常见模拟量信号的检测方法
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3.周期测量基本电路
图3.13为测量周期的基本电路，信号Vt经过放大、衰减、 滤波及整形电路后变为TTL电平Vt1，然后Vt1再经过2分频变为 50%占空比的对称方波Vt2，Vt2接入微处理器的中断口如INT1 时，VT2的正脉冲宽度正好是被测信号的周期值，微处理器可 用INT1上升沿启动内部计数器开始计数，再用INT1下降沿结束 计数器，由此计算被测信号周期，设内部计数器时钟周期为Tc， 计数值为N，则被测信号的周期。如果要得到被测信号的频率求 其倒数图3.13 较低频频率测量电路即可。
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4.通用频率计（计数器）的一般电路
图3.14为一个通用频率计或计数器的基本电路示意图，该方 案可测频率也可测周期，也可做计数器，通过键盘选择，显示用 数码管显示。可预置数高速分频器由I/O1口控制；程控放大、衰 减电路由I/O2口控制；键盘及显示由微处理器的I/O3控制；操作 指令由键盘人工给定。输入信号经放大、衰减、滤波及整形电路 后先通过可预置数的高速分频器再进入微处理器的T1和INT1的并 联口，在检测时微处理器用试探法初步判断信号频率的高低，然 后决定是用测频法还是用测周法求出频率或周期。
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3.4 相位型信号的检测
在检测系统中相位定义为同频的两路信号之间的相位 之差，严格来讲是指两路正弦信号的相位差，但如果是方 波、三角波等均匀波形时也可求其基波的相位差。
1. 软件分析法
如图3. 5a所示，假如被测信号是不含直流分量的标准的 正弦波X1和X2，用同步采样的方法将两路信号量化，对其进 行分析，求得X1的两个同类过零点、求得X2的一个同类过零 点（这里同类过零点是指都是由正到负或都是由负到正的过 零点），由采样频率和采样点数通过X1的两个同类过零点求 得信号的周期T，通过X1的过零点与X2的过零点之间的时间 差ΔT。
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4.波形因数 交流电压的波形因素定义为该电压的有效值与平均值之比。
5.波峰因数 交流电压的波峰因数定义为该电压的峰值与有效值之比。
进行交流/直流变换，必须首先知道变换电路的输出与被 测交流电压大小的关系，根据上述交流电压的三种表征，分 别有峰值响应、平均值响应和有效值响应三种检波器电路， 对应能够得到交流电压的峰值、平均值、有效值的数值。
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2.频率测量基本电路
图3.11为基本的频率测量电路，适合于测量频率适中的 频率量，将被测信号Vf经过放大、衰减、滤波及整形电路 后变成一个标准的TTL信号，直接加在微处理器的计数端， 用被测脉冲作为时钟触发微处理器内部计数器进行计数， 微处理器内部另设一个定时器，在规定的时间根据计数数 目，求得被测信号的频率，设规定时间为T0，计数器的计 数值为N，则被测信号的频率为f，则： F=N/T0（Hz）。
值。
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3.6 频率及周期型信号的检测
1.频率及周期型信号的特点
由于频率和周期互成倒数关系，对于智能检测系统来 说，计算倒数之类问题不需要作为主要问题考虑，主要考 虑测量精度要高，电路尽可能要简单。使用电子计数器可 以直接按照f=N/T所表达的频率的定义进行测量，考虑到 电子计数器在计数时必然存在的±1误差，测量低频信号 时不宜采用直接测频的方法，否则±1误差带来的影响比 较显著甚至会很惊人。此时可以改为先测量信号的周期， 然后计算其倒数得到频率值，称之为测周的方法。测周的 方法同样不具有普遍的适用性，它可以用在测量较低频率 的信号，而不适用在测量较高频率信号的场合。
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3.1 概述
智能仪器中起控制作用的微处理器所处理的信号是二进 制的数字信号，但物理世界中大量的信号都是连续变化的模 拟量，智能仪器能够对它们进行处理的前提，先要能把模拟 信号变换为数字信号，完成这种变换的电路叫模-数变换器 （A/D变换器，简称ADC）。
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对于常见的各类A/D变换器，尽管工作的方式有很大的差 异，都能够完成将直流电压信号变换为数字信号的功能，因 此各类模拟量信号只要能够通过某种方式变换为电压信号， 就可以进而变换为数字信号送到智能仪器中进行处理。其一 般原理框图如图3.1所示：
