直流零位校正。首先，测量输入端短路时输出端的直流电压，将其存入存储器中。在实际测量时，微处理器对每次测定值进行数据处理，从测定值中扣除直流零电压的影响。这种方案广泛应用于各种数字电压表中。,（3）多次采样平均值测量法,多次采样平均值测量法原理示意图,472 采样计算式仪表,1.采样方法 (1)直流采样法 (2)交流采样法 同步采样法 (i)硬件同步采样法 (ii)软件同步采样法 准同步采样法 非整周期采样谐波分析法 非同步采样法,2计算方法,(1)按定义计算,电压的有效值,根据,计算平均功率的公式为：,(2)频谱分析法：频谱分析就是
14、把各种电压、电流等信号，通过傅里叶变换，变换到频率域上进行分析。,设 为有限长信号系列，长度为 点，其离散傅里叶变 换的正变换为：,反变换为,正反变换记为：,有限长信号系列功率谱为,(3)正弦波参数法,在电气测试中，常常要测量电流与电压之间的相位差。,(4)数字相关法,设被测信号为,将第二路信号按和角公式展开为,所以,注意到：,所以,将式(4.7.27)和式(4.7.26)离散化得,473 虚拟仪器,1. 定义 虚拟仪器就是通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储和分析处理。,虚拟仪器与传
15、统仪器的比较,2产生和分类,电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代： 模拟仪器 数字化仪器 智能仪器 虚拟仪器,虚拟仪器分为五种类型,(1)PC总线插卡式虚拟仪器。 (2)并行口式虚拟仪器。 (3)GPIB总线式虚拟仪器。 (4)VXI总线式虚拟仪器。 (5)PXI(PCI Extensions for Instrumentation)总线式虚拟仪器。,3体系结构,(1)虚拟仪器的硬件系统,虚拟仪器的硬件系统一般可以分为计算机硬件平台和仪器硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站和嵌入式计算机等。计算机管理虚拟仪器的硬、软件资源，是虚拟仪器硬件的基础。
16、计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络及总线标准方面的发展，直接导致了虚拟仪器的飞速发展。仪器硬件与计算机硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号。 按仪器硬件的不同，虚拟仪器可以分为PC插卡式、GPIB、VXI、PXI和并行口式等标准体系结构。其中，对大多数用户来说，PC插卡式虚拟仪器既实用又有较高的性价比。PC插卡是基于计算机标准总线的内置(如ISA和PCI等)或者外置(如USB等)功能插卡，其核心主要是数据采集卡。,(2)虚拟仪器的软件系统,虚拟仪器技术最核心的思想就是利用计算机的硬、软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)，从而最大限度地降低系统的成本，增强系统的功能和灵活性。所以，软件是虚拟仪器的关键。 软件开发平台 仪器驱动程序 I/O结构软件 通用数字处理软件,
