17-数字仪表中的新颖检测电路5-10

河北科技大学信息科学与工程学院2009.10数字化测量技术第六节测量电容及电感的电路理想的电阻只有电阻分量，没有电抗分量；理想电感和理想电容则只有电抗分量。电容电抗简称容抗电感电抗简称为感抗fCXC21fLXL2传统的数字仪表测量电容一般采用脉宽调制法，充放电周期法等，缺点是电路本身不能自动调零等。容抗法不仅能实现电容挡的自动调零，还能用来测电感量。第六节测量电容及电感的电路一、用容抗法测量电容设计思想：首先用正弦波信号将被测电容量Cx变成容抗XC，然后进行C/U转换，把XC转换成交流信号电压；再经过AC/DC转换器测量平均值电压OU只要∝Cx，适当调节电路参数，即可直读电容量。第六节测量电容及电感的电路一、用容抗法测量电容文氏桥振荡器获得400Hz正弦信号约5V信号电压调整调节RPK=0.16获得400Hz80mv正弦信号HzCCRRf400212121πUBHzRRRCf400111·2113121430＋　πC/U转换二阶有源带通滤波器UCUDC=2000PFXc=200KRf=1MUc=400mvfCXC21UA400Hz中心增益为0.5满量程时Ud=200mv第六节测量电容及电感的电路一、用容抗法测量电容C/U转换电路被测电容等效阻抗Xc；R7~11等效反馈电阻Rf；电路简化为：CUfRUifO2iCfOUXRUfCXC21结论：输出线性正比与被测电容例：设计2000pf量程，满量程输出400mv条件Ui=80mvf=400Hz解：当C=2000pfXc=1/2πfc=200KΩ此时输出应为满量程400mv根据公式1得Rf=XcUo/Ui=1MΩ1总结测量电容量的过程：文氏桥振荡器→C/U转换器→AC/DC转换器→A/D转换器。第六节测量电容及电感的电路二、用容抗法测量电感利用容抗法C/U转换器也可以测量电感量，使之变成感抗法L/U转换器。1.测量纯电感的原理以Lx的感抗XL代替容抗，假设读数值为C即此时的感抗与容量为C的电容容抗相同fLfCXXLC221CCCfL62222210156.040014.34121若电容单位取μF，Lx取mH则Lx＝156/C因原最高量程为20μF，故被测电感量须满足：Lx≥156/20＝7.8mH否则仪表将溢出。此计算法仅适用于纯电感。对于工频变压器绕组、电机绕组、继电器线圈，其直流电阻很小，可近似视为纯电感。第六节测量电容及电感的电路二、用容抗法测量电感2.测量非纯电感当电感本身的直流电阻R可同感抗XL相比较时，就不再是纯电感了，必须对测量值进行修正。修正公式为：4.622x'RLLX－Lx为测量值L'x为实际电感量举例：用4½位数字电容表的20μF挡实测一只标称值为4.7mH的色码电感，仪表读数为7.975（μF）若按式Lx＝156/C计算则Lx＝19.56mH为标称值的4倍。用数字欧姆表的200Ω挡测量其直流电阻，R＝47.98Ω按照上式修正后电感量应为4.79mH仅比标称值大1.9％第六节测量电容及电感的电路三、用感抗法测量电感以VC9808+型数字万用表的2mH挡为例，介绍测量电感的原理，保护①三角波发生器②电感/电压(Lx/UO)转换器③极性转换器第六节测量电容及电感的电路三、用感抗法测量电感（1）三角波发生器①设电源电压为±U，充放电电流为U/34.7K②当Z电压过阈值翻转，4093阈值≈±1/6U正向充电A为高翻转电压:UB=-0.55U反向放电A为低翻转电压:UB=0.55U冲放电压程1.1UZ③充放电时间It/c=1.1Ut=38.17C=0.3817ms周期T=2t=0.7634ms④振荡频率f=1/T=1.31KHz实际测量1.3278Hz校准输出电压缓冲驱动积分电路翻转控制UBt0.55U0.55UK=0K=1K=1第六节测量电容及电感的电路三、用感抗法测量电感（2）电感/电压（Lx/UO）转换电路（Lx/UO）转换放大驱动50LDELE50DRXUUXURUE646364OE636464OURRRUURRRUXL＝2πfLx)(50L506364RXURRRUDO代入阻值及感抗50x8RfLUOπ结论：UO与Lx成正比，后接AC/DC变换及AD转换即可完成测量。