第7章 電壓測量-7-2

1、電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第1頁電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第2頁電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第3頁111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第4頁電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第5頁10.6252電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第6頁1. 主要電路單元主要電路單元逐次比較型逐次比較型A/DA/D變換器的主要電路單元有變換器的主要電路單元有比較器比較器、 控制控制電路電路、 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARSAR、 緩沖寄存器緩沖寄存器、 譯碼顯示電路譯碼顯示電路和模和模/ /數(shù)數(shù)(D/

2、A)(D/A)變換器變換器。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第7頁圖圖7.7-77.7-7逐次逼近型數(shù)字電壓表的原理框圖逐次逼近型數(shù)字電壓表的原理框圖電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第8頁u比較器比較器應(yīng)用一種特殊設(shè)計(jì)的高速高增益運(yùn)算放大器來完應(yīng)用一種特殊設(shè)計(jì)的高速高增益運(yùn)算放大器來完成輸入端兩電壓的比較運(yùn)算。成輸入端兩電壓的比較運(yùn)算。 u模擬輸入電壓模擬輸入電壓Ux、反饋電壓反饋電壓U0分別作用在比較器輸入端，分別作用在比較器輸入端， 若若U0Ux，則比較器輸出則比較器輸出Qc=0( (邏輯低電平邏輯低電平) )，若U0Ux， 則Qc=1(邏輯高電平)。u控制器控制器發(fā)出一系列的節(jié)拍脈沖，并根據(jù)發(fā)出一系列的

3、節(jié)拍脈沖，并根據(jù)Qc值控制值控制SARSAR各位各位的輸出狀態(tài)。的輸出狀態(tài)。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第9頁SARSAR是一組是一組雙穩(wěn)觸發(fā)器雙穩(wěn)觸發(fā)器，如果是二進(jìn)制如果是二進(jìn)制n n位位A/D，則則SARSAR中就有中就有n n個(gè)雙穩(wěn)觸發(fā)器，各位的輸出由控制器個(gè)雙穩(wěn)觸發(fā)器，各位的輸出由控制器控制，并送往緩沖寄存器鎖存和送往控制，并送往緩沖寄存器鎖存和送往D/AD/A變換成模變換成模擬量擬量U0。D/A包括包括基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源、電子開關(guān)電路電子開關(guān)電路和由和由分壓分壓分流電路組成的解碼網(wǎng)絡(luò)分流電路組成的解碼網(wǎng)絡(luò)，其功能是將二進(jìn)制數(shù)字，其功能是將二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。量轉(zhuǎn)換成模擬量。 電子

4、測量技術(shù)電子測量技術(shù)第10頁例如例如，基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓是，基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓是Us=2.8 V，對(duì)于對(duì)于8 8 位位D/AD/A，當(dāng)輸入數(shù)字量為當(dāng)輸入數(shù)字量為1000000010000000時(shí)，輸出模擬電壓為時(shí)，輸出模擬電壓為U0=（128256）Us=1.4 V；當(dāng)輸入數(shù)字量為當(dāng)輸入數(shù)字量為0000000100000001時(shí)，輸出模擬電壓時(shí)，輸出模擬電壓U0=（1256）Us=10.94 mV。u可見，同是二進(jìn)制數(shù)碼可見，同是二進(jìn)制數(shù)碼“1”“1”，它在二進(jìn)制數(shù)中的位置不同，它在二進(jìn)制數(shù)中的位置不同，其所代表的值也不同，不同位置上的其所代表的值也不同，不同位置上的“1”“1”所代表的值

5、稱為所代表的值稱為權(quán)權(quán)值值。權(quán)電阻轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻轉(zhuǎn)換原理電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第11頁圖圖7.7-87.7-8是權(quán)電阻是權(quán)電阻D/AD/A變換原理，其中變換原理，其中S S0 0S S7 7是電子開關(guān)，是電子開關(guān)， 其通斷對(duì)應(yīng)于相應(yīng)位其通斷對(duì)應(yīng)于相應(yīng)位a ai i的取值，若的取值，若a ai i=1, =1, 則則S Si i通，若通，若a ai i=0=0，則，則S Si i斷。運(yùn)用第斷。運(yùn)用第3 3章介紹的運(yùn)算放大器的分析方法不難得出：章介紹的運(yùn)算放大器的分析方法不難得出： 當(dāng)當(dāng)S S0 0閉合閉合( (對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)n n位二進(jìn)制數(shù)最低位位二進(jìn)制數(shù)最低位(LSB)(LSB)a a0 0=1)

