第4章数字测量方法课件

第第4章章数字测量方法数字测量方法导论导论电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法直流数字电压表直流数字电压表多用型数字电压表多用型数字电压表频率的测量频率的测量时间的测量时间的测量相位的测量相位的测量电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学1.结合图结合图4.1-1分析数字仪表的结构及直流分析数字仪表的结构及直流DVM的组成。的组成。2.了解了解DVM的特点。的特点。3.了解了解DVM的主要类型的主要类型，结合图，结合图4.1-5能阐述逐次比较能阐述逐次比较式式DVM的电路组成和工作原理；结合图的电路组成和工作原理；结合图4.1-7能分析能分析和叙述和叙述U-T积分型积分型DVM的组成和工作原理。的组成和工作原理。4.了解了解DVM的测量误差内容，并能计算习题的测量误差内容，并能计算习题。5.结合图结合图4.2-1能分析和叙述直流数字电压表的组成和能分析和叙述直流数字电压表的组成和工作过程。工作过程。6.多用型数字电压表的组成。多用型数字电压表的组成。一、本章内容一、本章内容电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学一、本章内容一、本章内容7.能分析能分析AC-DC转换器，转换器，R-U转换器，转换器，I-U转换器的组转换器的组成和工作过程成和工作过程。8.结合图结合图4.4-2和图和图4.4-3，掌握电子计数式频率计的工掌握电子计数式频率计的工作原理，能详细分析工作过程作原理，能详细分析工作过程。9.能详细分析测频方面的测量误差能详细分析测频方面的测量误差，包括：，包括：（1）量化误差量化误差1误差误差（2）标准频率误差标准频率误差10.测量时间、相位的工作原理，能详细分析其测量误测量时间、相位的工作原理，能详细分析其测量误差差。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学二、重点二、重点与与难点难点重点1.U-T 积分型积分型DVM的组成和工作原理的组成和工作原理2.电子计数式频率计的工作原理电子计数式频率计的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学数字量是信号幅度随时间做离散型变化数字量是信号幅度随时间做离散型变化的物理量。的物理量。目前，电子测量仪器正向量程扩目前，电子测量仪器正向量程扩大化，集成化模块化、智能化、虚拟化、网大化，集成化模块化、智能化、虚拟化、网络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。而这些发展趋势的核心是而这些发展趋势的核心是数字化数字化。因此，。因此，必必须学习和掌握数字化测量方法。须学习和掌握数字化测量方法。无论高档还无论高档还是低档仪器，数字化越来越普及。是低档仪器，数字化越来越普及。第4章数字测量方法数字量是信号幅度随时间做离散型变化数字量是信号幅度随时间做离散型变化的物理量。的物理量。目前，电子测量仪器正向量程扩目前，电子测量仪器正向量程扩大化，集成化模块化、智能化、虚拟化、网大化，集成化模块化、智能化、虚拟化、网络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。而这些发展趋势的核心是而这些发展趋势的核心是数字化数字化。数字量是信号幅度随时间做离散型变化数字量是信号幅度随时间做离散型变化的物理量。的物理量。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学随着微电子技术的发展，数字电路的成本越随着微电子技术的发展，数字电路的成本越来越低。来越低。随着各类仪器装上了随着各类仪器装上了CPU，数字化仪器数字化仪器比模拟仪器的功能更强，精度更高，应用更方便比模拟仪器的功能更强，精度更高，应用更方便灵活，能用数字测量方法就不用模拟测量方法灵活，能用数字测量方法就不用模拟测量方法。可以将今后的仪器归纳成一个简单的公式：可以将今后的仪器归纳成一个简单的公式：“仪器仪器=AD/DA+CPU+软件软件”，A/D芯片将模拟信芯片将模拟信号变成数字信号，再经过号变成数字信号，再经过CPU及软件处理变换后及软件处理变换后由由D/A输出输出。A/D芯片是数字化测量的核心器件，芯片是数字化测量的核心器件，要掌握的内容是要掌握的内容是A/D转换器的基本原理，检测方法转换器的基本原理，检测方法及应用领域等。及应用领域等。第4章数字测量方法电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学数字化测量将连续的将连续的模拟量模拟量转换成断续的转换成断续的数字量数字量，进行，进行编码、存储、显示及打印编码、存储、显示及打印等。等。