1、1第第1717章章 电学量测量技术电学量测量技术 17.1 17.1 电压的测量电压的测量17.2 17.2 电流的测量电流的测量17.3 17.3 阻抗的测量阻抗的测量17.4 17.4 功率的测量功率的测量17.5 17.5 频率频率/时间周期时间周期/相位差的测量相位差的测量17.6 17.6 磁场的测量简介（选讲）磁场的测量简介（选讲）217.0 电测法与电测仪表分类电测法与电测仪表分类电学量测量方法分类：电学量测量方法分类：直读直读(或偏转或偏转)法法特点：准确度决定仪表精度等级特点：准确度决定仪表精度等级 比较比较(较量较量)法法 特点：标准量直接参与测量过程特点：标准量直接参与测
2、量过程电学量测量仪表分类：电学量测量仪表分类：指针式、电子式等模拟表指针式、电子式等模拟表 数字表（数字化测量）数字表（数字化测量）3电压测量是电量测量与非电量测量的基础；电压测量是电量测量与非电量测量的基础；电测量中，许多电量的测量可转化为电压测量电测量中，许多电量的测量可转化为电压测量表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率 电压，再进行测量电压，再进行测量 （数字测量）（数字测量）原因：标准量或基准源原因：标准量或基准源电压源！电压源！非电量测量中，物理量非电量测量中，物理量 电压信号，再进行测量。电压信
3、号，再进行测量。例如：温度、压力、振动、（加）速度例如：温度、压力、振动、（加）速度 物理量物理量时间时间/频率测量频率测量计数计数/测频测频?电压比较！电压比较！17.1 电压的测量电压的测量17.1.1 电压测量的重要性电压测量的重要性417.1.2 直流电压的测量直流电压的测量1)直流电压直流电压(数字数字)测量系统测量系统(数字表，数字表，DVM,DMM)(1)数字电压表（数字电压表（DVM）的结构：）的结构：DMM的结构？的结构？输输入入电电路路A A/D D转转换换器器数数字字显显示示器器逻逻辑辑控控制制电电路路时时钟钟发发生生器器模模拟拟部部分分数数字字部部分分Vx输入电路：对输
4、入电压衰减输入电路：对输入电压衰减/放大、变换、钳位等。放大、变换、钳位等。A/DA/D转换器：实现模拟电压到数字量的转换，核心部件转换器：实现模拟电压到数字量的转换，核心部件决定关键性能决定关键性能数字显示器：显示模拟电压的数字量结果；数字显示器：显示模拟电压的数字量结果；逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。17.1 电压的测量电压的测量517.1.2 直流电压的测量直流电压的测量(2)输入电路输入电路放大电路：放大电路：OP07OP07，1010倍倍衰减网络：衰减网络：1KV1KV200mV200mV输入电
5、路：放大、衰减、量程切换、钳位保护、滤波输入电路：放大、衰减、量程切换、钳位保护、滤波+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1RCRC有源滤波器：有源滤波器：(二阶低通滤波器二阶低通滤波器)基本量程？基本量程？17.1 电压的测量电压的测量617.1.2 直流电压的测量直流电压的测量(3)模数转换器模数转换器AD574AD574主要性能指标：主要性能指标：分辨率：分辨率：1212位（逐次比较）；位（逐次比较）；非线性误差：小于非线性误差：小于1/2LSB1/2LSB或或1LSB1LSB；转换速率：转换速率：25us25us；电压输入范围：电压输入范围：10V10V、20V20V、5V
6、5V和和10V10V；电源电压：电源电压：15V15V和和5V5V；数据输出格式：数据输出格式：1212位位/8/8位；位；其他类型其他类型ADCADC？17.1 电压的测量电压的测量7n显示位数显示位数n完整显示位：能够显示完整显示位：能够显示0-90-9的数字。的数字。n非完整显示位非完整显示位(俗称半位俗称半位)：只能显示：只能显示0 0和和1 1（最高位上）（最高位上）n例：例：4 4位电压表，具有位电压表，具有4 4位完整显示位，其最大显示数字位完整显示位，其最大显示数字为为99999999；n4 41 1/2 2位（位（4 4位半）电压表，具有位半）电压表，具有4 4位完整显示位，
7、位完整显示位，1 1位非完位非完整显示位，其最大显示数字为整显示位，其最大显示数字为1999919999。17.1.2 直流电压的测量直流电压的测量(4)直流数字电压表主要性能指标直流数字电压表主要性能指标8n量程量程n基本量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/DA/D转换转换器量程范围确定。器量程范围确定。n扩展量程扩展量程:对输入电压放大或衰减对输入电压放大或衰减(按按1010n n倍换档倍换档)。n分辨力分辨力n用每个字对应的电压值表示，即用每个字对应的电压值表示，即V/V/字或字或mV/mV/字。字。n不同量程上能分辨的最小电压变化的能力不