第三章 常见模拟量信号的检测方法
本章重点
3.1 概 述 3.2 电压类信号的检测 3.3 电流类信号的检测 3.4 相位型信号的检测
3.5 时间信号的检测 3.6 频率信号的检测 3.7 电阻信号的检测 3.8 电容信号的检测
重点： 1. 电压类信号的检测 2. 频率及周期型信号的检测 3. 电阻型信号的检测
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3.利用智能仪器的特点进行测量的方法
在智能仪器中，可以将 被测信号经电平转换变为电 平适合于微处理器处理的信 号，如果待测时间适合微处 理器的定时器处理，可直接 利用微处理器的定时器求得 。如图3.9的电路可以用查询 的方式采样电平求取时间： 在信号的上升沿启动内部定 时器，在信号的下降沿关闭 定时器，最后用定时器的计 数值和时基确定所求的时间
• 测量准确度高：由于电压测量的基准是直流标准电池，同时， 在直流测量中，各种分布性参量的影响极小，直流电压的测 量可获得极高的准确度。
• 抗干扰能力强：当测量仪器工作在高灵敏度时，干扰会引入 测量误差，故要有高的抗干扰能力。
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2.交流电压的测量
电压类信号又可分为直流电压和交流电压两类，比较简 便的方法是将直流电压和交流电压分别对待，对直流电压直 接处理，对交流电压，依据不同的响应变换为直流电压再进 行处理。 一个交流电压的大小，可以用它的峰值 ，平均值，有效值v及 波形因数、波峰因数来表征。 1. 峰值定义：任何一个交变电压在所观测的时间或一个周期内， 其电压所能达到的最大值。 2. 平均值定义：数学上的定义为：, T为该交流电压的周期。 3.有效值U定义：该交流电压在一个周期内通过某纯阻负载所 产生的热量与一个直流电压在同样条件下产生的热量相等时， 该直流电压的数值。
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当被测信号的频率较高时，如f>20MHZ，有可能单 片机的速度不能支持计数器正常工作，此时可采用图 3.12电路，将被测信号经过一个针对高频信号设计的放 大、衰减、滤波及整形电路后，先进入一个高速分频器 （如10分频）后在进入单片机计数端，选择合适得分频 数可处理较高的频率信号。
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一个周期信号波形上，同相位两点间的时间间隔的 测量其实就是波形周期的测量，而上一节中相位差的测 量也是两个信号波形上，两点之间的时间间隔测量的一 种情况，只不过是要将计算的时间距离差值通过信号角 频率换算为相位差。
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2.基本方法
时间间隔的基本测量模式
如图所示，两个独立的输入通
道（B和C）可分别设置触发
3.周期测量基本电路
当被测信号频率较低时，如果还测其频率不但刷 新时间长而且测量精度也将变低，比如50HZ的频率在 1秒钟只能计50个数，按1秒的刷新一次的设置其测试 精度只有±1HZ。所以当被测信号的频率较低时我们 应该反过来测信号的周期。这样才能提高测量精度和 刷新频率。
无论要得到频率值还是周期值，都可以遵循高频 则测频率，低频则测周期的原则，这样做的结果是不 管被测信号在什么频段内都可以达到要求的测量精度。
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2. 过零比较器法
过零比较器的整形过程见图3.6b。这里要求 单片机内部定时器的计数频率与被测信号频率相 比足够高，例如相位测试分辨率为0.1º，定时器 的时钟频率应为被测信号频率的3600倍。
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பைடு நூலகம்.5 时间型信号的检测
1.定义
时间型信号的检测又称为时间间隔的测量，它可以 包括一个周期信号波形上，同相位两点间的时间间隔； 也可以包括同一信号波形上两个不同点之间的时间间隔 ；还可以包括两个信号波形上，两点之间的时间间隔。
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频率量和周期量是数字脉冲型信号，其幅值的大小 与被测值无关，但幅值过小达不到TTL电平时微处理器将 不能识别，幅值过大时又会损伤测量电路，所以该类信号 也要有前置放大及衰减电路，以使测量仪器具有较宽的适 应性，此外被测型号也可能带有一定的干扰信号，因此加 适当的低通滤波也是必需的。
