電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)電壓的測(cè)量PPT課件

1、3.1 3.1 概述概述311 電壓測(cè)量的意義、特點(diǎn) 1）電壓測(cè)量的重要性闡述電壓測(cè)量的意義、重要性及應(yīng)用。 2）電壓測(cè)量的特點(diǎn)從電壓測(cè)量的頻率、范圍、要求等方面闡述其特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也反映了電子測(cè)量的主要特點(diǎn)。 第1頁(yè)/共99頁(yè)1 1）電壓測(cè)量的重要性 電壓測(cè)量是電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ)； 電測(cè)量中，許多電量的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量：表征電信號(hào)能量的三個(gè)基本參數(shù)：電壓、電流、功率其中：電流、功率電壓，再進(jìn)行測(cè)量電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度電壓表征 非電測(cè)量中，物理量電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量如：溫度、壓力、振動(dòng)、（加）速度第2頁(yè)/共99頁(yè)2 2）電壓測(cè)量的特點(diǎn)1.頻率范圍廣：零頻（直流）

2、109Hz低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測(cè)量范圍寬微弱信號(hào):心電醫(yī)學(xué)信號(hào)、地震波等,納伏級(jí)（10-9V）； 超高壓信號(hào)：電力系統(tǒng)中，數(shù)十千伏。3.電壓波形的多樣化電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體。各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機(jī)噪聲。第3頁(yè)/共99頁(yè)2 2）電壓測(cè)量的特點(diǎn)4.阻抗匹配電壓表的輸入阻抗是指它的兩個(gè)輸入端之間的等效阻抗，是被測(cè)電路的額外負(fù)載。 -測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有較高的輸入阻抗直流測(cè)量中，輸入阻抗與被測(cè)信號(hào)源等效內(nèi)阻形成分壓，使測(cè)量結(jié)果偏小。 如：采用電壓表與電流表測(cè)量電阻， 當(dāng)測(cè)量小電阻時(shí)，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當(dāng)測(cè)量大電阻時(shí)，應(yīng)采用

3、電流表串聯(lián)方案。交流測(cè)量中，輸入阻抗的不匹配引起信號(hào)反射。輸入阻抗典型數(shù)值為1M和15并聯(lián)。第4頁(yè)/共99頁(yè)2 2）電壓測(cè)量的特點(diǎn)5.測(cè)量精度的要求差異很大10-1至10-9。6.測(cè)量速度的要求差異很大靜態(tài)測(cè)量：直流（慢變化信號(hào)）,幾次/秒;動(dòng)態(tài)測(cè)量：高速瞬變信號(hào),數(shù)億次/秒（幾百M(fèi)Hz）精度與速度存在矛盾，應(yīng)根據(jù)需要而定。7.抗干擾性能工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，存在較大的干擾。第5頁(yè)/共99頁(yè)3 31 12 2 電壓測(cè)量的方法和分類按對(duì)象：直流電壓測(cè)量；交流電壓測(cè)量 按技術(shù)：模擬測(cè)量；數(shù)字測(cè)量 1）數(shù)字化直流電壓測(cè)量方法模擬直流電壓-A/D轉(zhuǎn)換器-數(shù)字量-數(shù)字顯示（直觀）數(shù)字電壓表（DVM），數(shù)字多用

4、表（DMM）。第6頁(yè)/共99頁(yè)3 31 12 2 電壓測(cè)量的方法和分類2）交流電壓的模擬測(cè)量方法表征交流電壓的三個(gè)基本參量： 有效值、峰值和平均值。以有效值測(cè)量為主。方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）-直流電流-驅(qū)動(dòng)表頭-指示有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。3）交流電壓的數(shù)字化測(cè)量交流電壓（有效值、峰值和平均值）-直流電壓-A/D轉(zhuǎn)換器-數(shù)字量-數(shù)字顯示DVM（DMM）的擴(kuò)展功能。第7頁(yè)/共99頁(yè)3 31 12 2 電壓測(cè)量的方法和分類4）基于采樣的交流電壓測(cè)量方法交流電壓-A/D轉(zhuǎn)換器-瞬時(shí)采樣值u(k) -計(jì)算，如有效值式中，N為u(t)的一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。5）示波測(cè)量方法交

5、流電壓-模擬或數(shù)字示波器-顯示波形-讀出結(jié)果211( )NkVukN第8頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量 1 普通直流電壓表 由動(dòng)圈式高靈敏度直流電流表串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮铇?gòu)成。 設(shè)電流表的滿偏電流為Im ,電流表本身內(nèi)阻為Re,串聯(lián)電阻Rn 所構(gòu)成的電壓表的滿度電壓為:)(nemmRRIUAReR1R2R3UoU1U2U3emRIU0第9頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量1 普通直流電壓表 所構(gòu)成的電壓表的內(nèi)阻為: 圖中電流表串接了3個(gè)電阻后除了最小量程外增加了3個(gè)量程U1、U2、U3，根據(jù)擴(kuò)展的量程，可以估算出3個(gè)擴(kuò)展電阻的阻值： emRIUR)/(11mmneVIURRRmIUUR/ )(122mIUUR/