8、同，在不同量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，在最小量最小量程程(等于基本量程等于基本量程？)上有最高分辨力。上有最高分辨力。n例例:3:3位半的电压表，在位半的电压表，在200mV200mV最小量程上，可测最大输入最小量程上，可测最大输入电压为电压为199.9mV199.9mV，其分辨力为，其分辨力为0.1mV/0.1mV/字（当输入电压变化字（当输入电压变化0.1mV0.1mV时，显示的末尾数字将变化时，显示的末尾数字将变化“1 1个字个字”）。）。n如何由读数确定测量结果？如何根据被测量预估值和要求测电压？如何由读数确定测量结果？如何根据被测量预估值和要求测电压？17.1.2 直流电压
9、的测量直流电压的测量(4)直流数字电压表主要性能指标直流数字电压表主要性能指标917.1.3 交流电压的测量交流电压的测量1)交流电压的表征方法交流电压的表征方法峰值：以零电平为参考的最大电压幅值峰值：以零电平为参考的最大电压幅值 （用（用UpUp表示表示 ）。）。t tu(t)Vp0UmTU平均值：数学上定义平均值：数学上定义相当于交流电压相当于交流电压u(tu(t)的的直流分量直流分量01()TUu t dtT有效值：交流电压在一个周期有效值：交流电压在一个周期T T内，通过某纯电阻负载内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，所产生的热量，与一个直流电压在同一负载上产生的热量相等时，与一个直流
10、电压在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压的数值就表示了交流电压的有效值。则该直流电压的数值就表示了交流电压的有效值。201()TVu t dtT01()TUu t dtT从测量角度定义：从测量角度定义：10交流电压的交流电压的波形系数波形系数KF：FUKU交流电压的交流电压的波峰系数波峰系数KP：PPUKU 为表征同一信号的为表征同一信号的峰值峰值、有效值有效值及及平均值平均值的关系，引的关系，引入入波形系数波形系数及及波峰系数，波峰系数，以适应对交流的不同测量方法以适应对交流的不同测量方法。17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量1)交流电压的表征方法交流电压的表征方法11波峰系数和
11、波形系数波峰系数和波形系数*n对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若，若=2/Tn对对理想的正弦交流电压理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若，若=2/T21.41/2pppVKV(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量1)交流电压的表征方法交流电压的表征方法12（1）峰值检测电路）峰值检测电路 二极管峰值检波二极管峰值检波，有二极管串联，有二极管串联(a)(a)和并联和并联(b)(b)两种形式。两种形式。DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc原理：原理：通过二极管正向快速充电达到输入
12、电压的峰值，而通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极管反向截止时二极管反向截止时“保持保持”该峰值。该峰值。17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*13n充、放电时间常数要求充、放电时间常数要求:(Rs+rd)CTmax 式中，式中，Rs和和rd分别为等效信号源分别为等效信号源u(t)内阻和二极管正向导通电阻，内阻和二极管正向导通电阻，C为充电电容（并联式检波电路中为充电电容（并联式检波电路中C还起到隔直作用）还起到隔直作用），RL为为等效负载电阻，等效负载电阻，Tmin和和Tmax为为u(t)的最小和最大周期。的最小和最大周期。二极管
