天大測控電路講義 第八章

測控電路第八章電量測量電路第一節(jié)頻率測量

第二節(jié)相位測量第三節(jié)脈沖參數(shù)測量返回上一頁下一頁被測量可以分為電量和非電量：（非電量）電量（電壓或電流）直接或經(jīng)過調(diào)理后由電壓或電流表測量大多數(shù)數(shù)字電壓或電流表通常將電壓或電流轉(zhuǎn)換為頻率（或時間）測量本章包括頻率、相位和脈沖參數(shù)的測量頻率是周期性發(fā)生事件在單位時間內(nèi)重復(fù)的次數(shù)；頻率和時間測量屬于同一測量范疇。常見方法有：計數(shù)器法、示波器法測量原理：在高精度測量中，常見的是以高穩(wěn)定度的頻率源為標(biāo)尺，通過以計數(shù)器原理為核心的測量系統(tǒng)去測量被測頻率；在低頻段常用測量信號周期的方法來測定信號的頻率。第一節(jié)頻率測量8.1.1計數(shù)器法一種將未知頻率或時間間隔與已知頻率或時間間隔進行比較，從而實現(xiàn)對位置頻率進行測量的一種電子測量系統(tǒng)。被測頻率=計數(shù)結(jié)果/主閘門開啟時間；單位時間內(nèi)通過主閘門的脈沖個數(shù)（即被測信號頻率）：計數(shù)器測量頻率的標(biāo)尺，為計數(shù)器提供已知的頻率或時間間隔根據(jù)時基發(fā)生器輸出的控制信號，控制由輸入信號形成的計數(shù)脈沖序列進入計數(shù)器組件一般為十進制計數(shù)器，用來對被測脈沖進行累加計數(shù)并顯示計數(shù)器及其電路晶體振蕩器電路：十進制分頻器

作用：將晶體振蕩器輸出頻率進行多級除以10的計算，通過閘門時間控制開關(guān)，選擇其中某級分頻輸出，作為閘門控制電路的輸入信號。

分頻器根據(jù)閘門時間設(shè)置將輸出信號頻率減小為原來的10-n，n為10進制除法器的計數(shù)。例如晶振輸出頻率為5MHz，分頻器共有7級，由閘門時間設(shè)置將分頻器設(shè)為第3級，則時基發(fā)生器的輸出頻率為5M×10-3=5kHz，閘門開啟時間為0.2ms.計數(shù)器測量頻率的誤差誤差來源：量化誤差（計數(shù)誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差1.量化誤差：門控信號與輸入信號不同步導(dǎo)致計數(shù)器產(chǎn)生±1個計數(shù)誤差。被測頻率為：

——被測頻率（Hz）； ——計數(shù)結(jié)果；

——閘門開啟的時間； ——內(nèi)部晶振輸出頻率； ——分頻器分頻系數(shù)。由計數(shù)誤差所導(dǎo)致的頻率測量誤差為：為了減小測量誤差，需要增大閘門時間，目前大多數(shù)計數(shù)器的最大閘門時間為10s，通常設(shè)為1s。在高頻信號測量中量化誤差相對影響較小，在低頻情況下，一般通過適當(dāng)選擇測量信號周期，以減小量化誤差影響。主閘門開啟時間T0越大，計數(shù)N就越多，相對誤差就越小。計數(shù)器測量頻率的誤差誤差來源：量化誤差（計數(shù)誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差2.標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差：由時基電路引起的時基誤差。通常要求時基誤差比量化誤差小一個數(shù)量級，所以在誤差分析中不用考慮時基誤差。8.1.2示波器法分為直接測量和頻率對比兩類方法。直接測量：利用示波器顯示被測信號波形，讀出信號周期，從而獲取其頻率。測量精度較低。頻率對比法：將被測信號與一頻率與其接近的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率進行對比，用示波器測量其差頻。1、直接測量法6個周期為7.93cm，時基信號為0.1ms/cm，則信號頻率為：2、頻率對比法在示波器的水平和垂直輸入端分別施加正弦信號，兩信號頻率相同，有一固定相位差，即

——基準(zhǔn)信號

——被測信號熒光屏上利薩如曲線為一橢圓，即若A為橢圓的垂直截距，B為垂直最大值，則有當(dāng)兩信號存在微小頻差時，橢圓形狀將發(fā)生周期性變化，變化周期數(shù)等于兩信號頻差的倒數(shù)，頻率比對法利用了這一特性。設(shè)兩信號頻差，重復(fù)變化n次所用時間為T，則有為了提高測量精度，可以先將被測信號與一頻率和它接近的基準(zhǔn)振蕩器頻率相比，將它們的差頻倍增后，在進行比對。8.1.3低頻信號周期和頻率的測量低頻信號頻率測量時，將圖8-1中的被測量信號與晶體振蕩器交換位置，且去掉分頻器，為什么？【當(dāng)被測量信號頻率較低時，則在主閘門開啟的時間里，無脈沖或較少脈沖進入計數(shù)器，使之無法測量、誤差較大?！坑帽粶y量信號控制主閘門S的開關(guān)，而晶體振蕩器輸出的高頻信號經(jīng)過主閘門S進入計數(shù)器進行計數(shù)。這時直接測量的是周期信號，頻率可通過換算得到。第二節(jié)相位測量相位測量通常指兩個同頻率信號相位差的測量。能同時進行線性系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性測量的儀器稱為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。相位測量通常有補償測量法、直讀法、示波器法等。8.2.1直讀法一、直讀法原理：將被測相位轉(zhuǎn)變成電壓或電流，通過測量電壓或電流實現(xiàn)測量相位的目的