6、 )(233AReR1R2R3UoU1U2U3第10頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量u1 1 普通直流電壓表普通直流電壓表 通常把內(nèi)阻通常把內(nèi)阻RvRv與與UmUm之比（每伏歐姆數(shù)）定義為電壓表之比（每伏歐姆數(shù)）定義為電壓表的的電壓靈敏度電壓靈敏度。 數(shù)越大，表明使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需要的電數(shù)越大，表明使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需要的電流越小。一般標(biāo)明在電磁式電壓表的表盤上，可以根據(jù)電流越小。一般標(biāo)明在電磁式電壓表的表盤上，可以根據(jù)電壓靈敏度推算出不同量程時(shí)的電壓表內(nèi)阻。壓靈敏度推算出不同量程時(shí)的電壓表內(nèi)阻。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、誤差來(lái)源表頭本身和擴(kuò)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、誤差來(lái)源表頭本身和擴(kuò)展電

7、阻的準(zhǔn)確度。展電阻的準(zhǔn)確度。1%1% 缺點(diǎn)：靈敏度不高、輸入電阻低。在量程較低時(shí)，輸缺點(diǎn)：靈敏度不高、輸入電阻低。在量程較低時(shí)，輸入電阻更小，其負(fù)載效應(yīng)對(duì)被測(cè)電路工作狀態(tài)及測(cè)量結(jié)果入電阻更小，其負(fù)載效應(yīng)對(duì)被測(cè)電路工作狀態(tài)及測(cè)量結(jié)果的影響不可忽略。的影響不可忽略。mmvvIURK1V/第11頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量u普通直流電壓表的誤差普通直流電壓表的誤差 用普通直流電壓表測(cè)量高輸出電阻電路的直流電壓，設(shè)被用普通直流電壓表測(cè)量高輸出電阻電路的直流電壓，設(shè)被測(cè)電路輸出電阻為測(cè)電路輸出電阻為RoRo，被測(cè)電壓實(shí)際值為，被測(cè)電壓實(shí)際值為EoEo，電壓表內(nèi)阻為，電壓表內(nèi)阻為R RV V，則電壓表度數(shù)值

8、為則電壓表度數(shù)值為: :相對(duì)誤差為：相對(duì)誤差為： mmV00V000IUURRERRREVVRRREEU00000第12頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量為了消除這一影響，可使用兩個(gè)不同量程為了消除這一影響，可使用兩個(gè)不同量程U U1 1、U U2 2 進(jìn)行測(cè)進(jìn)行測(cè)量。將電壓表的兩次讀數(shù)值量。將電壓表的兩次讀數(shù)值U UO1O1、U Uo2o2 代入下式，即可計(jì)算得代入下式，即可計(jì)算得到被測(cè)電壓的近似值：到被測(cè)電壓的近似值： 上例中，電壓表的每伏歐姆數(shù)為上例中，電壓表的每伏歐姆數(shù)為20k20k/V/V，先后用，先后用5V5V和和25V25V量程測(cè)量端電壓量程測(cè)量端電壓UoUo的讀數(shù)值分別為的讀數(shù)值分別為

9、2.5V2.5V和和4.17V4.17V，代入，代入上式得上式得EoEo=5.01V=5.01V21201OOOUUUKKE12UUK 第13頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量直流電子電壓表通常由磁電式表頭加裝直流電子電壓表通常由磁電式表頭加裝跟隨器跟隨器、直直流放大器流放大器構(gòu)成，當(dāng)需要測(cè)量高直流電壓時(shí)，輸入端接入高構(gòu)成，當(dāng)需要測(cè)量高直流電壓時(shí)，輸入端接入高阻值電阻構(gòu)成的分壓電路。阻值電阻構(gòu)成的分壓電路。提高輸提高輸入阻抗入阻抗提高測(cè)量提高測(cè)量靈敏度靈敏度第14頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量在理想運(yùn)放情況下：在理想運(yùn)放情況下：式中式中 K-K-分壓器和跟隨器的電壓傳輸系數(shù)分壓器和跟隨器的電壓傳輸系數(shù)若電

10、流表滿偏電流為若電流表滿偏電流為ImIm，則由上式可得該直流電子電壓，則由上式可得該直流電子電壓表的量程為：表的量程為：FxFiORKURUIKRIUFmm第15頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量為了保證該電壓表的準(zhǔn)確度，各分壓電阻和反饋電為了保證該電壓表的準(zhǔn)確度，各分壓電阻和反饋電阻阻R RF F都要使用精密電阻。都要使用精密電阻。 缺點(diǎn)：直流放大器的零點(diǎn)漂移限制了電壓靈敏度的提缺點(diǎn)：直流放大器的零點(diǎn)漂移限制了電壓靈敏度的提高。高。 故電子電壓表中常采用斬波式放大器（調(diào)制式放大器）故電子電壓表中常采用斬波式放大器（調(diào)制式放大器）以抑制零點(diǎn)漂移，可使電子電壓表能測(cè)量微伏級(jí)的電壓。以抑制零點(diǎn)漂移，可使電