13、峰值检波电路工作原理：二极管峰值检波电路工作原理：峰值检波电路的输出存在较小的波动，其峰值检波电路的输出存在较小的波动，其平均值略小于实际峰值平均值略小于实际峰值。特点特点：检波器的输出电压和交流电压的峰值成正比，灵敏度较低，检波器的输出电压和交流电压的峰值成正比，灵敏度较低，为几十毫伏；为几十毫伏；测量上限取决于检波二极管的反向击穿电压。测量上限取决于检波二极管的反向击穿电压。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性。工作频率范围取决于检波二极管的高频特性。峰值电压表原理：峰值电压表原理：u u(t t)峰值检波峰值检波 放大放大 驱动表头驱动表头 17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量
14、2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*14（2）平均值检测电路）平均值检测电路原理：由二极管桥式整流电路完成。原理：由二极管桥式整流电路完成。形式：全波整流形式：全波整流(a)(a)和半波整流和半波整流(b)(b)。整流电路输出直流电流整流电路输出直流电流I I0 0的的平均值平均值与被测输入电压与被测输入电压u u(t(t)的的平均值平均值成正比；成正比；输出信号与输出信号与u u(t(t)的波形无关；的波形无关；电容电容C C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动。用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动。I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I017.1.3 交流电压的测量
15、交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*15n以全波整流电路为例，以全波整流电路为例，I I0 0的平均值为的平均值为 式中，式中，T为为u(t)的周期，的周期，rd和和rm分别为检波二极管的正向导通电分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度）。阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度）。n于是，于是，I0的平均值的平均值 与与u(t)的平均值的平均值 成正比。成正比。01()()22Todmdmu tu tIdtTrrrroI()u t（2）平均值检测电路）平均值检测电路-工作原理工作原理u(t)放大放大 均值检波均值检波
16、驱动表头驱动表头均值电压表原理：均值电压表原理：特点：特点：频率范围受放大器带宽限制，频率范围受放大器带宽限制，20Hz-10MHz；灵敏度受放大器噪声限制，可做到毫伏级。灵敏度受放大器噪声限制，可做到毫伏级。17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*16（3）有效值检测电路）有效值检测电路原理：原理：利用模拟利用模拟运算运算的集成电路检波方法，的集成电路检波方法，2()ut0TAu(t)Vrms201()TVu t dtT通过多级运算器级连实现：通过多级运算器级连实现：模拟乘法器（平方）模拟乘法器（平方）积分积分开方开方比例运算。比例运算。AD5
17、36AAD536A：真有效值真有效值-直流转换直流转换单片集成电路：单片集成电路：可将任复杂波形的真有效值转换成直流输出；可将任复杂波形的真有效值转换成直流输出；最大误差最大误差0.20.2；低功耗：低功耗：1.2mA1.2mA静态电流；静态电流；有效值压表的特点：有效值压表的特点：不受波形失真影响，但频率范围受转换器限制。不受波形失真影响，但频率范围受转换器限制。热电转换式测量法热电转换式测量法？17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*17（4）电压表的刻度特性和误差分析）电压表的刻度特性和误差分析*n当输入当输入u(t)为为正弦波正弦波时，时
18、，读数读数 即为即为u(t)的的有效值有效值V（不是该纯（不是该纯正弦波的峰值正弦波的峰值Vp）。）。n对于对于非正弦波非正弦波的任意波形，的任意波形，读数读数 没有直接意义（既不等于没有直接意义（既不等于其峰值其峰值Vp也不等于其有效值也不等于其有效值V）。但可）。但可由读数由读数换算出换算出峰值和峰值和有效值有效值。峰值电压表峰值电压表的刻度特性的刻度特性:电压表刻度特性：电压表刻度特性：各类电压表的示值都是各类电压表的示值都是按正弦波有效值定度按正弦波有效值定度！17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*18n换算关系归纳如下：换算关系归纳如
