1、电气测试技术电气测试技术第6章 数字化测量技术6.1 概述6.2 数据采集系统6.3 电参量的数字化测量6.4 频率、时间和相位的测量6.5 电压、功率和电能等的测量电气测试技术6.1 概述 随着生产和技术的不断发展，对测量技术也提出了一系列新的要求，其中最突出的就是与自动化技术和计算机技术相适应。数字化测量技术就是为了适应这种要求而发展起来的。可以将数字化测量技术分为三个阶段：第一阶段是基于数字电路的测量技术阶段；第二阶段是基于微处理器的测量阶段；第三阶段是基于数字信号处理技术的测量阶段。电气测试技术6.1 概述 数字化测量技术的基本内容是将连续的模拟量转换成相应的量化了的断续量，然后予以数
2、字编码，进而传输、存储、显示或打印。因此，A/D转换器是数字化测量的核心部件。数字测量不同于传统的以模拟量为基础的测量方式，它是以离散的数字量为基础进行运算处理及显示的一种测量方式。电气测试技术6.1 概述（1）数字量的概念 在自然界中随时间而连续变化的量统称为模拟量，而数字量是一种断续量即不连续量。（2）数字测量的特点 准确度高；灵敏度高；测最速度快；不存在读数误差；测量过程自动化水平高；易于综合测量；数据易于存储和传输；与计算机结合，实现智能测量；不便于观察动态过程。电气测试技术6.1 概述（3 3）数字式仪表的结构）数字式仪表的结构 数字式仪表主要由功能转电路、模/数转换器、计数器或频率
3、计等组成。功能转换电路电气测试技术6.2 数据采集系统1.连续量的离散化 （1）连续量的离散化 若以 为时间间隔增量，以 t=0 为起点去测量出每个时间所对应的量 ，i=0，1，2，3，在时间T内可以得到若干个在时间上离散化的量 。()ix t t()ix t电气测试技术6.2 数据采集系统（2）连续量的量子化 与离散化相对应，若以固定量值 为量距增量，以 =0为起点去测量该连续函数的输出量，可以在x界内得到若干个 ，i=0，1，2，3，这些量称为量子化的量。x()x tix电气测试技术6.2 数据采集系统（3）连续量的离散化和量子化 在一般的数字测量中，一个连续的被测量通常每隔一定的时间间隔
4、 被量化一次；而每次又以固定的 为量距获得测量值，所以离散过程和量子化过程同时存在。tx电气测试技术6.2 数据采集系统2.A/D转换器 （1）A/D转换器的作用与分类 A/D转换器是将模拟电压量转换为数字量的器件，按其内部工作机理的不同，可以分为并行A/D转换器，双斜积分式A/D转换器，逐位比较式A/D转换器和斜坡式A/D转换器等。（2）A/D转换器的主要技术指标 绝对精度 指A/D转换器输出对应的模拟量值与实际的模拟量输入的接近程度，可以用绝对误差来表示。电气测试技术6.2 数据采集系统 模拟误差 偏移误差：指当A/D转换器的模拟输入量 =0V时，器件的输出数字量值。增益误差：是指在偏移误
5、差为0时，A/D转 换器的实际输入/输出曲线与其理想特性 曲线在满刻度时的偏差量。iU电气测试技术6.2 数据采集系统电气测试技术6.2 数据采集系统 其它参数 A/D转换器的其它参数还有：输入电阻、共模抑制比、共模范围输入电压、供电电源、运行温度、逻辑输出电平、温度系数等。电气测试技术6.2 数据采集系统3.采样保持电路 （1）采样保持器的作用 就是捕获模拟输入量在采样时刻的数值，且将该数值维持不变送入A/D转换器输入口，维持时间至少大于A/D转换器的转换时间。一个数据采集系统，如果在A/D转换器之前增加采样保持器，其所能处理的信号最高频率将大为提高。反之，所能处理的信号的最高频率是极其有限
6、的。电气测试技术6.2 数据采集系统（2）釆样保持器的结构S闭合-采样；S断开-保持。电气测试技术6.2 数据采集系统（3）采样保持电路的主要参数 孔径时间（）：在保持命令发出后，到逻辑输入控制的开关完全断开所需要的时间。孔径时间的不定性（）：是孔径时间的变化范围。捕捉时间（）：采样保持器处于保持模式时，当发出采样命令，采样保持器的输出 从所保持的值到当前输入信号的值所需时间。保持电压的下降速率 在保持模式时，由于等效并联阻抗并非无穷大及保持电容的漏电流，使得电容慢速放电，引起保持电压的下降。APTAPTACT电气测试技术6.2 数据采集系统4.同步采样（1）直流采样与交流采样 a）直流采样
7、直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换成直流电压信号，再送至A/D转换器进行转换，即A/D转换器采样的模拟量为直流信号。b）交流采样 指对交流电流和交流电压采集时，输入至A/D转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号。电气测试技术6.2 数据采集系统（2）同步采样 交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种 同步采样也称为跟踪采样，即为了使采样频率始终与系统实际运行的频率保持固定的比例关系，必须使采样频率随系统运行的频率的变化而实时地调整
8、。电气测试技术6.2 数据采集系统 这种同步采样方式实施的技术保障可利用硬件测频设备或软件计算频率的方法来配合实现。硬件同步由硬件同步电路向CPU提中断实现同步。硬件同步电路有多种形式，常见的如锁相环同步电路等。软件同步由定时器中断实现，它首先测量电网周期T，然后根据周期T和每周期内的采样点数N确定定时器的定时值T/N。电气测试技术6.2 数据采集系统（3）采样定理（香农定理）一个随时间连续变化的物理量 ，得到一系列的脉冲序列 ，它是离散的信号，称为采样信号。)(tf)(tf电气测试技术6.2 数据采集系统5.多通道数据采集系统的几种结构形式（1）多通道A/D转换器电气测试技术6.2 数据采集