11、子電壓表能測(cè)量微伏級(jí)的電壓。第16頁(yè)/共99頁(yè)直流電壓的測(cè)量 將直流數(shù)字電壓表的表頭用將直流數(shù)字電壓表的表頭用A/DA/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字顯示器代轉(zhuǎn)換器和數(shù)字顯示器代替，即構(gòu)成直流數(shù)字電壓表。替，即構(gòu)成直流數(shù)字電壓表。第17頁(yè)/共99頁(yè)3 32 2 交流電壓的測(cè)量 峰值、平均值、有效值、波峰系數(shù)和波形系數(shù)。 峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示 ）。注：注：振幅：振幅：以直流分量為參考的最大電壓幅值（通常以直流分量為參考的最大電壓幅值（通常用用U Um m表示）。表示）。第18頁(yè)/共99頁(yè)3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 平均值（均值） 數(shù)學(xué)上定義為： 相當(dāng)于交流電壓u(t)的直

12、流分量。 交流電壓測(cè)量中，平均值通常指經(jīng)過(guò)全波或半波整流后波形的平均值（一般若無(wú)特指，均為全波整流）： 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV第19頁(yè)/共99頁(yè)3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 有效值 定義：交流電壓u(t)在一個(gè)周期T內(nèi)，通過(guò)某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。 表達(dá)式：直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT= 交流電壓u(t) 在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q=由Q_=

13、Q，有效值2VTR20( )TutdtR201( )TVut dtT第20頁(yè)/共99頁(yè)3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 有效值 意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 波峰系數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，u對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T10.7072ppVVVppVKV峰值有效值21.41/2pppVKV第21頁(yè)/共99頁(yè)3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 波形系數(shù)定義：有效值與平均值的比值

14、，用KF表示， 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/TFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）第22頁(yè)/共99頁(yè)3 32 21 1 表征交流電壓的基本參量 波峰系數(shù)和波形系數(shù) 常見(jiàn)波形的波峰系數(shù)和波形系數(shù)可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方 波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp= ，KF= ， 為脈沖寬度，T為周期 白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。TT第23頁(yè)/共99頁(yè)3 32 22 2 交流/ /直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析 1

15、）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理 模擬電壓表的交流電壓測(cè)量原理： 交流電壓-直流電流（有效值、峰值和平均值） -驅(qū)動(dòng)表頭-指示。 交流電壓-有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為 AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實(shí)現(xiàn)。 峰值檢波原理由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。第24頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理二極管峰值檢波電路（a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形）DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第25頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 二極管峰值檢波電路工作原理 通過(guò)二極管正向快速

16、充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時(shí)“保持”該峰值。為此，要求： 式中，Rs和rd分別為等效信號(hào)源u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮瑁珻為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負(fù)載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。 從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動(dòng)，其平均值略小于實(shí)際峰值。minmax(),sdLRr CTR CT第26頁(yè)/共99頁(yè) 平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。 如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測(cè)輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無(wú)關(guān)）。（電容C用于濾除整流后的交流成分

17、，避免指針擺動(dòng)）1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0第27頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 平均值檢波原理 以全波整流電路為例，I0的平均值為 式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度 ）。 于是，I0的平均值 與u(t)的平均值 成正比。 01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrroI( )u t第28頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 有效值檢波原理(三

18、種) 利用二極管平方律伏安特性檢波 根據(jù) ， 為得到有效值,首先需對(duì)u(t)平方。小信號(hào)時(shí)二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。 缺點(diǎn)：精度低且動(dòng)態(tài)范圍小。 因此，實(shí)際應(yīng)用中，采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路。201( )TVu t dtT第29頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波 原理圖通過(guò)多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn)模擬乘法器（平方）積分開(kāi)方比例運(yùn)算。 單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。2( )ut0TAu(t)Vrms第30頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 利用熱電偶有

19、效值檢波 熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電效應(yīng)原理圖 當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)（即TT0），則存在熱電動(dòng)勢(shì)，且熱電動(dòng)勢(shì)的大小與溫差T=T-T0成正比。冷冷端端T T0 0熱熱端端T T第31頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 利用熱電偶有效值檢波 熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對(duì)熱電偶（簡(jiǎn)稱熱偶）。 熱電偶溫度測(cè)量原理： 若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過(guò)熱電動(dòng)勢(shì)就可得到熱端（被測(cè)溫度點(diǎn)）的溫

20、度。 熱電偶有效值檢波原理： 若通過(guò)被測(cè)交流電壓對(duì)熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動(dòng)勢(shì)將反映該交流電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。第32頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 熱電偶有效值檢波原理圖 圖中，直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值V的關(guān)系： 電流I熱電動(dòng)勢(shì)熱端與冷端的溫差，而熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，故， 2IVR Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T熱熱偶偶M Mu uA A連連接接導(dǎo)導(dǎo)線線I I第33頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 表頭刻度線性化處理：

21、采用兩對(duì)相同的熱電偶，分別稱為測(cè)量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。通過(guò)平衡熱偶形成一個(gè)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T測(cè)測(cè)量量熱熱偶偶電電流流表表平平衡衡熱熱偶偶+ +- -V Vo oE Ex xE Ef fV Vi i熱熱端端T T連連接接導(dǎo)導(dǎo)線線差差分分放放大大器器第34頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 測(cè)量熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)ExV2，令Ex=k1V2 ；平衡熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)EfVo2，及Ef =k2Vo2 ；假如兩對(duì)熱偶具有相同特性，即k1=k2=k ，=則差分放大器輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(V

