第三章 常见模拟量信号的检测方法

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。
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。
(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。
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。
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。
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。
3.5 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。
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。
➢ 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。 返 回 上 页 下 页
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。
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 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
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。
一个交流电压的大小，可以用它的峰值 ，平均值，有效值 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。
3.7 电阻型信号的检测
1）恒流法测电阻
测量电阻的最简单的方法是根据欧姆定理利用一个恒 定电流通过电阻先变成电压再求之。图3.15为恒流法测电 阻 的 基 本 电 路 ， Rx 为 被 测 电 阻 ， Ic 是 已 知 的 恒 流 源ຫໍສະໝຸດ Baidu。 图 3.16为常见的恒流源产生电路之一，图中Ve为基准电压源， Ro为标准电阻，Tc为流过负载的电流，
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
2）频率测量基本电路
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。
束控制的功能。
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。
第三章 常见模拟量信号的检测方法
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
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）。
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。
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。
3）周期测量基本电路
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 如下图所示：
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。
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。
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值。