方便进行数字化测量的量l直流电压直流电压数字电压表数字电压表l频频率率电子计数器电子计数器第4章数字测量方法电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学数字万用表 电阻、电压、电流、电容、温度电阻、电压、电流、电容、温度电子计数器 频率、周期、时间间隔频率、周期、时间间隔数字示波器 波形及其参数显示、存储波形及其参数显示、存储其他数字化仪器第4章数字测量方法电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学数字式仪表的结构数字式仪表的结构数字式仪表的结构框图数字式仪表的结构框图被测量转为被测量转为直流电压直流电压被测量转为被测量转为频率频率被测量转为被测量转为数字数字电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学输入输入电路电路A/D转换器转换器数字数字显示器显示器逻辑控逻辑控制电路制电路时钟时钟发生器发生器Ux4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法直流电压表（DigitalVoltageMeterDVM）由模拟部分和数字两部分电路构成模拟部分模拟部分数字部分数字部分直流直流DVM的组成原理框图的组成原理框图电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法4.1.1 DVM的特点数字显示数字显示消除视觉误差消除视觉误差准确度高准确度高测量误差小，准确度达测量误差小，准确度达10-7，灵敏度达，灵敏度达V测量范围测量范围量程，位数，超量程能力量程，位数，超量程能力分辨力高分辨力高达达V级级测量速度快测量速度快达达s级级输入阻抗高输入阻抗高一般一般10M，最高达，最高达10G抗干扰能力强抗干扰能力强串模、共模串模、共模电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法由于由于DVM的灵敏度很高，因而对外部干扰的抑制的灵敏度很高，因而对外部干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。外能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。外部干扰可分为部干扰可分为串模干扰串模干扰和和共模干扰共模干扰两种两种。(1)串模干扰串模干扰串模干扰是指干扰电压串模干扰是指干扰电压Usm以串联形式与被测电压以串联形式与被测电压Ux迭加后加到迭加后加到DVM输入端，见图输入端，见图4.1.2。图图4.1.2串模干扰串模干扰图图(a)表示串模干扰来自表示串模干扰来自被测信号源内部，图被测信号源内部，图(b)表示串模干扰是由于测表示串模干扰是由于测量引线受外界电磁场感量引线受外界电磁场感应所引起的。应所引起的。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法DVM对串模干扰的对串模干扰的抑制能力用串模抑制比抑制能力用串模抑制比（SMR）来表示）来表示图图4.1.3串模干扰电压波形串模干扰电压波形电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法(2)共模干扰共模干扰图图4.1.4共模干扰示意图共模干扰示意图当被测信号源地端与当被测信号源地端与DVM机壳机壳间存在电位差即共模干扰电压间存在电位差即共模干扰电压Ucm时，将产生干扰电流时，将产生干扰电流I1和和I2，分别串入两根信号引线，由，分别串入两根信号引线，由于于(R1+Z1)(R2+Z2)，所以，所以Ucm的作用等效于信号通道中的串的作用等效于信号通道中的串联干扰源而对测量结果发生影联干扰源而对测量结果发生影响。响。用用DVM进行测量时的共模干扰如图进行测量时的共模干扰如图4.1.4所示。图中所示。图中Z1和和Z2是是DVM两个输入端与机壳间的绝缘阻抗，一般两个输入端与机壳间的绝缘阻抗，一般Z1Z2,R1和和R2是测量引线的电阻。是测量引线的电阻。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法DVM对共模干扰的抑制能力用共模抑制比对共模干扰的抑制能力用共模抑制比(CMR)来表示来表示电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法4.1.2 DVM的主要类型各类各类DVM的主要区别在于的主要区别在于A/D转换的方式不同，转换的方式不同，按其工作原理主要分为：按其工作原理主要分为：比较型比较型和和积分型积分型两大类。两大类。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1.2 DVM的主要类型1.逐次比较型逐次比较型DVM的工作原理的工作原理图图4.1.5逐次比较型逐次比较型DVM原理框图原理框图电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学1.逐次比较型逐次比较型DVM的工作原理的工作原理图图4.1.6逐次比较型逐次比较型A/D转换器原理框图转换器原理框图逐次比较逐次比较A/D的工的工作原理非常类似于天平作原理非常类似于天平称质量过程称质量过程(因而也叫因而也叫称量法称量法)。它利用对分它利用对分搜索原理，依次按二进搜索原理，依次按二进制递减规律减小，从数制递减规律减小，从数字码的最高位字码的最高位(MSB，相相当于满度值当于满度值FS的一半的一半)开始，逐次比较到低位，开始，逐次比较到低位，使使Uo逐次逼近逐次逼近Ux。4.1.2 DVM的主要类型电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学1.逐次比较型逐次比较型DVM的工作原理的工作原理4.1.2 DVM的主要类型逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器结构简单、精度高、速度结构简单、精度高、速度快快，但，但抗干扰性能差抗干扰性能差。2.积分式积分式DVM的工作原理的工作原理积分型积分型A/D转换器是一种间接转换器：首先对输转换器是一种间接转换器：首先对输入的模拟电压通过积分器变成时间（入的模拟电压通过积分器变成时间（T）或频率）或频率（F）等中间量，再把中间量转换成数字量。根据中）等中间量，再把中间量转换成数字量。根据中间量的不同分为间量的不同分为U-T式和式和U-F式。