22、2- Vo2) ，若放大器增益足夠大，則有Vi=0，=Vo=V （即輸出電壓等于u(t)有效值） 有效值電壓表的特點(diǎn) 理論上不存在波形誤差，因此也稱真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無(wú)關(guān)）。第35頁(yè)/共99頁(yè)1 1）交流/ /直流電壓（AC-DCAC-DC）轉(zhuǎn)換原理 有效值電壓表的特點(diǎn) 比如，對(duì)非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，若其有效值分別為V1、V2、V3、，則讀數(shù) 但實(shí)際有效值電壓表，下面兩種情況使讀數(shù)偏?。簩?duì)于波峰因數(shù)較大的交流電壓波形，由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)“削波” ；高于電壓表有效帶寬的波形分量將被抑制。它們都將損失有效值分量。 缺點(diǎn)：受環(huán)境溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。 實(shí)

23、際應(yīng)用中，常采用峰值或均值電壓表測(cè)有效值。2212(.)kVkVV第36頁(yè)/共99頁(yè) 原理 峰值響應(yīng)，即：u(t)峰值檢波放大驅(qū)動(dòng)表頭 二極管峰值檢波電路DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析第37頁(yè)/共99頁(yè)2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。 對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)沒(méi)有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)換算出峰值和有效值。峰峰值值檢檢波波表表頭頭( (讀

24、讀數(shù)數(shù)= =) )Vpu(t)第38頁(yè)/共99頁(yè)2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 由讀數(shù)換算出峰值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)想象為有效值等于的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即 第二步，將V轉(zhuǎn)換為該純正弦波的峰值V22pVV第39頁(yè)/共99頁(yè)2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 第三步，假設(shè)峰值等于Vp 的被測(cè)波形（任意波）輸入 ，即注：“對(duì)于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波峰系數(shù)（查表可得），其有效值2ppVV任意pV任意2pppVVKK任意任意任意任意第40頁(yè)/共99頁(yè)2 2）峰值電壓表原理、刻度特

25、性和誤差分析 刻度特性 上述過(guò)程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下： 該式表明：對(duì)任意波形，欲從讀數(shù)得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)即為正弦波的有效值）。2,pppppppppVVK VKVkkKKKKK任意任意任意任意任意任意任意第41頁(yè)/共99頁(yè)2 2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 綜上所述，對(duì)于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)沒(méi)有直接意義，由讀數(shù)到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，為峰值電壓表讀數(shù)，Kp為波峰系數(shù)。 波形誤差: 若將讀數(shù)直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差。21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222pp

26、ppKKKK第42頁(yè)/共99頁(yè)3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 均值響應(yīng)，即：u(t) 放大均值檢波驅(qū)動(dòng)表頭 均值檢波器由二極管橋式整流電路組成 整流電路輸出直流電流整流電路輸出直流電流I I0 0，其平均值與被測(cè)輸入電壓，其平均值與被測(cè)輸入電壓u(t)u(t)的平均值成正比（與的平均值成正比（與u(t)u(t)的波形無(wú)關(guān)）。的波形無(wú)關(guān)）。I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I001( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrr第43頁(yè)/共99頁(yè) 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)即為u(t)的有效值V（而不

27、是該純正弦波的均值）。對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)沒(méi)有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)換算出均值和有效值。3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 V平平均均值值檢檢波波表表頭頭( (讀讀數(shù)數(shù)= =) )u(t)第44頁(yè)/共99頁(yè)3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 由讀數(shù)換算出均值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)想象為有效值等于的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即 第二步，由 計(jì)算該純正弦波均值 第三步，假設(shè)均值等于 的被測(cè)波形（任意波）輸入 ，即注：“對(duì)于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波形系數(shù)（

28、查表可得），其有效值V0.91.112 2FVVVKV0.9VV任意V任意0.9FFVKVK任 意任 意任 意任 意V第45頁(yè)/共99頁(yè)3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 上述過(guò)程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下： 上式表明，對(duì)任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1.，讀數(shù)即為正弦波的有效值）。 ,FFFFVVKVKVKkK任意任意任意任意任意0.91.11FFFFKKkKK任意任意任意第46頁(yè)/共99頁(yè)3 3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 綜上所述，對(duì)于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)沒(méi)有直接意義，由讀數(shù)到峰值和有效值需進(jìn)

29、行換算，換算關(guān)系歸納如下：式中，為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形系數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù)直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK第47頁(yè)/共99頁(yè)4 4）實(shí)例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問(wèn)如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？解 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)=1.0V，第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入，其有效值=1.0V；第二步，該正弦波的峰值=1.4V；第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰系數(shù)Kp=1，則

30、該方波的有效值為：V=Vp/Kp=1.4V。波形誤差為：11.4100%29%1.4 %3 .22%1001414.173.1%1001PPKKVKVVpp82. 032三角波三角波第48頁(yè)/共99頁(yè)4 4）實(shí)例分析例 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問(wèn)該方波電壓的有效值為多少？解 根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)=1.0V，第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入，其有效值 =1.0V；第二步，該正弦波的均值 =0.9=0.9V；第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形系數(shù) =1，則該方波的有效值為: 0.9V。波形誤差為