19、下：式中，式中，为峰值电压表读数，为峰值电压表读数，KpKp为波形的波峰因数。为波形的波峰因数。n波形误差：若将读数波形误差：若将读数 直接作为直接作为有效值有效值，产生的误差。，产生的误差。21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222ppppKKKK17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*（4）电压表的刻度特性和误差分析）电压表的刻度特性和误差分析*19（4）电压表的刻度特性和误差分析）电压表的刻度特性和误差分析*n输入输入u(t)为正弦波时，为正弦波时，读数读数 为为u(t)的的有效值有效值V，不是该正弦波的均
20、值，不是该正弦波的均值n对于非正弦波的任意波形，读数对于非正弦波的任意波形，读数 无无直接意义（既不等于其均值也不直接意义（既不等于其均值也不 等于其有效值）。但可由读数等于其有效值）。但可由读数 换算出均值和有效值。换算出均值和有效值。0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V均值电压表均值电压表的刻度特性的刻度特性:n换算关系归纳如下：换算关系归纳如下：式中，式中，为均值电压表读数，为均值电压表读数，K KF F为波形因数。为波形因数。n波形误差：若将读数波形误差：若将读数 直接作为直接作为有效值有效值，产生的误差，产生的误差0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK
21、17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*20有效值电压表的刻度特性有效值电压表的刻度特性:理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。（读数与波形无关）。（4）电压表的刻度特性和误差分析）电压表的刻度特性和误差分析*17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*21（5 5）实例分析）实例分析（选讲选讲）例例 用具有正弦有效值刻度的用具有正弦有效值刻度的峰值峰值电压表测量一个方波电压，读数为电压表测量一个方波电压，读数为 1.0V1.0V，问
22、如何从该读数得到方波电压的有效值？，问如何从该读数得到方波电压的有效值？解解 根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数=1.0V=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V=1.0V；第二步，该正弦波的峰值第二步，该正弦波的峰值=1.4V=1.4V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值V Vp p=1.4V=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因数第四步，查表可知，方波的波峰因数K Kp p=1=1，则该方波的有效值为：，则该方波的有效值为：V=VV=Vp
23、 p/K/Kp p=1.4V=1.4V。波形误差为：波形误差为：1 1.4100%29%1.4(可见，若不换算，波形误差是很大的可见，若不换算，波形误差是很大的)17.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 2）交流电压的测量方法）交流电压的测量方法*22（5 5）实例分析）实例分析（选讲选讲）例例 用具有正弦有效值刻度的用具有正弦有效值刻度的均值均值电压表测量一个方波电压，读数为电压表测量一个方波电压，读数为 1.0V，问该方波电压的有效值为多少？，问该方波电压的有效值为多少？解解 根据上述均值电压表的刻度特性，由读数根据上述均值电压表的刻度特性，由读数=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波
24、输入，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值其有效值 =1.0V；第二步，该正弦波的均值第二步，该正弦波的均值 =0.9=0.9V；第三步，将方波电压引入电压表输入，第三步，将方波电压引入电压表输入，其均值其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形因数第四步，查表可知，方波的波形因数 =1，则该方波的有效值为，则该方波的有效值为:0.9V。波形误差为波形误差为FVKV方波VVVVFK方波1 0.9100%11%0.92317.2 电流的测量电流的测量（间接测量法）（间接测量法）分类：直接法和间接法，根据大小和交、直性质选择。分类：直接法和间接法，根据大小和交、直性质选择。17.2.1