式。双斜积分式双斜积分式DVM属于属于U-T变换型。变换型。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理(a)基本原理框图基本原理框图(b)图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVM4.1.2 DVM的主要类型电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(b)工作波形工作波形图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVM4.1.2 DVM的主要类型(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(a)基本原理框图基本原理框图(b)图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVM(b)工作波形工作波形图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVM工作过程分工作过程分三个阶段：三个阶段：w准备阶段准备阶段（t0t1）：）：“逻辑控制逻辑控制”使开关使开关S4闭合，闭合，其他开关断开，其他开关断开，积分器输入接积分器输入接地，积分器清地，积分器清零；零；4.1.2 DVM的主要类型(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(b)工作波形工作波形图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVMw准备阶段（准备阶段（t0t1）w采样阶段采样阶段（t1t2）：）：“逻辑控制逻辑控制”使开关使开关S1闭合，其他开关断开，输闭合，其他开关断开，输入信号入信号Ux（设（设Ux0）送入积分器，进行）送入积分器，进行反向积分。同时，计数器反向积分。同时，计数器仍以仍以T0为时钟计数。至为时钟计数。至t3时，积分器输出时，积分器输出uo2=0，此，此时计数器的计数值为时计数器的计数值为N2。4.1.2 DVM的主要类型(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(b)工作波形工作波形图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVMw准备阶段（准备阶段（t0t1）w采样阶段（采样阶段（t1t2）w比较阶段比较阶段（t2t3）：）：t3时，积分器输出时，积分器输出uo2=0，此时，此时计数器的，此时，此时计数器的计数值为计数值为N2。有。有4.1.2 DVM的主要类型(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(b)工作波形工作波形图图4.1.7双斜积分式双斜积分式DVMw准备阶段（准备阶段（t0t1）w采样阶段（采样阶段（t1t2）w比较阶段比较阶段（t2t3）：）：4.1.2 DVM的主要类型若取若取UN=N1，则，则Ux=N2。可见，适当地选择时钟周可见，适当地选择时钟周期期T0和取样时间和取样时间T0，以及，以及基准电压基准电压UN，可以使计数，可以使计数器的计数值直接对应被测器的计数值直接对应被测电压值。电压值。(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1.2 DVM的主要类型此种方法构成的仪表的准确度主要取决于基准电压此种方法构成的仪表的准确度主要取决于基准电压此种方法构成的仪表的准确度主要取决于基准电压此种方法构成的仪表的准确度主要取决于基准电压U UN N的准确度和稳定度，而与积分器的参数基本无关。且的准确度和稳定度，而与积分器的参数基本无关。且的准确度和稳定度，而与积分器的参数基本无关。且的准确度和稳定度，而与积分器的参数基本无关。且两次积分对同一脉冲源两次积分对同一脉冲源两次积分对同一脉冲源两次积分对同一脉冲源T T0 0计数，从而降低了对脉冲源稳计数，从而降低了对脉冲源稳计数，从而降低了对脉冲源稳计数，从而降低了对脉冲源稳定性的要求。此外，积分可以有效消除各种干扰电压的定性的要求。此外，积分可以有效消除各种干扰电压的定性的要求。此外，积分可以有效消除各种干扰电压的定性的要求。此外，积分可以有效消除各种干扰电压的影响，尤其是工频干扰（由于积分时间为工频周期影响，尤其是工频干扰（由于积分时间为工频周期影响，尤其是工频干扰（由于积分时间为工频周期影响，尤其是工频干扰（由于积分时间为工频周期20ms20ms的整倍数），所以具有良好的抗干扰能力。的整倍数），所以具有良好的抗干扰能力。的整倍数），所以具有良好的抗干扰能力。的整倍数），所以具有良好的抗干扰能力。但其测量但其测量但其测量但其测量速度较低速度较低速度较低速度较低，一个测量周期约为几十，一个测量周期约为几十，一个测量周期约为几十，一个测量周期约为几十至至至至一百一百一百一百毫秒。毫秒。毫秒。毫秒。总之：总之：总之：总之：U U-T T双斜积分式双斜积分式双斜积分式双斜积分式DVMDVM具有具有具有具有抗干扰能力强、稳抗干扰能力强、稳抗干扰能力强、稳抗干扰能力强、稳定性好、测量准确度高、成本较低定性好、测量准确度高、成本较低定性好、测量准确度高、成本较低定性好、测量准确度高、成本较低等优点，是目前较多等优点，是目前较多等优点，是目前较多等优点，是目前较多使用的方法。使用的方法。使用的方法。使用的方法。