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3.2 电压类信号的检测
从测量的观点看，测量的主要参量是电压，因 为在标准电阻两端若测出电压值，那么就可通过计 算求得电流与功率，此外，包括测量仪器在内的电 子设备，它们的许多工作特性均可视为电压的派生 量，如调幅度、非线性失真系数等，可以说，电压 测量是其它许多电参量，也包括非电参量的基础。
数器，但可独立地选择触发电平和触发极性的设置，以完成起
始和结束控制的功能。
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2.基本方法
工作波形如图3.8所示。 例如测量脉冲宽度，只需 要接入一个信号，将触发 电平设置为50%的脉冲幅 度，触发极性在起始触发 一路中设置为上升沿，在 结束触发一路中设置为下 降沿，则在上升沿、脉冲 幅度50%电平处开始计数 ，在下降沿、脉冲幅度 50%电平处结束计数，所 计时标数为脉冲宽度所经 历的时间。
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这种方法是借助数 据采集来完成的，其精 度受采样点数和采样频 率的限制，但在需要同 步采样的场合可以兼而 求得，如图3. 5b为一种 对相位信号进行检测的 采集电路，图中SHA为 采样保持放大器，AD为 A/D转换器，μP为微处 理器。
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2. 过零比较器法
设X1、X2为不含直流分量得正弦波或三角波，将X1 、X2分别经过两个过零比较器变为方波，利用两个方波 的上升沿或下降沿的时间差和其中一个方波的周期可求 得相位，算法如上。图3. 6a为用中断法通过过零比较器 输出的下降沿求相位的电路，所采用运算放大器无特殊 要求.
电平和触发极性（触发沿）。
输入通道B为起始通道，用来
开通主门，而来自输入通道C
的信号为计数器的终止信号，
计数脉冲（时标）通过主门计
数。
这种测量模式有两种工作方式：当跨接于两个输入端的选
择开关S断开时，两个通道是完全独立的，来自两个信号源的
信号分别作为起始触发和结束触发控制主门的开闭，来控制计
数器工作；当S闭合时，两个输入端并联，仅一个信号加到计
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图3.3为一种用数字电压表分档测量直流电流的基 本电路，该电路将输入电流分为20A、200mA、20mA 、2mA四个量程，转换电阻用0.01Ω、0.99Ω、9Ω、 90Ω四个电阻串连，将四种量程的电流接入电路的不同 点，使得每种量程的电流在满量程时得到的电压都是 0.2V（尽量选取数字电压表电压量程的最低档，以便做 到尽可能小的电流测量的内阻），从而用0.2V的数字电 压表配合不同的显示单位及小数点位置指示被测电流的 大小。这种方法是数字多用表常用的测量方法。
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1.对电压测量的基本要求
• 频率范围宽：被测电压的频率可以是直流、超低频、低频、 高频或超高频，其频率范围为0HZ到几百MHZ，甚至达到 GHZ量级。
• 电压测量范围广：被测电压值可以小到微伏，甚至毫微伏级， 而大到几千伏，几十千伏。
• 输入阻抗高：电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外 负载，为了使仪器接入电路时，尽量减小它的影响，要求仪 器具有高的输入阻抗。
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2.自动分档测量方法
在自动测试系统中一般 以电流信号的最大值确定所 需电阻，如最大值为100mA ，A/D的输入最大值为10V， 可选电阻为0.1KΩ，如果将 自动量程分为四个档位，可 用4个25欧的电阻串联，通过 模拟开关引出不同的信号， 电路如图3.4所示，图中运算 放大器起输入缓冲作用。这 种方法对于直流电流和交流 电流的测量都适用。
以有效值为例，可以采用热电变换和模拟计算电路两种方 法来实现其测量。热电变换就是根据有效值的定义，将交流 电压通过某纯阻负载所产生的热量通过热电偶变换为直流信 号。模拟计算可以采用图3.2的电路进行计算。
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3.3 电流信号的检测
1.传统的手动分档测量方法
测量电流的基本 原理是将被测电流通 过已知电阻（取样电 阻），在其两端产生 电压，这个电压与被 测电流成正比。
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3.7 电阻型信号的检测