25、欧姆法测量电流（欧姆法测量电流（I/V变换）原理原理:将被测电流通过一个已知的取样电阻，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量电阻的端电压即可得到被测电流。测量电阻的端电压即可得到被测电流。既可测量直流，也可测量交流；既可测量直流，也可测量交流；不同量程的电流可选择不同的取样电阻。不同量程的电流可选择不同的取样电阻。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A恒恒流流源源(可可调调)A A/D DR Rx xIr-+A Am mp p取取样样电电阻阻2417.2.2 电流电流/磁场转换
26、法测量电流磁场转换法测量电流1）霍尔零磁通电流传感器（）霍尔零磁通电流传感器（闭环霍尔电流传感器闭环霍尔电流传感器）原理：原理：电流流过导线使周围感生磁场，霍尔器件检测此感生电流流过导线使周围感生磁场，霍尔器件检测此感生磁场磁场,其输出电流经放大后其输出电流经放大后,通过补偿线圈产生反向磁场，使通过补偿线圈产生反向磁场，使磁芯中的磁通为磁芯中的磁通为0,达平衡后达平衡后,由补偿线圈的由补偿线圈的Is测得导线电流。测得导线电流。产品例：产品例：Honeywell CSNP661霍尔电流传感器：霍尔电流传感器：额定电流（有效值）额定电流（有效值）/50A 测量范围（峰值）测量范围（峰值）/090A
27、 额定输出额定输出/50mA 工作电压工作电压/1215VDC（5%）精确度精确度/0.5%线性度线性度/0.1%17.2 电流的测量电流的测量（间接测量法）（间接测量法）2517.2.2 电流电流/磁场磁场-利用霍尔效应测电流利用霍尔效应测电流1HURHHHHHHHHHH2 20 0U=K I B=K I KIU=K I B=K I KIR RU=U=17.2 电流的测量电流的测量（间接测量法）（间接测量法）两种方式的异同两种方式的异同？12121221221 12 22 21 1R2R22 2=In=I nIn=I nn nI=II=In nn nU=I R=RIU=I R=RIn n霍尔
28、检零式直流电流测量法霍尔检零式直流电流测量法霍尔效应直接测直流电流法霍尔效应直接测直流电流法2617.2.3 电流互感器电流互感器*电流互感器可在不切断电流的条件下测得电路的电流。电流互感器可在不切断电流的条件下测得电路的电流。设原边电流（设原边电流（被测电流）为被测电流）为i1、匝数为、匝数为N1，副边匝数，副边匝数为为N2，则副边电流为：，则副边电流为：i2=i1N1/N2 电流互感器输出为电流，测量时，互感器副边接电阻电流互感器输出为电流，测量时，互感器副边接电阻R,从从R上取得电压送放大器或交直流变换器。上取得电压送放大器或交直流变换器。R的大小由互感器的容量伏安值决定（一般，常用的大
29、小由互感器的容量伏安值决定（一般，常用10VA，5VA），），R上的电压上的电压U0为：为：U0=i2R=i1N1/N217.2 电流的测量电流的测量（间接测量法）（间接测量法）27电流互感器电流互感器CTL6P的两种电流的两种电流/电压转换电路。电压转换电路。图图a取样电路法电路，采用了反相放大器，要求取样电路法电路，采用了反相放大器，要求R1r。图图b为反馈电阻法电路为反馈电阻法电路注意：由于电流互感器副边匝数远大于原边匝数，使用时注意：由于电流互感器副边匝数远大于原边匝数，使用时副边决不允许开路；否则，原边电流会完全变成激磁电流，副边决不允许开路；否则，原边电流会完全变成激磁电流，铁芯会
30、达到高饱和状态，使铁芯发热严重并在副边产生高铁芯会达到高饱和状态，使铁芯发热严重并在副边产生高电压引起互感器热破坏和电击穿，对人身和设备造成伤害。电压引起互感器热破坏和电击穿，对人身和设备造成伤害。为安全，副边一短必须安全接地。为安全，副边一短必须安全接地。17.2 电流的测量电流的测量（间接测量法）（间接测量法）17.2.3 电流互感器电流互感器*2817.3 阻抗的测量阻抗的测量17.3.1 阻抗的概念阻抗的概念阻抗：对于无源线性一端口网络，阻抗：对于无源线性一端口网络，当它在角频率为当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳态时，的正弦电源激励下处于稳态时，端口的电压相量和电流相量的比值：端口
31、的电压相量和电流相量的比值：jeZjXRIUZZ为复数，也称为复阻抗为复数，也称为复阻抗 公式也称为复数形式的欧姆定律公式也称为复数形式的欧姆定律 sincos22ZXZRRXarctgXRZ 29单个元件的阻抗：单个元件的阻抗：电阻：电阻：电容：电容：电感：电感：RZ CjZ1Zj L17.3 阻抗的测量阻抗的测量17.3.1 阻抗的概念阻抗的概念3017.3.2 伏安法测量阻抗伏安法测量阻抗伏安法：在元件两端加上电压，元件内有电流通过，伏安法：在元件两端加上电压，元件内有电流通过，分别测量电压和电流，计算得出阻抗：分别测量电压和电流，计算得出阻抗：IUZ/特点：特点：使用简单；使用简单；频