(1)双斜积分式双斜积分式DVM的工作原理的工作原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.1.2 DVM的测量误差DVM的固有误差通常用绝对误差表示，其表示方法的固有误差通常用绝对误差表示，其表示方法主要有两种主要有两种其中其中Ux为测量示值，为测量示值，Um为该量程满度值，为该量程满度值，aUx称为读数称为读数误差，误差，bUm称为满度误差（它与被测电压大小无关，而与称为满度误差（它与被测电压大小无关，而与所取量程有关）。当量程选定后，显示结果末位所取量程有关）。当量程选定后，显示结果末位1个字所代个字所代表的电压值也就一定，因此满度误差通常用正负几个字表表的电压值也就一定，因此满度误差通常用正负几个字表示。示。DVM的测量误差的测量误差电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学例例2用用4位位SX1842DVM测量测量1.5V电压，分别用电压，分别用2V档档和和200V档测量，已知档测量，已知2V档和档和200V档固有误差分别为档固有误差分别为0.025%Ux1个字和个字和0.03%Ux1个字。问：两种情况下由个字。问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少固有误差引起的测量误差各为多少?解：解：该该DVM最大显示为最大显示为19999，所以，所以2V档和档和200V档档1个个字分别代表字分别代表4.1.2 DVM的测量误差用用2V档和档和200V档测量时的示值相对误差分别为档测量时的示值相对误差分别为电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学例例2用用4位位SX1842DVM测量测量1.5V电压，分别用电压，分别用2V档档和和200V档测量，已知档测量，已知2V档和档和200V档固有误差分别为档固有误差分别为0.025%Ux1个字和个字和0.03%Ux1个字。问：两种情况下由个字。问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少固有误差引起的测量误差各为多少?解：解：4.1.2 DVM的测量误差可见，不同量程可见，不同量程“1个字个字”误差对测量结果影响不一样，误差对测量结果影响不一样，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小。被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小。测量时须选择合适的量程！测量时须选择合适的量程！电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学DVM的术语的术语DVM的测量范围包括的测量范围包括显示位数显示位数、量程划分量程划分和和超量程超量程能力能力，还可包括量程的选择方式是手动、自动或遥控等。，还可包括量程的选择方式是手动、自动或遥控等。uDVM的测量范围的测量范围l显示位数：显示位数：能显示测量值有效数字的位数，能显示测量值有效数字的位数，显示位数显示位数越越大，大，DVM的分辨力越高。的分辨力越高。显示位显示位又分为完整显示位和非又分为完整显示位和非完整显示位。完整显示位每位均显示完整显示位。完整显示位每位均显示09的数字；显示屏的数字；显示屏的最高位若不能显示到数字的最高位若不能显示到数字9，则该位称为非完整显示位，则该位称为非完整显示位，一般为一般为01，称为半位或，称为半位或1/2，也有，也有03(称为称为3/4)、04(称称为为4/5)，如最大显示数为，如最大显示数为1999(或或19999)，就称为三位，就称为三位半半(或四位半或四位半)；最大显示数为；最大显示数为4999，称为三又五分之四，称为三又五分之四位。有些资料将非完整显示位统称为半位位。有些资料将非完整显示位统称为半位(1/2位位)。非完整显示位反映非完整显示位反映DVM的超量程能力。的超量程能力。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学DVM的术语的术语DVM的测量范围包括的测量范围包括显示位数显示位数、量程划分量程划分和和超量程超量程能力能力，还可包括量程的选择方式是手动、自动或遥控等。，还可包括量程的选择方式是手动、自动或遥控等。uDVM的测量范围的测量范围l显示位数显示位数l量程：量程：DVM的量程是以基本量程（即的量程是以基本量程（即A/D变换器的输变换器的输入电压范围，误差最小）为基础，通过步进分压器或入电压范围，误差最小）为基础，通过步进分压器或前置放大器向高低两端扩展。基本量程通常为前置放大器向高低两端扩展。基本量程通常为1V或或10V，也有，也有2V或或5V等其他值。等其他值。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学DVM的术语的术语DVM的测量范围包括的测量范围包括显示位数显示位数、量程划分量程划分和和超量程超量程能力能力，还可包括量程的选择方式是手动、自动或遥控等。，还可包括量程的选择方式是手动、自动或遥控等。uDVM的测量范围的测量范围l显示位数显示位数l量程量程l超量程能力：超量程能力：以测量数据超过量程后，以测量数据超过量程后，DVM的不换档的不换档显示能力来定义显示能力来定义超量程能力。超量程能力。对于对于3位半位半DVM，若其量程为，若其量程为1V，则该，则该DVM有有超量程能超量程能力（力（100%），若其量程为），若其量程为2V，则该，则该DVM没有没有超量程能超量程能力。力。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学1.单片单片CMOS双积分式双积分式A/D转换器转换器7106，7107，7116，MC14433，71352.