UE与LX电流同相位LX电流超前UD90o第六节测量电容及电感的电路三、用感抗法测量电感（3）极性转换器如果后续测量电路未使用AC/DC转换器，A/D转换器求平均值，就必须增加极性转换器，以避免在整个积分周期内三角波的平均值为零。UBt0.55U0.55UK=0K=1K=1UFtK=0K=1K=1FUOtK=0K=1K=1O三角波电压L/V转换输出压，超前90o根据K状态翻转负信号超量程限制：H输出超输出低①正常时E点三角波幅度只有0.2V，故H恒为高电平。仅当Lx≥2mH时，H变低，仪表显示超量程符号。②同时停止三角波振荡，系统变为直流状态，电感两端电流泄放后，回复正常工作。第七节测量频率及占空比的电路一、测量频率的原理测量原理：利用f/U转换器把被测频率信号转换成直流电压，然后经A/D转换器转换结果。测量方法：常用的有周期计时法如ICM7216不用A/D定时计数法如ICM7216不用A/Df/U间接测量法通过AD转换获得锁相环f/U例图5-3-2单稳态f/U其他单稳态f/U基本思路过零比较交流信号矩形波微分沿脉冲上沿触发单稳态定宽脉冲序列低通滤波平均电压AD转换第七节测量频率及占空比的电路一、测量频率的原理理过零比较整形缓冲单稳态低通滤波器微分隔值耦合偏置在(U+-U-)/2偏置在(U+-COM)/2t1＝-R7C3ln1/3＝1.1R7C3第七节测量频率及占空比的电路一、测量频率的原理f=800Hzf=1600HzR7为定时电阻，C3是定时电容①当2脚负跳变到U＋/3时,触发器置位,OUT＝l,VT截止,R7对C3充电。②当充电到UC3＝⅔U+，6脚使触发器复位,OUT＝0,VT导通，放电。③等待下次负向跳变t1＝-R7C3ln1/3＝1.1R7C3结论：占空比D=t1/信号周期=t1×信号频率平均电压=D×U+=U+×t1×信号频率UP≈U+第七节测量频率及占空比的电路一、测量频率的原理结论：占空比D=t1/信号周期=t1×信号频率平均电压=D×U+=U+×t1×信号频率设计电路时应注意事项：（1）由结论可得，信号周期必须大于定时时间t1，否则D1,因此t1决定了信号频率上限；改变定时RC即可调节脉宽t1，所以设计多量程数字频率表,如设计20kHz、200kHz两个频率挡，需使用两套定时电阻，各由固定电阻与电位器串联而成，可单独调节。（2）该数字频率表的特点是将f/U转换器与200mV数字电压表配套使用。它与数字频率计有本质区别，后者由数字电路构成，不作A/D转换。（3）电路中关键器件为定时R7、C3和分压取样电阻R8、R9、Rp，电阻应使用误差为±1%的金属膜电阻。C3选用瓷片电容。（4）由结论可得，平均电压输出与电源电压（7555）有关，采用不同的电压供电时，须调整分压电路；如可配ICL7129型4½位A/D转换器，此时U＋～COM之间的电压EO＝＋3.2V。第七节测量频率及占空比的电路二、测量占空比的电路输入保护电压放大整形校准低通滤波UP≈2.8VUP=0.1V矩形波平均值电压DU＝U'PDUDUUUNP100010001000REF'REF脉冲经放大后，幅度UP≈2.8V。经R2和RP分压，幅度降成U'P=100mv占空比=1时平均电压=100mvICL7106的测量显示值：小数点在十位即可只读%第八节测量温度的电路一、测温电桥的工作原理以一种能对热电偶自动进行温度补偿的新颖测温电桥电路为例介绍设计思想：利用硅晶体管发射结（或硅二极管）作半导体温度传感器来测量室温，热电偶测温时对冷端温度进行自动补偿，电路简单，成本低廉，准确度高，便于调试。其测温准确度可达±1%左右，分辨力为1℃。