32、率范围频率范围 ：10KHz10KHz100MHz100MHz xxxxxjXRIUZbbxxZUUZ17.3 阻抗的测量阻抗的测量3117.3.3 电阻的测量方法电阻的测量方法1）阻值分类与测量法）阻值分类与测量法分类：分类：低、中、高和超高低、中、高和超高；基本测量方法：伏安法基本测量方法：伏安法低阻低阻范围：毫欧范围：毫欧10欧级；欧级；测量法测量法四端式，消除被测电阻电流引线及接触电阻影响四端式，消除被测电阻电流引线及接触电阻影响电路原理：如图所示，输出电路原理：如图所示，输出:Ux=UoR2(R1+R2)-1DMM中的测量法中的测量法*比率法比率法测量步骤：测量步骤：1、先接通、先接
33、通S2,S3,S4，采样引，采样引线线r的电压，存储在的电压，存储在C上；上；2、断开、断开S2,S3,S4，接通，接通S1进进行测量，由运放输入端等行测量，由运放输入端等电位得到电位得到Ux和和Uo的关系。的关系。17.3 阻抗的测量阻抗的测量3217.3.3 电阻的测量方法电阻的测量方法中、高值范围：中、高值范围：中中10100K；高；高兆欧级兆欧级测量法：伏安法（精度相对低，恒流源）；测量法：伏安法（精度相对低，恒流源）；不平衡电桥法：消除了电源电压波动影响，如图所示。不平衡电桥法：消除了电源电压波动影响，如图所示。其测量输出为：其测量输出为：Uo=R2R3(R1R4)-1Rx(2R)-
34、1，与电源无关！，与电源无关！17.3 阻抗的测量阻抗的测量推导上式？推导上式？3317.3.3 电阻的测量方法电阻的测量方法超高值超高值：109 以上以上测量：采用运放与数字电路结合的电容充电法测量：采用运放与数字电路结合的电容充电法(定值积分法定值积分法)测量积分时间得测量积分时间得:Rx=UiT(UkC)-1，Uk为比较器阈值电平为比较器阈值电平 精度可达精度可达0.1%，17.3 阻抗的测量阻抗的测量34原理：用交流电桥测量阻抗；原理：用交流电桥测量阻抗；电桥电源用指定频率的正弦信号电桥电源用指定频率的正弦信号,平衡条件由四个桥臂的复阻抗决定。平衡条件由四个桥臂的复阻抗决定。17.3.
35、4 电桥法测量电容阻抗电桥法测量电容阻抗xZ2Z3Z1ZD特点：高精度，特点：高精度，0.1%0.1%典型值；典型值；需要手动调整平衡；需要手动调整平衡；频率范围频率范围 ：直流：直流300MHz300MHz 例：例：若若Z1和和Zx为串联电容，为串联电容，Z2和和Z3为纯电阻，则构成串联电为纯电阻，则构成串联电容电桥或称维恩电桥。根据电桥平衡条件得：容电桥或称维恩电桥。根据电桥平衡条件得：312ZZZZx312x3112)1()1(RCjRRCjRxxxZZZZ231231ZZZZx，17.3 阻抗的测量阻抗的测量3517.3.5 谐振法测量电感、电容阻抗谐振法测量电感、电容阻抗原理：原理：
36、利用回路的谐振现象测量高频元件参量。利用回路的谐振现象测量高频元件参量。特点：特点：可测很高的Q值；需要调谐到谐振；阻抗测量精度低；频率范围：频率范围：10kHz10kHz70MHz70MHzVRXLXEZEI CVOSC串联谐振回路：串联谐振回路：改变电容改变电容C C直到电路谐振谐振时直到电路谐振谐振时 ，仅有，仅有RX X存在存在,电压、电流达到最大，此时频率为：电压、电流达到最大，此时频率为：LCf210EVRXRXQEVRIVXXCXLXC0100CLX17.3 阻抗的测量阻抗的测量3617.4 功率的测量功率的测量17.4.1 功率的概念功率的概念功率：单位时间内所做功的大小。功率
37、越大，单位时间内耗功率：单位时间内所做功的大小。功率越大，单位时间内耗能越多。能越多。功率的单位功率的单位*：瓦特（瓦特（W），表示在），表示在1秒内完成秒内完成1焦耳功所需的功率焦耳功所需的功率；毫瓦（毫瓦（mW），瓦特的千分之一，），瓦特的千分之一，1W=1000mW；分贝瓦分贝瓦(dBW)，以，以1瓦为参考电平来描述功率的对数式单位；瓦为参考电平来描述功率的对数式单位；分贝毫瓦分贝毫瓦(dBmW)，以，以1毫瓦为参考电平，描述功率的对数单毫瓦为参考电平，描述功率的对数单 位；如：位；如：1瓦可记为瓦可记为0分贝瓦或分贝瓦或30分贝毫瓦分贝毫瓦,10微瓦可记为微瓦可记为-50分贝瓦或分贝瓦