31、FVKV方波VVVVFK方波1 0.9100%11%0.9VKVF035.10.19.015.19.0%5.3%100115.111.1%100111.1FK三角波三角波第49頁(yè)/共99頁(yè)3 33 3 直流電壓的數(shù)字化測(cè)量及A/DA/D轉(zhuǎn)換原理 數(shù)字化測(cè)量：將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)字量，然后進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、顯示及打印等。 進(jìn)行這種處理，比較方便的量是直流電壓和脈沖的頻率，對(duì)應(yīng)的測(cè)量?jī)x器是數(shù)字電壓表和電子計(jì)數(shù)器。第50頁(yè)/共99頁(yè)3 33 3 直流電壓的數(shù)字化測(cè)量及A/DA/D轉(zhuǎn)換原理 331 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 1）DVM的組成 數(shù)字電壓表（Digital Voltage Me

32、ter，簡(jiǎn)稱DVM）。 組成框圖輸輸入入電電路路A A/ /D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器數(shù)數(shù)字字顯顯示示器器邏邏輯輯控控制制電電路路時(shí)時(shí)鐘鐘發(fā)發(fā)生生器器模模擬擬部部分分?jǐn)?shù)數(shù)字字部部分分Vx第51頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 1）DVM的組成 組成框圖 包括模擬和數(shù)字兩部分。 輸入電路：對(duì)輸入電壓衰減/放大、變換等。 核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，簡(jiǎn)稱ADC），實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。 邏輯控制電路：在統(tǒng)一時(shí)鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。第52頁(yè)/共99頁(yè)3 33

33、31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 應(yīng)用 直流或慢變化電壓信號(hào)的測(cè)量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器）。 通過(guò)AC-DC變換電路，也可測(cè)量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。 通過(guò)電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測(cè)量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。 基于微處理器的智能化DVM稱為數(shù)字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計(jì)算等）和通信接口(如GPIB)。第53頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 2）主要性能指標(biāo) 顯示位數(shù) 完整顯示位：能夠顯示09的

34、數(shù)字。 非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999 。 量程 基本量程：無(wú)衰減或放大時(shí)的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍確定。 通過(guò)對(duì)輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展量程。142第54頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 如基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程； 基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV、2V、20V、200V

35、、2000V等五檔量程。 分辨力 指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映DVM靈敏度。 用每個(gè)字對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測(cè)量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字” ）。第55頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 分辨力 分辨率：用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無(wú)關(guān)，比較直觀。如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：分辨率也可直接

36、從顯示位數(shù)得到（與量程無(wú)關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個(gè)字），則分辨率為 測(cè)量速度 每秒鐘完成的測(cè)量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 一般低速高精度的DVM測(cè)量速度在幾次/秒幾十次/秒。0.1mV100%0.05%200mV1100%0.05%2000第56頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 測(cè)量精度 取決于DVM的固有誤差和使用時(shí)的附加誤差（溫度等）。 固有誤差表達(dá)式：式中，Vx被測(cè)電壓的讀數(shù)；Vm該量程的滿度值（Full Scale, FS）； 誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)； 誤差的固定項(xiàng)系數(shù)。 固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差

37、。 讀數(shù)誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。 滿度誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)無(wú)關(guān)，只與選用的量程有關(guān) 示值（讀數(shù)）相對(duì)誤差為：( %)xmVVV ( %)mxxVVVV%xV%mV第57頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 測(cè)量精度 有時(shí)將 等效為“n字”的電壓量表示，即 如某臺(tái)3位半DVM，說(shuō)明書給出基本量程為2V， =（0.01%讀數(shù)+1字）。則在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%， 即表達(dá)式中“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.005%”的表示是完全等價(jià)的： 當(dāng)被測(cè)量（讀數(shù)值）很小時(shí)，滿度誤差起主要作用，

38、當(dāng)被測(cè)量較大時(shí)，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測(cè)量大于滿量程的2/3以上%mV( %)xVVn 字V%mV%(0.01% 0.005% )mxVV第58頁(yè)/共99頁(yè)3 33 31 DVM1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 輸入阻抗 輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關(guān)）。 輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測(cè)量精度。 對(duì)于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10M1000M之間。 對(duì)于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十幾百pF之間。第59頁(yè)/共99頁(yè)3 33 32 A/D2 A/D轉(zhuǎn)換原理 A/D轉(zhuǎn)換器分類 積分型：首先對(duì)輸入的模

39、擬電壓通過(guò)積分器變成時(shí)間或頻率等中間量，再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。 比較型：采用對(duì)輸入模擬電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的方法。 比較式（逐次逼近式、零平衡式）第60頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC 基本原理：用被測(cè)電壓和一個(gè)可變的已知電壓（基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行比較，直至達(dá)到平衡，測(cè)出被測(cè)電壓。 所謂逐次逼近比較式，就是將基準(zhǔn)電壓分成若干基準(zhǔn)碼，未知電壓按指令從大到小與基淮電壓碼（通過(guò)DA轉(zhuǎn)換）像天平一樣比較，比較時(shí)大者棄，小者留，直至逼近被測(cè)電壓。將被測(cè)電壓和一可變的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行逐次比較，最終逼近被測(cè)電壓。即采用一種“