由由A/D转换器为主体构成的数字电压表转换器为主体构成的数字电压表4.2直流数字电压表直流数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.2直流数字电压表直流数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.2直流数字电压表直流数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.2直流数字电压表直流数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学1.交流电压交流电压-直流电压（直流电压（AC-DC）转换器）转换器4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学1.交流电压交流电压-直流电压（直流电压（AC-DC）转换器）转换器4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学2.精密全波检波电路精密全波检波电路4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学3.电阻电阻-直流电压（直流电压（R-U）转换器）转换器4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.直流电流直流电流-直流电压（直流电压（R-U）转换器）转换器4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学5.用数字面板表测直流电流用数字面板表测直流电流4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学5.用数字面板表测直流电流用数字面板表测直流电流4.3多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4频率的测量频率的测量在电子领域，在电子领域，频率频率与与电压电压一样是基本的参数。一样是基本的参数。一方面，通过一方面，通过V/F转换，将电压（或其他参数）转换，将电压（或其他参数）转换为频率，通过频率测量来测量电压；另一方转换为频率，通过频率测量来测量电压；另一方面，许多场合要求信号的频率参数，必须测量频面，许多场合要求信号的频率参数，必须测量频率。率。频率测量方法也有模拟式和数字式。目前模频率测量方法也有模拟式和数字式。目前模拟式已经很少采用，基本都采用数字式。拟式已经很少采用，基本都采用数字式。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学时频测量的特点u最常见和最重要的测量时间是时间是7个个基本国际基本国际单位之一单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在电子学和，时间、频率是极为重要的物理量，在电子学和其他领域都离不开时频测量。其他领域都离不开时频测量。u具有动态性质时光在时光在流逝流逝u测量准确度高时间频率基准时间频率基准具有具有最高准确度最高准确度（可达（可达10-14），），校准校准（比对）方便，因而数字化时频测量（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。可达到很高的准确度。u应用范围广由于时频测量具有很高的准确度，由于时频测量具有很高的准确度，许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。u自动化程度高、测量速度快易于易于数字化数字化。4.4频率的测量频率的测量电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学时间和频率的定义4.4频率的测量频率的测量u时间有两个含义时刻：即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；时间间隔：即某个事件相对于某一时刻持续了多久。即某个事件相对于某一时刻持续了多久。u频率的定义周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s）内的变化次数（周期数）。）内的变化次数（周期数）。如果在一定如果在一定时间间隔时间间隔T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N次次，则频率，则频率可表达为：可表达为：f=N/Tu时间与频率的关系：可以互相转换电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.1 标准频率源原始标准应具有原始标准应具有恒定不变性恒定不变性。频率和时间互为倒数，其标准具有频率和时间互为倒数，其标准具有一致性一致性。宏观宏观标准和标准和微观微观标准标准宏观标准：宏观标准：基于天文观测；基于天文观测；微观标准：微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。基于量子电子学，更稳定更准确。时间和频率的原始标准u天文时标u原子时标电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.1 标准频率源时间和频率的原始标准世界时（UT，UniversalTime）:由天文观测得到的，由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时。以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时。