热电偶一种感温元件，直接测量温度，把温度转换成热电动势,原理是两种不同成份材质导体组成闭合回路,结合点作为一端，当两端存在温度差时,导体之间存在电动势—热电动势(即塞贝克效应)测温范围可达1400℃。TK测量端（热端）TA测量端（冷端）еA材质导体B材质导体如：K型热电偶具有正的电压温度系数αTK＝41.269μV/℃≈40μV/℃假定被测温度T＝100℃（热端）室温TA＝20℃（冷端）热电势e＝αTK(T-TA)＝40μV/℃×(100－20)℃＝3.2mV。因此：热电偶测温时必须对冷端温度进行补偿第八节测量温度的电路一、测温电桥的工作原理①DVM测量的是A点和C点电位差串联热电动势eUIN=UA-UC+e(△t）e(△t）随冷端升高而减小如果让UA随冷端升高而增加，并有相同的温度系数(反向)，即可补偿冷端带来的影响②硅晶体管发射结正向导通压降UBE与温度成反比，负温度系数αTBE=-（2.0～2.5）mV/℃。假定2N3904的αTBE＝－2.4mV/℃1℃温升时ΔUBE＝－2.4mVΔUD＝ΔE0－ΔUBE=2.4mVABCDμV40BE212AURRRUUA具有正温度系数，且αA=40μV/℃与热电偶温度系数相同，正好可补偿冷端温度带来的影响第八节测量温度的电路一、测温电桥的工作原理③当被测温度为0℃，调整RP1使UIN=0V则，正常测温时UIN=40μV/℃×TABCD④当被测温度为0℃，调整RP1使UIN=0V则，正常测温时UIN=40μV/℃×TREF6REFIN104010001000UTUUNTN⑤调整RP2使UREF=40×10-3V则即显示值就是温度值桥接电阻第八节测量温度的电路一、测温电桥的工作原理该电路具有以下四个显著特点：（1）利用硅管发射结导通压降的负温度系数，去补偿K型热电偶的正温度系数。（2）鉴于|αTBE|αTK，需借助分压器使|αTBE·K|＝αTK，从而实现了温度自动全补偿。（3）插上热电偶仪表显示的是被测温度T；未插热电偶时，R8将桥路的输出端接通，仪表显示常温TA(即室温)，测量室温的范围是0～40℃。热电偶测温范围则取决于其型号，例如选用TP03微型热电偶时为－50～＋1300℃。（4）该数字温度表在－40～400℃时的准确度为±0.75%，在400～1000℃时的准确度为±1.5%，分辨力是1℃。第八节测量温度的电路二、设计要点（1）温度测量中的“归一化”并非0.1mV/℃，而是1个字/℃。RP1是校准0℃的电位器,消除0℃时所有电路的偏移量；RP2为校准100℃电位器，来调整UREF，使仪表不必关注UREF值。。（2）热电势信号很弱，应选用电噪声很小的金属膜电阻作桥臂电阻。（3）调试方法①将测温头与仪表在相同温度(室温)下放置20分钟，测出该环境温度TA。②再把测温头与标准水银温度计一同置于冰水混合物中。调整电位器RP1，使被校表的显示值为（000～001）℃。③把探头热端插入100℃沸水中，调节电位器RP2改变基准电压值，使被校表显示99～100℃。在海拔较高的地区，水的沸点会低于100℃，此时只要仪表显示值与标准水银温度计所指示的沸点温度相符（允许±1℃），即认为合格。④拔掉测温探头，仪表应显示所处环境温度TA值，允许有±1℃的误差。⑤将标准毫伏信号源的输出接被校表的热电偶插座中。依次输出12.207mV、29.128mV和41.269mV，分别校准300℃、700℃、和1000℃的显示值。若被校表出现偏差，则微调RP2，直至显示值符合要求。调试完毕，将RP1和RP2用胶或石蜡封固。第九节检测二极管和晶体管的电路一、测量二极管正向压降UF的电路被测二极管VD正向驱动电流正向压降UF可测电压0.55～0.7V（硅管）或0.15～0.3V（锗管）设计思路分压器A/D转换测量结果1mA,适合小功率二极管10：1100mVVREF=100mV修正小数点第九节检测二极管和晶体管的电路一、测量二极管正向压降