9、系统（3）多通道共享采样保持器与A/D转换器（2）单通道共享A/D转换器电气测试技术6.3 电参量的数字化测量 电参量的测量主要包括两大部分：其一是对电路参数电阻、电容、电感的测量，也是描述网络和系统的重要参数。由于分布参数的影响，实际的电阻、电容、电感的等效电路如下图所示。其二是对电气参数频率、相位、电压、电流、功率和电能等的测 量。电气测试技术6.3 电参量的数字化测量1电阻的测量（1）比例运算器法NN1RUUI202RUUIiRUI0UAUd0210III即：20NNRUURUURUi2N2dNdNdN01RRRARRARAUUi dA2NN0RRUU被测电阻电气测试技术6.3 电参量的
10、数字化测量 为了减小测量误差，可采用四探针法接线，如图。只有 引入产生一定的影响，所以只要缩短 的引线长度即可减小误差。arar电气测试技术6.3 电参量的数字化测量（2）积分运算器法cNTT TCRUUxNNUCTUNTUCURxcNcN电气测试技术6.3 电参量的数字化测量2电容的测量（1）恒流法 cpNTT cpRNTUICx电气测试技术6.3 电参量的数字化测量（2）比较法 2cpcpEINTNTUICxCx电气测试技术6.3 电参量的数字化测量3电感的测量（1）时间常数法令 ，与i 的交点的横坐标为 ，则：IIITTII,IITTII 只要先测出电感线圈的直流电阻，并已知U便可计算出
11、I，或者保证每次测量回路的直流电阻相等，使得到的I为定值，则由测定的 可求得 ，从而算出 。TLR电气测试技术6.3 电参量的数字化测量时间常数法电感测量仪的原理框图：电气测试技术6.3 电参量的数字化测量（2）同步分离法 采用相敏检波技术把实部分离出来，然后取平均值，以便得到的实部（对应R）和虚部（对应X）按电压的平均值的输出，将分离后的两信号分别经A/D采样后送入微处理器中处理得到测量值。电气测试技术6.3 电参量的数字化测量 由此可知，只要获得实部值便可计算出电阻值，同理可通过虚部值计算出电抗值。)cos(zmztUUcos)cos(cos)cos(mzmmzmttUUtUtUcos)2
12、cos(21mzmtUUcos21mzmRUUU)2cos()22cos(21)2cos()cos(mzmmzmtUUtUtUsin21mzmxUUU电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量 频率测量是目前测量精度最高的参量之一，它能达到10-13的精确度。频率和周期是从不同的侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系，即：相位和时间也是密切相关的，二者也可以互相转换，例如50HZ交流电源，一个周期为20ms，对应相位为360，如果测出时间间隔为5ms，则知相位为90。可见，可以利用测量时间的方法来测量相位的变化。1fT电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量1 电子计数式频率计测频原理（1）
13、时间基准的产生 利用石英晶体振荡器产生周期为T0的脉冲，经过一系列分频可得到几种标准的时间基准，例如，10ms，0.01s，1s，10s等几种。00TN T电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量（2）计数式频率计的测频原理0kNfTNfx电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量（3）计数式频率计的测频误差 可见，在闸门时间一定情况下，被测频率越高，测频误差越小；在一定和计数器不溢出条件下，闸门时间T越大，测频误差也越小。0kNfTNfx00dddffNNffxxfxfTfNN1d电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量2 脉冲累计的测量 当按下SB1（起）时，门控电路使主门开放，被测信
14、号进入计数器计数和显示。待按下SB2（停）时，门控电路使主门关闭，停止计数。在起、停这段时间内被测信号变化的次数通过计数后显示出来。电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量3 计数式频率计测量频率比设BAffNTTffABBA电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量4计数式频率即测周期 （1）计数式测量周期原理0 xTNT电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量 （2）计数式测量周期的误差 00 xkTNTNf00000fxdfdfdNkNfTff0 TxkT f 可见，在 和k一定时，被测周期 越大，测量误差越小，反之，越小，测量误差越大，即测周期法适用于被测信号频率较低的场合。0fx
15、TxT电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量5 直接测频和测周期中介频率的确定 频率为 时，测频法和测周期法的测量误差相等，频率 称为中介频率。可见，当被测信号频率 大于 时，用测频法测量误差较小；反之，小于 时，用测周期法测量误差较小。001fkffTkTfxxxcxffkNf001cfcfcfcfxfxf电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量6 脉冲沿时间和脉冲宽度的测量mV被测信号m9.0 Vm1.0 Vtm5.0 V0.1比较器输出0.9比较器输出开启m1.0 V关闭m9.0 V计数rtRS输出电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量7时间间隔和长时间的测量 （1）时间间隔的