u零类世界时（UT0）：以以地球自转周期地球自转周期(1天天)确定的时间，确定的时间，即即1/(24 60 60)=1/86400为为1秒。其误差约为秒。其误差约为10-6量级。量级。u第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。轴微小位移）作修正得到。u第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为响自转速率）作修正得到。准确度为3 10-8。u历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的年）的31556925.9747分之一为分之一为1秒。参考点为秒。参考点为1900年年1月月1日日0时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达1 10-9。1960年第年第11届国际计量大会接受届国际计量大会接受ET“秒秒”为时间标准。为时间标准。天文时标电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.1 标准频率源时间和频率的原始标准基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；观测时间长；观测时间长；准确度有限。准确度有限。原子时标（AT）的基本原理（量子电子学基础）原子时标原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。有或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。有hfn-m=En-Em式中，式中，h=6.625210-27为普朗克常数，为普朗克常数，En、Em为受激态的为受激态的两个能级，两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学时间和频率的原始标准1967年年10月月，第，第13届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了秒的新秒的新定义：定义：“秒是秒是铯铯133（Cs133）原子）原子基态的两个超精细结构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能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期个周期的时间的时间”。以此为标准定义出的时间标准称为以此为标准定义出的时间标准称为原子时秒原子时秒。1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，时间单位秒由天文秒改为原物标准过渡到原子自然标准，时间单位秒由天文秒改为原子秒，准确度提高了子秒，准确度提高了45个量级，达个量级，达510-14（相当于相当于62万万年年1秒秒），并仍在提高，这是所有其他物理量标准所远远），并仍在提高，这是所有其他物理量标准所远远不能及的。不能及的。原子频标的基本原理4.4.1 标准频率源原子时标电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学时间和频率的原始标准4.4.1 标准频率源世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，世界时和原子时之间互有联系，可以精确运算，但不能彼此取代，各有各的用处。但不能彼此取代，各有各的用处。原子时原子时只能提供准确的只能提供准确的时间间隔，时间间隔，而而世界时世界时考虑考虑了了时刻时刻（年、月、日、时、分、秒）和（年、月、日、时、分、秒）和时间间隔时间间隔。协调世界时（UTC）协调世界时秒是原子时和世界时协调世界时秒是原子时和世界时折中折中的产物，即的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。用闰秒的方法来对天文时进行修正。这样，既摆脱了天文定义，又使准确度提高这样，既摆脱了天文定义，又使准确度提高45个数量级个数量级。现在，各国标准时号发播台所发送的就是现在，各国标准时号发播台所发送的就是世界协调时世界协调时。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学高度准确的标准频率和时间信号主要是通过无高度准确的标准频率和时间信号主要是通过无线电波的发射和传播，提供给使用部门的。线电波的发射和传播，提供给使用部门的。我国的我国的中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立中国计量科学院、陕西天文台、上海天文台都建立了地方原子时，参加了国际原子时（了地方原子时，参加了国际原子时（ATI），与全世），与全世界界200多台原子钟多台原子钟联联网进行加权修正网进行加权修正，作为我国时间作为我国时间标准标准通过通过广播广播电视信号和因特网电视信号和因特网发布发布。时间和频率的原始标准4.4.1 标准频率源协调世界时（UTC）电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.2 电子计数式频率计的原理1.时间基准的产生时间基准的产生电子计数器电子计数器内部时间、频率基准内部时间、频率基准采用采用石英晶体振石英晶体振荡器（简称荡器（简称“晶振晶振”）产生。由产生。由内部内部晶体振荡器晶体振荡器（也（也可可外接外接），通过），通过倍频或分频倍频或分频得到。得到。