40、對(duì)分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。第61頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC 假設(shè)基準(zhǔn)電壓為Vr=10V，為便于對(duì)分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標(biāo)準(zhǔn)值。Vr可分解為： 上式表示，若把Vr不斷細(xì)分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無(wú)限逼近，當(dāng)只取有限項(xiàng)時(shí)，則項(xiàng)數(shù)決定了其逼近的程度。如只取前4項(xiàng)，則其逼近的最大誤差為9.375V-10V =-0.625V。111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV第62頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC 現(xiàn)假設(shè)

41、有一被測(cè)電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項(xiàng)5V、2.5V、1.25V、0.625V來(lái)“湊試”逼近Vx，逼近過(guò)程如下：Vx5V（首先，取5V項(xiàng)，由于5V8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字1） +2.5V（再取2.5V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V=7.5V8.5V，則應(yīng)去掉該項(xiàng)，記為數(shù)字0） 第63頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC 上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V8.5V0.375V。 顯然，當(dāng)Vx(7.8125V8.4375V)之間時(shí)，采用上面Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近的結(jié)果相同，均為8.125V， 其誤差為Vx(0.3125V0.3125V)，最大誤差限相當(dāng)于Vr最后一個(gè)分項(xiàng)的一半，即

42、 V。 上述逐次逼近比較過(guò)程表示了該類A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。它類似天平稱重的過(guò)程，Vr的各分項(xiàng)相當(dāng)于提供的有限“電子砝碼”，而Vx是被稱量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過(guò)程完全類同于稱重中的加減法碼的過(guò)程，而稱重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。10.6252第64頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC比較流程：比較流程：第65頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC SAR的最后輸出即是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，用數(shù)字量N表示。 最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有式中， NA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，nA/D位數(shù)，Vr參考電壓，VxA/D輸入電壓上式還可寫成：Vx=e

43、N， e=Vr/2n稱為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，單位為“V/字”，表示了A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力。2xrnNVV第66頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC 刻度系數(shù)也表示了A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的每個(gè)“字”（1LSB）代表的電壓量。它是逼近時(shí)可用的最小“電子砝碼”。 如上面Vx8.5V，Vr10V，當(dāng)用Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近時(shí)（相當(dāng)于4位A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為N（1101）213，即 單片集成逐次比較式ADC。常見(jiàn)的產(chǎn)品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。 241101)108.1252xVVV（第67頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC 權(quán)

44、電阻D/A變換原理圖第68頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC T型電路D/A變換原理圖 這種解碼電路電阻個(gè)數(shù)較多，但阻值僅為兩種，很適宜這種解碼電路電阻個(gè)數(shù)較多，但阻值僅為兩種，很適宜集成制造工藝。對(duì)于任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，左右兩側(cè)的等效電阻都集成制造工藝。對(duì)于任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，左右兩側(cè)的等效電阻都為為2R2R，因此，節(jié)點(diǎn)電位為：，因此，節(jié)點(diǎn)電位為：SiUU31第69頁(yè)/共99頁(yè)1 1）逐次逼近比較式ADCADC T型電路D/A變換原理圖 當(dāng)該節(jié)點(diǎn)電位傳送到輸出端，要經(jīng)過(guò)多節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)電位傳送到輸出端，要經(jīng)過(guò)多節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，每節(jié)衰減數(shù)均為每節(jié)衰減數(shù)均為1/21/2，比如，比如“0

45、 0”節(jié)點(diǎn)電位傳送到輸出時(shí)，要節(jié)點(diǎn)電位傳送到輸出時(shí)，要經(jīng)過(guò)七節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，所以傳送到輸出端的電壓為經(jīng)過(guò)七節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，所以傳送到輸出端的電壓為 根據(jù)疊加原理，對(duì)于任意二進(jìn)制數(shù)根據(jù)疊加原理，對(duì)于任意二進(jìn)制數(shù) 輸出電壓輸出電壓為：為： 00min71123SUUU01234567aaaaaaaamin07002UaUiii）或（10iiaa第70頁(yè)/共99頁(yè)2 2）雙斜積分式ADCADC 基本原理： 通過(guò)兩次積分過(guò)程的比較，得到被測(cè)電壓值。對(duì)被測(cè)電壓的定時(shí)積分對(duì)參考電壓的定值積分 原理框圖包括積分器、0比較器、計(jì)數(shù)器及邏輯控制、閘門、電子開(kāi)關(guān)等。第71頁(yè)/共99頁(yè)2 2）雙斜積分式）雙斜積分式

46、ADCADC 第72頁(yè)/共99頁(yè)主主門門計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時(shí)時(shí)鐘鐘S1S2CRVx-VrVr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1 S S2 2Vot0t1復(fù)復(fù)零零t2t3VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零零T0f0T011T0被測(cè)電壓Ux為正被測(cè)電壓Ux為負(fù) xttxomURCTdtURCU121101322ttNomodtURCUu第73頁(yè)/共99頁(yè)2 2）雙斜積分式ADCADC 工作過(guò)程 準(zhǔn)備 階段（t0-t1）。開(kāi)關(guān)S4接通T0時(shí)間，積分電容C短接，使積分器輸出電壓Uo回到零（Vo=0）。 采樣階段 (