3.周期测量基本电路
图3.13为测量周期的基本电路，信号Vt经过放大、衰减、 滤波及整形电路后变为TTL电平Vt1，然后Vt1再经过2分频变为 50%占空比的对称方波Vt2，Vt2接入微处理器的中断口如INT1 时，VT2的正脉冲宽度正好是被测信号的周期值，微处理器可 用INT1上升沿启动内部计数器开始计数，再用INT1下降沿结束 计数器，由此计算被测信号周期，设内部计数器时钟周期为Tc， 计数值为N，则被测信号的周期。如果要得到被测信号的频率求 其倒数图3.13 较低频频率测量电路即可。
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4.通用频率计（计数器）的一般电路
图3.14为一个通用频率计或计数器的基本电路示意图，该方 案可测频率也可测周期，也可做计数器，通过键盘选择，显示用 数码管显示。可预置数高速分频器由I/O1口控制；程控放大、衰 减电路由I/O2口控制；键盘及显示由微处理器的I/O3控制；操作 指令由键盘人工给定。输入信号经放大、衰减、滤波及整形电路 后先通过可预置数的高速分频器再进入微处理器的T1和INT1的并 联口，在检测时微处理器用试探法初步判断信号频率的高低，然 后决定是用测频法还是用测周法求出频率或周期。
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3.4 相位型信号的检测
在检测系统中相位定义为同频的两路信号之间的相位 之差，严格来讲是指两路正弦信号的相位差，但如果是方 波、三角波等均匀波形时也可求其基波的相位差。
1. 软件分析法
如图3. 5a所示，假如被测信号是不含直流分量的标准的 正弦波X1和X2，用同步采样的方法将两路信号量化，对其进 行分析，求得X1的两个同类过零点、求得X2的一个同类过零 点（这里同类过零点是指都是由正到负或都是由负到正的过 零点），由采样频率和采样点数通过X1的两个同类过零点求 得信号的周期T，通过X1的过零点与X2的过零点之间的时间 差ΔT。
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4.波形因数 交流电压的波形因素定义为该电压的有效值与平均值之比。
5.波峰因数 交流电压的波峰因数定义为该电压的峰值与有效值之比。
进行交流/直流变换，必须首先知道变换电路的输出与被 测交流电压大小的关系，根据上述交流电压的三种表征，分 别有峰值响应、平均值响应和有效值响应三种检波器电路， 对应能够得到交流电压的峰值、平均值、有效值的数值。
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2.频率测量基本电路
图3.11为基本的频率测量电路，适合于测量频率适中的 频率量，将被测信号Vf经过放大、衰减、滤波及整形电路 后变成一个标准的TTL信号，直接加在微处理器的计数端， 用被测脉冲作为时钟触发微处理器内部计数器进行计数， 微处理器内部另设一个定时器，在规定的时间根据计数数 目，求得被测信号的频率，设规定时间为T0，计数器的计 数值为N，则被测信号的频率为f，则： F=N/T0（Hz）。
值。
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3.6 频率及周期型信号的检测
1.频率及周期型信号的特点
由于频率和周期互成倒数关系，对于智能检测系统来 说，计算倒数之类问题不需要作为主要问题考虑，主要考 虑测量精度要高，电路尽可能要简单。使用电子计数器可 以直接按照f=N/T所表达的频率的定义进行测量，考虑到 电子计数器在计数时必然存在的±1误差，测量低频信号 时不宜采用直接测频的方法，否则±1误差带来的影响比 较显著甚至会很惊人。此时可以改为先测量信号的周期， 然后计算其倒数得到频率值，称之为测周的方法。测周的 方法同样不具有普遍的适用性，它可以用在测量较低频率 的信号，而不适用在测量较高频率信号的场合。
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3.1 概述
智能仪器中起控制作用的微处理器所处理的信号是二进 制的数字信号，但物理世界中大量的信号都是连续变化的模 拟量，智能仪器能够对它们进行处理的前提，先要能把模拟 信号变换为数字信号，完成这种变换的电路叫模-数变换器 （A/D变换器，简称ADC）。
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对于常见的各类A/D变换器，尽管工作的方式有很大的差 异，都能够完成将直流电压信号变换为数字信号的功能，因 此各类模拟量信号只要能够通过某种方式变换为电压信号， 就可以进而变换为数字信号送到智能仪器中进行处理。其一 般原理框图如图3.1所示：