内部基准的准内部基准的准确度，一般要求高确度，一般要求高于所要求的测量准于所要求的测量准确度一个数量级。确度一个数量级。普通晶振稳定度为普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达，恒温晶振达10-710-9。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.2 电子计数式频率计的原理2.计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理被测信号经过放大整形，转变为计数脉冲，作为闸门被测信号经过放大整形，转变为计数脉冲，作为闸门的输入信号。门控电路输出的门控信号控制闸门的启闭。的输入信号。门控电路输出的门控信号控制闸门的启闭。在闸门开启期间计数电路对脉冲进行计数。在闸门开启期间计数电路对脉冲进行计数。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.2 电子计数式频率计的原理在已知的标准时间内累计未知的待测输入信号的在已知的标准时间内累计未知的待测输入信号的脉冲的个数，实现频率的测量。脉冲的个数，实现频率的测量。2.计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学闸门的开门时间可以改变，即时基脉冲周期不闸门的开门时间可以改变，即时基脉冲周期不是固定不变，可以选择。是固定不变，可以选择。闸门打开时间为闸门打开时间为1s，被测信号经整形后通过闸，被测信号经整形后通过闸门的脉冲数若有门的脉冲数若有100000个，即被测信号的频率个，即被测信号的频率f=100000Hz，则显示读数为，则显示读数为100000，单位为，单位为Hz。如果测量时所取时基为如果测量时所取时基为0.1s，即闸门打开，即闸门打开0.1s的时间，这时计数器的读数为的时间，这时计数器的读数为10000，显然，这一，显然，这一数值乘以数值乘以10才是才是1s内通过闸门的脉冲数，即被测频内通过闸门的脉冲数，即被测频率率f=1000010=100000Hz。4.4.2 电子计数式频率计的原理2.计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学为了使为了使N值能直接表示值能直接表示fx：小数点自动向右移一位小数点自动向右移一位注意：注意：显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率率测量的分辨力（应等于时基频率f）。）。闸门时间闸门时间Ts为为频率测量的采样时间，频率测量的采样时间，T愈大，则测量时间愈长，但计数愈大，则测量时间愈长，但计数值值N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。4.4.2 电子计数式频率计的原理T=1sN=100,000kHz0000.01N=10,000T=0.1skHz000.012.计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.3 频率计数器的组成电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学(1)输入单元：输入电路的作用是将被测信号（或控制输入电路的作用是将被测信号（或控制信号）进行放大整形，然后送往主闸门（或控制电路）。信号）进行放大整形，然后送往主闸门（或控制电路）。输入电路通常有输入电路通常有A、B、C三个独立的通道。三个独立的通道。(2)十进制电子计数器：它的任务是对来自闸门的脉冲它的任务是对来自闸门的脉冲进行计数，并将计数结果以数字形式显示出来。进行计数，并将计数结果以数字形式显示出来。(3)时基信号产生与变换单元：用来产生多个时基信号，用来产生多个时基信号，满足不同频率范围的测量需要。满足不同频率范围的测量需要。(3)时基信号产生与变换单元：用来控制计数器的工作用来控制计数器的工作程序程序准备准备计数计数显示显示复零复零准备下一次测量准备下一次测量4.4.3 频率计数器的组成电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学首先将被测信号，如首先将被测信号，如正弦信号、三角波、锯齿正弦信号、三角波、锯齿波等波形，通过脉冲形成波等波形，通过脉冲形成电路，转换成脉冲，其重电路，转换成脉冲，其重复频率等于被测信号频率复频率等于被测信号频率fx。然后将它加到主闸门然后将它加到主闸门的输入端。主闸门由标准的输入端。主闸门由标准门控信号门控信号uD来控制其开、来控制其开、闭时间，只有在主闸门开闭时间，只有在主闸门开通时间通时间T内，被计数的脉内，被计数的脉冲冲uE才能通过主闸门送到才能通过主闸门送到十进制计数器进行计数，十进制计数器进行计数，从而得到所测的频率。从而得到所测的频率。4.4.3 频率计数器的组成电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学电子计数器面板及控键示意图电子计数器面板及控键示意图电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.4 高精度10MHz频率计电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学放大及限幅电路放大及限幅电路限幅限幅放大放大电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.5 脉冲累计的测量累加计数的测量原理累加计数是用于直接统计累加计数是用于直接统计所取时间内的脉冲数。所取时间内的脉冲数。