1.相敏檢波法相加式相敏檢波電路用于調(diào)幅信號解調(diào)時，要求參考信號uc的幅值Ucm遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號us的幅值Usm，使開關(guān)器件的通斷完全由參考信號決定；而在用于相位測量時，作用在兩個二極管VD1和VD2的電壓分別為U1=Uc+Us和U1=Uc-UscausT1C1VD1VD2C2R1R2RPuoT2us1+–edbus2+uc+––相加式半波相敏檢波電路當(dāng)Ucm=Usm時，討論，輸出電壓K是半波（或全波）整流器的整流系數(shù)2、脈沖變換法原理：要求被測信號幅度大于某一量值，然后將正弦信號變換為脈沖信號，通過測量兩脈沖信號的相位實現(xiàn)相位測量。與上述方法不同的是指示器讀數(shù)與信號幅值無關(guān)。u1u2經(jīng)放大整形成兩個矩形波電壓b1b2，b1b2相加后送入均值電壓表檢波器，檢波電流的均值正比于合成電壓寬度，正比于均值電壓表讀數(shù)與被測信號相位差。二、計數(shù)器法原理：設(shè)兩個頻率為f的正弦信號的相位差為φ，當(dāng)u1正渡越零電平時，經(jīng)通道1放大、整形，輸出正脈沖u1′，使作為門控電路的雙穩(wěn)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，打開計數(shù)器閘門，標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號發(fā)生器輸出的頻率為f0的脈沖通過閘門進入計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)u2正渡越零時，計數(shù)停止。計數(shù)結(jié)果N與閘門打開時間的關(guān)系為：

與被測信號周期T及、之間的相位差的關(guān)系為兩信號相位差與計數(shù)結(jié)果N成正比，缺點是測量結(jié)果和被測信號頻率有關(guān)。另外，計數(shù)器也可以測量頻率信號，所以可以利用兩次測量完成相位差測量。將通道或加到輸入端。當(dāng)或第一次由負(fù)到正跨越零電平時，計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)或第二次負(fù)到正跨越零電平時，計數(shù)器停止計數(shù)。則計數(shù)結(jié)果。所以

為了直接以度數(shù)顯示被測相位，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號的頻率等于被測信號頻率的3.6×10n倍。例如某數(shù)字相位計中脈沖信號發(fā)生器的頻率，則被測信號相位差為三、比較法原理：在u1、u2中一路信號通道上加移相器，通過調(diào)節(jié)移相器改變此路信號的相位，使兩路信號相位達(dá)到平衡，并用相位平衡指示器指示出來，相位平衡指示器可以采用前面介紹的鑒別相位的各種原理。移相器施加的相位增量即為兩路信號的相位差。第三節(jié)脈沖參數(shù)的測量8.3.1脈沖參數(shù)的定義脈沖幅度A脈沖上升時間tr脈沖下降時間tf脈沖的預(yù)沖Sd脈沖的上沖Sb脈沖的下沖Sf衰減振蕩幅度Sc脈沖寬度τ衰減振蕩幅度c脈沖周期T脈沖占空比τ/T脈沖頂部傾斜e脈沖頂部不平坦度Aw根據(jù)參數(shù)可以確定脈沖波形的特性。當(dāng)脈沖頂部嚴(yán)重失真時，無法確定脈沖幅度，可采用密度分布統(tǒng)計平均法和密度分布眾數(shù)法來定義。密度分布統(tǒng)計平均法：以測定脈沖波形瞬時幅值出現(xiàn)的概率分布平均數(shù)為依據(jù)，按統(tǒng)計平均法求出幅值（頂值）。密度分布眾數(shù)法：以測定脈沖波形瞬時頂值出現(xiàn)的概率分布眾數(shù)（概率最大）為基礎(chǔ)，即Mt=概率最大的幅值眾數(shù)。8.3.2脈沖參數(shù)測量的方法脈沖參數(shù)測量包括脈沖幅值、脈沖寬度、上升時間、下降時間、占空比以及重復(fù)頻率等參數(shù)的測量。8.3.2.1脈沖幅值測量1.峰值檢波法測量脈沖幅值：利用峰值保持電路的基本特性，在輸入信號未達(dá)到最大值時輸出信號跟蹤輸入信號大??；當(dāng)輸入信號從最大值下降時，輸出信號保持在最大值出，直到輸入信號幅值大于先前所保持的峰值，輸出才繼續(xù)跟蹤輸入，直到新的峰值。同向型峰值比較器對Ui的正峰值進行保持（比較器+跟隨器）N1∞UiUoUCR1VDSCN2∞反向型峰值保持電路，對輸入信號的負(fù)峰值進行保持（反相加法電路+跟隨器）VD2導(dǎo)通，電路處于跟隨狀態(tài)VD2截止，電路處于保持狀態(tài)2.脈沖保持電路測量脈沖電壓作用：將被測脈沖的峰值加以保持、展寬，提高測量精度。8.3.2.2脈沖寬度的測量脈沖寬度：離頂值50%處兩點的時間間隔測量實質(zhì)：時間間隔的測量（1）示波器法：最簡單、最容易，由于視覺誤差，精度低。