第三章 常见模拟量信号的检测方法
本章重点
3.1 概 述 3.2 电压类信号的检测 3.3 电流类信号的检测 3.4 相位型信号的检测
3.5 时间信号的检测 3.6 频率信号的检测 3.7 电阻信号的检测 3.8 电容信号的检测
重点： 1. 电压类信号的检测 2. 频率及周期型信号的检测 3. 电阻型信号的检测
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3.利用智能仪器的特点进行测量的方法
在智能仪器中，可以将 被测信号经电平转换变为电 平适合于微处理器处理的信 号，如果待测时间适合微处 理器的定时器处理，可直接 利用微处理器的定时器求得 。如图3.9的电路可以用查询 的方式采样电平求取时间： 在信号的上升沿启动内部定 时器，在信号的下降沿关闭 定时器，最后用定时器的计 数值和时基确定所求的时间
• 测量准确度高：由于电压测量的基准是直流标准电池，同时， 在直流测量中，各种分布性参量的影响极小，直流电压的测 量可获得极高的准确度。
• 抗干扰能力强：当测量仪器工作在高灵敏度时，干扰会引入 测量误差，故要有高的抗干扰能力。
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2.交流电压的测量
电压类信号又可分为直流电压和交流电压两类，比较简 便的方法是将直流电压和交流电压分别对待，对直流电压直 接处理，对交流电压，依据不同的响应变换为直流电压再进 行处理。 一个交流电压的大小，可以用它的峰值 ，平均值，有效值v及 波形因数、波峰因数来表征。 1. 峰值定义：任何一个交变电压在所观测的时间或一个周期内， 其电压所能达到的最大值。 2. 平均值定义：数学上的定义为：, T为该交流电压的周期。 3.有效值U定义：该交流电压在一个周期内通过某纯阻负载所 产生的热量与一个直流电压在同样条件下产生的热量相等时， 该直流电压的数值。
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当被测信号的频率较高时，如f>20MHZ，有可能单 片机的速度不能支持计数器正常工作，此时可采用图 3.12电路，将被测信号经过一个针对高频信号设计的放 大、衰减、滤波及整形电路后，先进入一个高速分频器 （如10分频）后在进入单片机计数端，选择合适得分频 数可处理较高的频率信号。
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一个周期信号波形上，同相位两点间的时间间隔的 测量其实就是波形周期的测量，而上一节中相位差的测 量也是两个信号波形上，两点之间的时间间隔测量的一 种情况，只不过是要将计算的时间距离差值通过信号角 频率换算为相位差。
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2.基本方法
时间间隔的基本测量模式
如图所示，两个独立的输入通
道（B和C）可分别设置触发
3.周期测量基本电路
当被测信号频率较低时，如果还测其频率不但刷 新时间长而且测量精度也将变低，比如50HZ的频率在 1秒钟只能计50个数，按1秒的刷新一次的设置其测试 精度只有±1HZ。所以当被测信号的频率较低时我们 应该反过来测信号的周期。这样才能提高测量精度和 刷新频率。
无论要得到频率值还是周期值，都可以遵循高频 则测频率，低频则测周期的原则，这样做的结果是不 管被测信号在什么频段内都可以达到要求的测量精度。
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2. 过零比较器法
过零比较器的整形过程见图3.6b。这里要求 单片机内部定时器的计数频率与被测信号频率相 比足够高，例如相位测试分辨率为0.1º，定时器 的时钟频率应为被测信号频率的3600倍。
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பைடு நூலகம்.5 时间型信号的检测
1.定义
时间型信号的检测又称为时间间隔的测量，它可以 包括一个周期信号波形上，同相位两点间的时间间隔； 也可以包括同一信号波形上两个不同点之间的时间间隔 ；还可以包括两个信号波形上，两点之间的时间间隔。
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频率量和周期量是数字脉冲型信号，其幅值的大小 与被测值无关，但幅值过小达不到TTL电平时微处理器将 不能识别，幅值过大时又会损伤测量电路，所以该类信号 也要有前置放大及衰减电路，以使测量仪器具有较宽的适 应性，此外被测型号也可能带有一定的干扰信号，因此加 适当的低通滤波也是必需的。