47、t1-t2)。接入被測(cè)電壓（設(shè)Ux為正），則積分器輸出Uo從零開(kāi)始線性地負(fù)向增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間T1，Uo達(dá)到最大Uom，式中， 為Ux的平均值， 為積分波形的斜率(定值) 比較階段(t2-t3)。接入?yún)⒖茧妷?若Ux為正，則接入-UN)，積分器輸出uo從Uom開(kāi)始線性地正向增長(zhǎng)(與Ux的積分方向相反)直至零。1TRCxxttxomoURCTURCttdtURCUu12111211011TxxdtUTU第74頁(yè)/共99頁(yè)2 2）雙斜積分式ADCADC 此時(shí)，零比較器翻轉(zhuǎn)。經(jīng)歷的反向積分時(shí)間為T2，則有： 將Uom代入可得： 由于T1、T2是通過(guò)對(duì)同一時(shí)鐘信號(hào)（設(shè)周期T0）計(jì)數(shù)得到（設(shè)計(jì)數(shù)值分別

48、為N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 式中， 為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（“V/字”）。 可見(jiàn)計(jì)數(shù)結(jié)果N2（數(shù)字量）即可表示被測(cè)電壓Ux，N2即為雙積分A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。NxUTTU12012322NttomNomoURCTUdtURCUu22112eNNNUUTTUNNx1NUeN第75頁(yè)/共99頁(yè)2 2）雙斜積分式ADCADC 雙斜積分式ADC特點(diǎn)： 基于V-T變換的比較測(cè)量原理。 一次測(cè)量包括3個(gè)連續(xù)過(guò)程，所需時(shí)間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測(cè)電壓Vx有關(guān)，Ux愈大T2愈大。一般轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十ms幾百ms，（轉(zhuǎn)換速度為幾次/秒幾十次/秒），其速度

49、是較低的，常用于高精度慢速測(cè)量的場(chǎng)合。 積分器的R、C元件對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，因而對(duì)元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。 參考電壓UN的精度和穩(wěn)定性對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精密基準(zhǔn)電壓源。 （例如，一個(gè)16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率1LSB=1/216 =1/655361510-6，那么，要求基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬(wàn)分之15）。第76頁(yè)/共99頁(yè)2 2）雙斜積分式ADCADC 雙積分式ADC特點(diǎn)： 比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時(shí)間分辨力（響應(yīng)帶寬）。如一個(gè)6位數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度時(shí)積分器輸出電壓為10V，則ADC的

50、1LSB=10V/106=10uV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于10uV。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時(shí)響應(yīng)積分器輸出信號(hào)快速（斜率較陡峭）過(guò)零時(shí)的能力。 積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力。如輸入電壓Ux=Ux+usm，則T1階段結(jié)束時(shí)積分器的輸出為 DVM的最大干擾來(lái)自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時(shí)間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號(hào)usm的平均值為零。smxttsmxomRCTURCTdtuURCUu11121第77頁(yè)/共99頁(yè)3 3）U-FU-F積分型ADCADC 基本原理: 將被測(cè)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的脈沖頻率，然后用計(jì)數(shù)的方法測(cè)出此頻

51、率，從而測(cè)出被測(cè)的模擬電壓大小。 電壓反饋式Uf轉(zhuǎn)換電路由高增益放大器A,Uf轉(zhuǎn)換器和高精度f(wàn)U轉(zhuǎn)換器組成一閉環(huán)系統(tǒng)。原理框圖原理框圖 UUo第78頁(yè)/共99頁(yè)3 3）U-FU-F積分型ADCADC 基本原理: 當(dāng)被測(cè)電壓Ux經(jīng)A放大后，輸出電壓Uo,經(jīng)過(guò)U-f 變換后獲得頻率為f的序列脈沖，經(jīng)過(guò)f-U 電路轉(zhuǎn)換為Uf, 再與Ux進(jìn)行比較，產(chǎn)生電壓差 ，當(dāng)放大器的增益足夠大時(shí)， ，即UfUx 電路達(dá)到平衡。因?yàn)閁f與頻率f成正比，所以Ux與f成正比： 從而實(shí)現(xiàn)了電壓-頻率的轉(zhuǎn)換。 (具體電路請(qǐng)大家在課后學(xué)習(xí)) fxUUU0UfkUx第79頁(yè)/共99頁(yè)3 34 4 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字