16、测量电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量（2）长时间的测量（外控时间间隔测量）电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量8脉冲计数式相位测量原理电气测试技术若让计数器在1s内连续计数，即在1s内有f个门控信号，则其累计计数为：，由 得则：6.4 频率、时间和相位的测量0tNT0360tT0000360360N TfNTf1NN f00360fNf100360NNff010360 Nf011360360NN若取时标频率 ，则：Hz3600f电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量1交流电压的测量（1）交流电压平均值的测量全波：半波：a）线性检波器 ttuTUTd)(10ttuTUTd)(
17、12/0通常采用运算放大器的负反馈特性克服二极管检波的非线性，构成线性检波器，也称平均值检波器。反向半波检波器原理图电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量b)误差分析 非线性误差 对于 点有：而：整理得：if01iRuRuuRuu0duAuD00uuu1di1f1fi1f1fDifd0)(RARRRRRRRRRRuuRAu电气测试技术6.4 频率、时间和相位的测量 一般来说，所以上式可改写为 第一项为希望得到的线性检波。第二项为Ad不是无穷大而引起的误差。第三项为二极管压降 引起的误差。可见当 时，后两项误差均可忽略。1fiRRRf11dD1f1d1ifi1f1d1f1fDifd011/)
18、(RRRAuRRRARuRuRRRARRRRuuRAuDudA电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量当 0时，VD1截止，VD2导通，此时线性检波电路等效如图所示。iuL2Ld0L2L0RRRAuRRRuu只要Ad很大，输出 便近似为零。0u电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量 其它误差 一般检波二极管的工作频率很高，但集成运放随着工作频率增高，开环放大倍数下降，从而产生频率附加误差。当交流电压失真度较大时，上述转换将带来较大误差。（2）交流电压峰值的测量 当输入信号的波峰系数一定时，将信号的峰值保持一段时间，然后进行测量，该变换电路就称为峰值检波器或峰值保持器。因此波蜂系数为rms
19、pmUUk电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量a）峰值检波器 常见的最基本的峰值检波器是由一个二极管和一个保持电容组成，分为串联和并联两种。且要求：慢放电 快充电maxRCTminddTCR 串联 并联电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量 由于检波二极管的非线性和导通时两端存在着管压降，而且随着温度变化，给峰值检波器带来较大误差。为此，和平均值检波器一样，使用运算放大器的峰值检波器，可以校正二极管的非线性和改善管压降对准确度的影响。电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量b）峰值检波器的实用电路 下图所示同相型多重反馈峰值检波电路。电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量（3）
20、交流电压有效值的测量 因为非正弦电压的有效值不能用峰值或平均值予以换算。根据等效热效应原理，即交流电的有效值等于在相同 电阻上获得相同功率（发热）的直流电流/电压，交流电压 的有效值Urms的数学表达式为：TttuTU02rmsd)(1()ut电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量a）有效值检波器)(2i20MuUKu电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量 当 ，即 时，则积分后使得 减小；反之，当 ，即 时，积分后使得 增加。由于系统的负反馈作用，最终必然达到 ，即 ，则输出 的值就是输入有效值 。)d1(dd)(102i20T02i2002i200TTtuTUKtuTKKUtuUK
21、Ta)(2i200UUKatUUKRCtaRCUTTd)(1d102i20000i0UU02i20UU0Ui0UU02i20UU0U02i20UUi0UU 0UiU电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量b）影响有效值转换准确度的因素 其一是谐波分量的影响。由于有效值转换电路频带有一定范围，所以当任意非正弦信号输入转换器后，超出频率范围的髙频分量必将在输出端消失，这将会造成一定的误差；在一定的通频带范围下，信号频率越髙，产生的误差越大。其二是波峰系数的影响。对于非正弦波峰系数越大，相对峰值也越大，由于动态范围的限制，在接近满量程处容易产生输出失真而形成误差。最后，波峰系数髙的信号，高次谐波分
22、量也较大，也容易产生因频带宽度限制而引起的高频误差。电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量2 功率和电能的数字化测量（1）时间分割乘法器式的功率-电压转换器 ()()()p tu t i t电气测试技术6.5 电压、功率和电能的测量（2）采样计算法数字式瓦特表和电度表 根据平均功率表达式 可获得采样计算法测量功率，若在电压周期整数倍的范围内进行N次取样，取样速度为 ，则得平均功率的计算公式：这实际上是由微型计算机组成的典型双路同步数据采集系统构成的。而数字电度表则是在瓦特计的基础上再乘以测量时间而获得，或者直接规定在一个周期内采样N次，将采样值累加并记录测量时间而获得。TtuiTP0d1s/1 T11NkkkPu iN