38、或-20分贝毫瓦分贝毫瓦 ()P(dBmW)10lg1()P mWmW3717.4.2 功率的测量功率的测量2)2)伏安法：伏安法：测量负载上的电压、电流来代替直接测量功率：测量负载上的电压、电流来代替直接测量功率：适用于直流和低频交流适用于直流和低频交流 3)3)能量法：能量法：把电磁能量变换成热、电、力、光等易于测量把电磁能量变换成热、电、力、光等易于测量 的能量。适用于高频和微波功率的测量。的能量。适用于高频和微波功率的测量。例如电能例如电能-热能：量热式功率计、热电阻式功率计和热电式热能：量热式功率计、热电阻式功率计和热电式 功率计功率计热电阻法热电阻法(测辐射热器法测辐射热器法)：利
39、用某些：利用某些对温度敏感的电阻元件。在吸收电磁对温度敏感的电阻元件。在吸收电磁能量后阻值变化的特性来测量功率。能量后阻值变化的特性来测量功率。1)交流功率：交流功率：有功功率有功功率(P=UIcos)，无功功率无功功率(P=UIsin)，视在功率视在功率(P=UI)17.4 功率的测量功率的测量384)功率表法功率表法：电动式功率表（：电动式功率表（被测电压产生作用电流，待测被测电压产生作用电流，待测电流产生作用磁场，通电流的线圈在磁场中转动，使仪表指电流产生作用磁场，通电流的线圈在磁场中转动，使仪表指针偏转针偏转），适合于直流电功率、单相交流功率的测量。），适合于直流电功率、单相交流功率的
40、测量。Rv电流线圈附加电阻电压线圈*W(a)(b)(c)*RvU负载I电动式功率表电路电动式功率表电路电动功率表接线电动功率表接线符号符号17.4 功率的测量功率的测量17.4.2 功率的测量功率的测量395）三相交流功率的测量）三相交流功率的测量*(a)对称负载*UVWN*(b)不对称负载*W1UVWN*(c)三相负载*UVWW*W3W2W1*W2三相交流电功率的测量方法三相交流电功率的测量方法 二表法 三表法 一表法13PP（三相对称负载）（三相对称负载）21PPP三相三线制负载三相三线制负载321PPPP（三相不对称负载）（三相不对称负载）17.4 功率的测量功率的测量17.4.2 功率
41、的测量功率的测量4017.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量17.5.1 计数法测量频率原理计数法测量频率原理1）原理：原理：在一定的时间间在一定的时间间隔内，对被测信号隔内，对被测信号进行计数，进行计数，计数器的闸门的开启计数器的闸门的开启时间时间受受控控，若若计数器的计数值计数器的计数值为为N，被测信号的频率为被测信号的频率为：低频信号：为获得较多的测量位数及测量精度，采用较长的低频信号：为获得较多的测量位数及测量精度，采用较长的闸门时间；闸门时间；高频信号：高频信号：可利用变频（混频）可利用变频（混频）电路对被测信号进行降频处电路对被测信号进行降频处理理，然，然后再
42、进行计数测量后再进行计数测量，以降低对器件速度的要求以降低对器件速度的要求。与与门门T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C0NfTNfB 412）计数法测频系统组成）计数法测频系统组成 放大整形：放大整形：将模拟变化信号变为标准的方波或窄脉冲将模拟变化信号变为标准的方波或窄脉冲施密特触发器；施密特触发器；闸门电路：闸门电路：控制进入计数器的脉冲，对预定时间内的脉冲计控制进入计数器的脉冲，对预定时间内的脉冲计与门；与门；门控电路：门控电路：产生门控信号，控制闸门的开闭，即计数的开始和结束；产生门控信号，控制闸门的开闭，即计数的开始和结束；计数电路：计数电路：计录脉冲的
43、个数，实现频率测量计数器，要求高速、准确。计录脉冲的个数，实现频率测量计数器，要求高速、准确。17.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量17.5.1 计数法测量频率原理计数法测量频率原理4217.5.1 计数法测量频率原理计数法测量频率原理3）计数法测量频率的误差）计数法测量频率的误差 （1 1）量化误差：）量化误差：闸门时间闸门时间Ts和被测量和被测量f 互不相关，互不相关，且且f 通常不是通常不是f0 的整数（的整数（N）倍，）倍，因此计数时不可避免存在误差：因此计数时不可避免存在误差：产生原因：产生原因：由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步由于闸门开启和关闭的时间
44、与被测信号不同步（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。内而造成的测量误差。NNNN1,117.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量f=N/T0=Nf0,43（2 2）触发误差（转换误差）：触发误差（转换误差）：n 输入信号都需放大、整形等，若被测信号叠加有干扰信号，则信号输入信号都需放大、整形等，若被测信号叠加有干扰信号，则信号的触发点就可能变化，由此产生的测量误差。的触发点就可能变化，