52、多用表 341 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) AC/DC變換 在一般模擬電壓表中，我們介紹過(guò)用二極管濾波器構(gòu)成簡(jiǎn)單的ACDC轉(zhuǎn)換器，但這種ACDC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性是非線性的，這種非線性在模擬式電壓表中可以用非線性刻度來(lái)校正但是直流數(shù)字電壓表是線性化的測(cè)量?jī)x器，它本身無(wú)法作這樣的校正，因此這種簡(jiǎn)單的ACDC轉(zhuǎn)換器不適用交流電壓的測(cè)量。第80頁(yè)/共99頁(yè)341 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) AC/DC變換1 1、當(dāng)輸入信號(hào)電壓、當(dāng)輸入信號(hào)電壓為正極性，為正極性，U Ux x 00時(shí)，時(shí)，U U1 1 0; D 0; D1 1導(dǎo)通、導(dǎo)通、D D2 2截止，截止，輸出電壓輸出電壓U Uo o=0=0。2 2、

53、當(dāng)輸入電壓為負(fù)、當(dāng)輸入電壓為負(fù)極性，極性， Ux 0Ux 0, 0, D D1 1截止、截止、D D2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，U Uo o=U=U1 1=R=R2 2U Ux x/R/R1 1運(yùn)放式精密半波檢波運(yùn)放式精密半波檢波第81頁(yè)/共99頁(yè)341 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) AC/DC變換1 1、當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，即，即ui0, Aui0, A點(diǎn)為負(fù)，點(diǎn)為負(fù)，VD1VD1截止，截止，VD2VD2導(dǎo)通，由半導(dǎo)通，由半波檢波器的輸出波檢波器的輸出- -輸入關(guān)系可知，輸入關(guān)系可知，半波檢波器輸出電壓為半波檢波器輸出電壓為iouRRu121加法電路對(duì)加法電路對(duì)UxUx和和Uo1 Uo1 兩

54、個(gè)電壓進(jìn)行兩個(gè)電壓進(jìn)行求和運(yùn)算求和運(yùn)算 iioiuRRuRRRRuRRuRRu351245)4535(10如果取如果取 R1= R2= R3= R5= 2R4R1= R2= R3= R5= 2R4iiiouuuu2運(yùn)放式精密全波檢波運(yùn)放式精密全波檢波加法器 精密半波檢波Uo1R4R5R3R2R1UxA第82頁(yè)/共99頁(yè)341 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) AC/DC變換2 2、當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，ui0ui0，A A點(diǎn)為正，點(diǎn)為正，VD1VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2VD2截止，跟前截止，跟前面講述的半波檢波器相同，面講述的半波檢波器相同，uo1uo1被箝被箝位到位到0 0伏。那么

55、加法電路的輸出為伏。那么加法電路的輸出為 ：iiuuRRu350綜上所述，精密全波檢波電路的輸綜上所述，精密全波檢波電路的輸出電壓為出電壓為： 0,0,iiiiouuuuu運(yùn)放式精密全波檢波運(yùn)放式精密全波檢波加法器 精密半波檢波Uo1R4R5R3R2R1UxA第83頁(yè)/共99頁(yè)341 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)I/V變換 基于歐姆定律，將被測(cè)電流通過(guò)一個(gè)已知的取樣電阻，測(cè)量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電流。為實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測(cè)量，可以選擇不同的取樣電阻。假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過(guò)量程開(kāi)關(guān)選擇取樣電阻分別為1k、100、10、1、0.1，便可測(cè)量200A、2mA、20mA、

56、200mA、2A的滿量程電流。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A第84頁(yè)/共99頁(yè) Z/V變換 對(duì)于純電阻，可用一個(gè)恒流源流過(guò)被測(cè)電阻，測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電阻阻值。 而對(duì)于電感、電容參數(shù)的測(cè)量，則需采用交流參考電壓，并將實(shí)部和虛部分離后分別測(cè)量得到。 電阻-電壓（R/V）變換原理圖。 3 34 41 1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)恒流源( (可調(diào)) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p取樣電阻弊端：弊端： 直接通過(guò)被測(cè)電阻采直接通過(guò)被測(cè)電

57、阻采樣，對(duì)大電阻測(cè)量不利。樣，對(duì)大電阻測(cè)量不利。實(shí)現(xiàn)R/V變換的簡(jiǎn)單原理第85頁(yè)/共99頁(yè)3 34 41 1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) 改進(jìn)型R/V變換電路 被測(cè)電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過(guò)一個(gè)已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr放大器輸出 ,于是 若將Vo作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即可實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量。1xorRVVR 1oxrVRRV 恒流源( (可調(diào)) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精密電阻VoVr通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量R/V變換第86頁(yè)/共99頁(yè) 組成框圖3 34 42 2 數(shù)字多用表A AC C/ /D DC CI

58、 I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Z第87頁(yè)/共99頁(yè)3 34 42 2 數(shù)字多用表數(shù)字多用表 數(shù)字多用表（數(shù)字多用表（DMMDMM）的主要特點(diǎn)）的主要特點(diǎn) DVMDVM的的功能擴(kuò)展功能擴(kuò)展。DMMDMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測(cè)量。電流、阻抗等測(cè)量。 測(cè)量分辨力和精度測(cè)量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)3 3位半位半8 8位半。位半。 一般一般內(nèi)置有微處理器內(nèi)置有微處理器?？蓪?shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、?？蓪?shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均自動(dòng)量程選擇，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動(dòng)測(cè)量功能。方根值）等自動(dòng)測(cè)量功能。 一般具有一般具有外部通信接口外部通信接口，如，如RS-232RS-232、GPI