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3.2 电压类信号的检测
从测量的观点看，测量的主要参量是电压，因 为在标准电阻两端若测出电压值，那么就可通过计 算求得电流与功率，此外，包括测量仪器在内的电 子设备，它们的许多工作特性均可视为电压的派生 量，如调幅度、非线性失真系数等，可以说，电压 测量是其它许多电参量，也包括非电参量的基础。
数器，但可独立地选择触发电平和触发极性的设置，以完成起
始和结束控制的功能。
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2.基本方法
工作波形如图3.8所示。 例如测量脉冲宽度，只需 要接入一个信号，将触发 电平设置为50%的脉冲幅 度，触发极性在起始触发 一路中设置为上升沿，在 结束触发一路中设置为下 降沿，则在上升沿、脉冲 幅度50%电平处开始计数 ，在下降沿、脉冲幅度 50%电平处结束计数，所 计时标数为脉冲宽度所经 历的时间。
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这种方法是借助数 据采集来完成的，其精 度受采样点数和采样频 率的限制，但在需要同 步采样的场合可以兼而 求得，如图3. 5b为一种 对相位信号进行检测的 采集电路，图中SHA为 采样保持放大器，AD为 A/D转换器，μP为微处 理器。
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2. 过零比较器法
设X1、X2为不含直流分量得正弦波或三角波，将X1 、X2分别经过两个过零比较器变为方波，利用两个方波 的上升沿或下降沿的时间差和其中一个方波的周期可求 得相位，算法如上。图3. 6a为用中断法通过过零比较器 输出的下降沿求相位的电路，所采用运算放大器无特殊 要求.
电平和触发极性（触发沿）。
输入通道B为起始通道，用来
开通主门，而来自输入通道C
的信号为计数器的终止信号，
计数脉冲（时标）通过主门计
数。
这种测量模式有两种工作方式：当跨接于两个输入端的选
择开关S断开时，两个通道是完全独立的，来自两个信号源的
信号分别作为起始触发和结束触发控制主门的开闭，来控制计
数器工作；当S闭合时，两个输入端并联，仅一个信号加到计
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图3.3为一种用数字电压表分档测量直流电流的基 本电路，该电路将输入电流分为20A、200mA、20mA 、2mA四个量程，转换电阻用0.01Ω、0.99Ω、9Ω、 90Ω四个电阻串连，将四种量程的电流接入电路的不同 点，使得每种量程的电流在满量程时得到的电压都是 0.2V（尽量选取数字电压表电压量程的最低档，以便做 到尽可能小的电流测量的内阻），从而用0.2V的数字电 压表配合不同的显示单位及小数点位置指示被测电流的 大小。这种方法是数字多用表常用的测量方法。
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1.对电压测量的基本要求
• 频率范围宽：被测电压的频率可以是直流、超低频、低频、 高频或超高频，其频率范围为0HZ到几百MHZ，甚至达到 GHZ量级。
• 电压测量范围广：被测电压值可以小到微伏，甚至毫微伏级， 而大到几千伏，几十千伏。
• 输入阻抗高：电子测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外 负载，为了使仪器接入电路时，尽量减小它的影响，要求仪 器具有高的输入阻抗。
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2.自动分档测量方法
在自动测试系统中一般 以电流信号的最大值确定所 需电阻，如最大值为100mA ，A/D的输入最大值为10V， 可选电阻为0.1KΩ，如果将 自动量程分为四个档位，可 用4个25欧的电阻串联，通过 模拟开关引出不同的信号， 电路如图3.4所示，图中运算 放大器起输入缓冲作用。这 种方法对于直流电流和交流 电流的测量都适用。
以有效值为例，可以采用热电变换和模拟计算电路两种方 法来实现其测量。热电变换就是根据有效值的定义，将交流 电压通过某纯阻负载所产生的热量通过热电偶变换为直流信 号。模拟计算可以采用图3.2的电路进行计算。
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3.3 电流信号的检测
1.传统的手动分档测量方法
测量电流的基本 原理是将被测电流通 过已知电阻（取样电 阻），在其两端产生 电压，这个电压与被 测电流成正比。
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3.7 电阻型信号的检测