电工仪表及测量 教学课件 作者 周启龙 6第六章 数字式仪表.ppt

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1、第六章数字式仪表第一节数字万用表一、电子计数器二、模拟/数字（A-D）转换器三、直流数字电压表四、数字万用表第二节数字功率表一、单相有功功率的数字测量二、单相无功功率的数字测量三、三相有功功率的数字测量四、三相无功功率的数字测量第三节数字式电能表一、数字式单相有功电能表二、数字式三相电能表思考题第六章数字式仪表所谓数字式仪表,就是将被测对象离散化、数据处理后以数字形式显示的仪表。第一台数字仪表出现于20世纪50年代初，之后随着电子技术的迅猛发展，数字式仪表与数字化测量技术获得了迅速的发展。目前国内外已生产有许多种测量各种量并具

2、有很宽技术特性范围的数字仪表，如电压表、电流表、功率表、电能表、计数器、万用表、频率计等。数字式仪表是将模拟量变为数字量，采用逻辑运算硬件电路实现测量功能。数字式仪表与模拟式指示仪表相比具有很多优点。比如：准确度高、灵敏度高、输入阻抗高、操作简单、测量速度快等。从模拟向数字，从单一通道向综合多通道测量的发展，从单个仪表向测量信息系统过渡，将各种电学量和非电学量变换成统一量（时间、频率、直流电压）后进行测量等，是近几十年来测量技术发展的重要阶段。本章结合数字仪器仪表的基本知识的介绍，以数字万用表、数字功率表和数字电能表为例，介绍

3、数字测量技术中常用的基本单元电路和一般电量的测量方法。本章将以方框图和波形图的方式介绍数字仪表的工作原理，以期对数字仪表的工作过程能有基本认识。第一节数字式万用表在实际工作中，需要测量的量，例如电压、电流等是随时间连续变化的量，叫做“模拟量”，但数字仪表却是以数字的形式来显示所测结果的。为了对模拟量实现数字化的测量，就需要一种能把模拟量变换为数字量的转换器，即模拟/数字转换器（简称A-D转换器），以及能对数字量进行计数的装置，即电子计数器。因此数字仪表的简化方框图如图6-1所示。图6-1数字仪表的简化方框图本节首先介绍电子计数

4、器和A-D转换器的工作原理，在此基础上介绍直流数字电压表和数字万用表的工作原理。直流数字电压表配以各种变换器（如交流电压/直流电压变换器、交或直流电流/直流电压变换器等）便可形成一系列的数字仪表，如交流数字电压表、交流数字电流表等。由几种变换器、功能转换开关和直流数字电压表组合在一起便可形成数字万用表。一、电子计数器1.电子计数器的组成电子计数器可具有多种互不相同的工作方式，如对输入事件数进行累计（计数），以及对频率，时间、时间间隔或脉宽进行测量。电子计数器通常包括的部件及其作用是：1）输入电路。把不同的波形、幅值的被测信号经

5、整形、放大转换成标准信号，该标准信号与被测信号基波频率相同。2）石英晶体振荡器。它产生频率非常稳定的振荡，其振荡频率高，频率稳定性好。分频器。它能把输入信号分频，以得到具有不同宽度的时间基准或叫时标信号。3）控制门。又叫闸门，它有一个输出端和至少两个输入端。要计数的脉冲信号加到一个输入端，另外的输入端加上闸门信号（或称门控信号）。当闸门信号为高电平时，闸门打开，要计数的脉冲到达闸门输出端；当闸门信号为低电平时，闸门关闭，要计数的脉冲到不了闸门输出端。4）计数器。它将来自闸门的脉冲信号以二进制形式计数。计数后的脉冲数可经译码器译

6、成十进制数，再在数码管或液晶显示器上显示出来。5）电子计数器最简单的工作方式是对输入电信号进行累计或计数。其方法是输入信号经输入电路整形放大后经过手动控制启动和停止的闸门后进入计数器进行计数并在显示器上显示出来。2.频率的测量用电子计数器测量频率的方框图如图6-2所示。图6-2频率测量原理框图被测信号经整形、放大送入主计数门，石英晶体振荡器输出标准频率，经分频后可得到周期为T的一系列标准信号。按设定的时间T控制被测信号进入计数器中的脉冲个数。若被测量的脉冲周期和频率为，则在T这段时间内进入计数器的脉冲数N为（式6-1）若T=1

7、秒，则，即计数器记录的数字量N即为被测信号的频率。标准信号的周期可以不是1s，也可以取0.1、0.01s甚至更小。由于门控信号的开始是随机的，它可能在被测脉冲的任一时刻出现，从图6-3可见，从时刻开启的门控信号，计数器计数是4，而从时刻开启的门控信号，计数器计数值是3。所以门控信号与被测信号不同步将产生1的计数误差，这种误差叫量化误差，计做。另外，门控信号的宽度不准确也会产生误差，计做，它主要取决于石英晶体振荡器的准确度和稳定度，仪表给定之后，测量人员是无法改变的。因此，考虑到=时测量频率的相对误差为：（式6-2）由上式可见，

8、门控信号宽度T越大，测量后显示出的计数值N有效位数越多，则测量频率准确度越高，但要注意当显示位数固定时，计数值的最高位不应丢失，即显示不出来。图6-31计数误差的波形解释3.周期的测量周期仍然可用电子计数器进行测量，不过接法不同。在这里，要用分频后的被测信号作为门控信号去控制