如右如右图图所示，将被测信号所示，将被测信号送入送入A通道，经过放大整形通道，经过放大整形后输入到人工控制的闸门。后输入到人工控制的闸门。闸门的开启时间由手动控制，即从闸门的开启时间由手动控制，即从“启动启动”到到“停止停止”的转换所用的时间决定。的转换所用的时间决定。在闸门开启时间内闸门输出脉冲，再送入计数器，由在闸门开启时间内闸门输出脉冲，再送入计数器，由计数器直接积累出脉冲总数，完成累加计数。计数器直接积累出脉冲总数，完成累加计数。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.6 用计数式频率计测量频率比测量频率比原理 频率比是指频率比是指A、B二信号频率的二信号频率的fA与与fB之比，即之比，即fA/fB。将将频率较低的信号由频率较低的信号由B通道输入，经过放大通道输入，经过放大整形电路后去触发门整形电路后去触发门控双稳态电路，产生控双稳态电路，产生的门控脉冲打开闸门的门控脉冲打开闸门，打开时间为打开时间为TB，是，是B信号的一个周期；信号的一个周期；将频率较高的信号由将频率较高的信号由A通道输入，经放大整形后送到闸门输通道输入，经放大整形后送到闸门输入端，由闸门输出送入计数器直接计数，计数为入端，由闸门输出送入计数器直接计数，计数为TB时间内时间内A信号的脉冲个数信号的脉冲个数N，NTA=TB，即频率比即频率比N=fA/fB。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学例如：以例如：以B通道信号的通道信号的10个周期作为闸门信号，个周期作为闸门信号，则计数值为则计数值为N=10TB/TA=10fA/fB，即计数值扩大了，即计数值扩大了10倍，倍，相应的测量精度也就提高了相应的测量精度也就提高了10倍。为得到真实结果，需将倍。为得到真实结果，需将计数值计数值N缩小缩小10倍（小数点左移倍（小数点左移1位），即位），即fA/fB=N/10。应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。注意：频率较注意：频率较高高者由者由A通道输入，频率较通道输入，频率较低低者由者由B通道输入。通道输入。提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：扩展扩展B通道信号的周通道信号的周期个数期个数。4.4.6 用计数式频率计测量频率比电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.7 误差分析由计数式测频原理（由计数式测频原理（f=N/T）及误差传递公式，有）及误差传递公式，有由于由于量化误差量化误差和和标准频率误差标准频率误差的符号之间没有联系，的符号之间没有联系，因此应按照最坏情况考虑，则因此应按照最坏情况考虑，则电子计数法电子计数法的的测频误差测频误差为为量化误差量化误差标准频率误差标准频率误差电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.7 误差分析1.量化误差 在测频时，由于标准闸在测频时，由于标准闸门时间与被测信号脉冲之间门时间与被测信号脉冲之间没有必然的联系，它们在时没有必然的联系，它们在时间关系上是完全任意的，这间关系上是完全任意的，这就造成在闸门时间相同的情就造成在闸门时间相同的情况下，计数器所得的数却不况下，计数器所得的数却不一定相同一定相同，在显示器的末位，在显示器的末位将产生将产生1的误差，称为的误差，称为量化量化误差误差，也称为，也称为计数误差计数误差或或1误差误差。电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.7 误差分析1.量化误差 量化误差的特点：无论无论N为多少，为多少，其最大误差总是其最大误差总是1个量化单位。个量化单位。T：闸门时间闸门时间fx：被测频率被测频率由上式可见，由上式可见，当当fx一定时，增大闸门时间一定时，增大闸门时间T可减小可减小1误差。误差。但增大但增大T也降低了测量速度。也降低了测量速度。fx越越低低，由，由1误差误差引起的测引起的测频误差越频误差越大大。所以对于低频信号，不宜直接测频，应采取。所以对于低频信号，不宜直接测频，应采取测其周期再求倒数的方法得到频率参数。测其周期再求倒数的方法得到频率参数。量化误差的相对值为量化误差的相对值为电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学4.4.7 误差分析2.标准频率误差 闸门时间闸门时间T由晶振信号经分频产生，因此晶振频率由晶振信号经分频产生，因此晶振频率fc（标准频率）的误差或变化，将引起（标准频率）的误差或变化，将引起T产生误差，称为标准产生误差，称为标准频率误差或闸门时间误差。频率误差或闸门时间误差。量化误差的相对值为量化误差的相对值为电子计数法测频的总误差为电子计数法测频的总误差为电子测量与仪表（电子测量与仪表（Electronic Measurement and Instruments）西南科技大学西南科技大学将计数式测频框图中晶振标准频率信号和输入被测信将计数式测频框图中晶振标准频率信号和输入被测信号的位置对调。被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉号的位置对调。被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其宽度等于被测信号的周期冲信号，其宽度等于被测信号的周期Tx。晶体振荡器的输晶体振荡器的输出或经倍频后得到频率为出或经倍频后得到频率为fs的标准信号，其周期为的标准信号，其周期为Ts，加于，加于主门输入端，在闸门时间主门输入