45、由此产生的测量误差。如图如图,周期为周期为TxTx的输入信号，触发电平在的输入信号，触发电平在A1A1点，但在点，但在A1A1点上有干扰信号点上有干扰信号(幅度幅度VnVn),),提前触发提前触发,周期周期TxTxTxTx17.5.1 计数法测量频率原理计数法测量频率原理3）计数法测量频率的误差）计数法测量频率的误差17.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量4401 11Nff（误差）要比误差引起的测频误差小一个量级（3 3）标准频率误差：）标准频率误差：闸门时间由基准频率信号产生，它是频率测量的参考基准，闸门时间由基准频率信号产生，它是频率测量的参考基准，标准频率标准频率
46、准确度准确度和和短期稳定度短期稳定度将直接影响测量结果，通常要将直接影响测量结果，通常要 求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。17.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量17.5.1 计数法测量频率原理计数法测量频率原理3）计数法测量频率的误差）计数法测量频率的误差f=N/T0=Nf0,f/f=N/N+f0/f04517.5.2 微波频率测量技术微波频率测量技术*对于对于几十几十GHzGHz的微波计数器，主要采用变频法和置换法将的微波计数器，主要采用变频法和置换法将输入微波频率信号变换成可直接计数的中频。输入微波频率信号变换成可直接
47、计数的中频。1 1）变频法原理）变频法原理 变频法（或称外差法）是将被测微波信号经差频变换成变频法（或称外差法）是将被测微波信号经差频变换成频率较低的中频信号，再由电子计数器计数。频率较低的中频信号，再由电子计数器计数。混频器混频器差频放大器差频放大器电子计数器电子计数器谐波滤波器谐波滤波器谐波发生器谐波发生器输入输入 f fx xf fI If fs s17.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量变频法的原理框图变频法的原理框图46若由电子计数器测出若由电子计数器测出fI I，则被测频率为，则被测频率为:fx=NfsfI 电子计数器主机内送出的标准频率电子计数器主机内送出的
48、标准频率fs s，经过谐波发生器，经过谐波发生器产生高次谐波，再由谐波滤波器选出所需的谐波分量产生高次谐波，再由谐波滤波器选出所需的谐波分量Nfs s，它与被测信号它与被测信号fx x混频出差频混频出差频fI I。为适应为适应fx的变化，谐波滤波器应能够选出合适的谐波的变化，谐波滤波器应能够选出合适的谐波分量分量Nfs s17.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差的数字测量17.5.2 微波频率测量技术微波频率测量技术*4717.5.3 计数法测计数法测周期周期原理原理:“时标计数法时标计数法”测周期测周期,也即也即用较小单位时间刻度用较小单位时间刻度T0(“时标时标”)量化被测周期
49、量化被测周期Tx，由，由Tx所含所含“时标时标”的计数值的计数值N得到得到Tx，即：，即：TX=NT0。故。故“时标时标”数数N表周期表周期Tx。实现实现：由：由Tx得到闸门；在得到闸门；在Tx内对时标计数。内对时标计数。Tx由由B通道输通道输入，内部时标信号由入，内部时标信号由A通道输入（通道输入（A通道外部输入断开）。通道外部输入断开）。速度与分辨力速度与分辨力：一次测量时间为一个周期：一次测量时间为一个周期Tx，Tx愈大愈大(频率频率愈低愈低)测量时间愈长；测量时间愈长；N与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。17.5 频率频率/周期周期/相位差的数字测量相位差
50、的数字测量4817.5.4 多周期同步测量技术多周期同步测量技术*1 1）倒数计数器）倒数计数器为减小量化误差，对为减小量化误差，对低频信号宜测周低频信号宜测周。但测周不能直接得。但测周不能直接得到频率。为显示频率值，硬件上采用一种特殊的到频率。为显示频率值，硬件上采用一种特殊的倒数计数器倒数计数器 原理原理：先按测周模式，设计数值为：先按测周模式，设计数值为N，设法将，设法将1/N显示。显示。思路思路：设测周时标来自晶：设测周时标来自晶振振(Tc)，测频的闸门为，测频的闸门为Ts=10nTc，测频，测频的的计数值计数值 式中，式中，N为测周时的计数值。为测周时的计数值。10110nnscfx