6、=1)時(shí)，有時(shí)，有min7s02IRUI(7.7-7)此時(shí)若此時(shí)若S1S1S7S7均斷開，則輸出電壓為均斷開，則輸出電壓為min07so2UUU(7.7-8)電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第12頁圖圖7.7-8 7.7-8 權(quán)電阻權(quán)電阻A/DA/D變換原理變換原理電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第13頁當(dāng)當(dāng)D/AD/A輸入為任意二進(jìn)制數(shù)字量輸入為任意二進(jìn)制數(shù)字量a a7 7a a6 6a a2 2a a1 1a a0 0時(shí)，時(shí)， 輸出電壓輸出電壓為為)01(270min00iiiiaaUaUi或(7.7-9)權(quán)電阻解碼電路中電阻個(gè)數(shù)較少，權(quán)電阻解碼電路中電阻個(gè)數(shù)較少， 但阻值大小不一，但阻值大小不一， 制造

7、較為困難。制造較為困難。T T型解碼電路型解碼電路圖圖7.7-9(a)7.7-9(a)所示的所示的T T型解碼電路雖然電阻個(gè)數(shù)較多，型解碼電路雖然電阻個(gè)數(shù)較多， 但電阻值僅為兩種，但電阻值僅為兩種， 很適宜集成制造工藝。很適宜集成制造工藝。 可以用圖可以用圖(b)(b)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)i i等效電路來分析其工作原理。等效電路來分析其工作原理。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第14頁圖圖7.7-97.7-9T T型電路型電路D/AD/A變換原理變換原理電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第15頁可以用圖可以用圖(b)(b)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)i i等效電路來分析其工作原理。等效電路來分析其工作原理。 對(duì)對(duì)于于0 07 7的任意節(jié)點(diǎn)的任

8、意節(jié)點(diǎn)i i， 左、左、 右兩側(cè)的等效電阻均為右兩側(cè)的等效電阻均為2 2R R， 因此其節(jié)點(diǎn)電位因此其節(jié)點(diǎn)電位( (a ai i=1=1時(shí)時(shí)) )為為s31UUi(7.7-10)當(dāng)該節(jié)點(diǎn)電位向輸出端傳送時(shí)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)電位向輸出端傳送時(shí)， 要經(jīng)過多節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)要經(jīng)過多節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，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”0”節(jié)點(diǎn)電位傳送到節(jié)點(diǎn)電位傳送到輸出端時(shí)，輸出端時(shí)， 要經(jīng)過七節(jié)電阻衰減器衰減，要經(jīng)過七節(jié)電阻衰減器衰減， 所以傳送到輸所以傳送到輸出端的電壓為出端的電壓為電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第16頁s703121UU(7.7-11)根據(jù)疊加原理，根據(jù)疊加原理， 對(duì)于

9、任意二進(jìn)制數(shù)對(duì)于任意二進(jìn)制數(shù)a a7 7a a6 6a a2 2a a1 1a a0 0， 輸輸出電壓為出電壓為)01(270min00iiiiaaUaUi或(7.7-12)電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第17頁2. 逐次比較型逐次比較型A/D的工作原理的工作原理逐次比較型逐次比較型A/DA/D的工作原理類似于天平稱質(zhì)量的過程的工作原理類似于天平稱質(zhì)量的過程( (因而逐次比較又稱稱量法因而逐次比較又稱稱量法) )。 它利用對(duì)分搜索原理，它利用對(duì)分搜索原理， 依依次按二進(jìn)制遞減規(guī)律減小，次按二進(jìn)制遞減規(guī)律減小， 從數(shù)字碼的最高位從數(shù)字碼的最高位(LMB(LMB或或MSBMSB， 相當(dāng)于滿度值相當(dāng)于滿度

10、值FSFS的一半的一半) )開始，開始， 逐次比較到低位，逐次比較到低位， 使使U U0 0逐逐次逼近次逼近Ux。現(xiàn)以一個(gè)簡單的現(xiàn)以一個(gè)簡單的3 3比特比特(3(3位二進(jìn)制位二進(jìn)制) )逐次比較過程說明逐次比較過程說明其原理。其原理。 設(shè)基準(zhǔn)電壓設(shè)基準(zhǔn)電壓Us=8 V， 輸入電壓輸入電壓Ux=5 V， 3 3 比特比特SARSAR的輸出為的輸出為Q2Q1Q0。 三位逐次比較流程圖如圖三位逐次比較流程圖如圖7.7-107.7-10所示。所示。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第18頁圖圖7.7-107.7-10三位逐次比較流程圖三位逐次比較流程圖電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第19頁u控制電路首先置控制電路首先

11、置SARSAR的輸出的輸出Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=100=100，即從最高位，即從最高位MSBMSB開始開始比較，比較，100100經(jīng)經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成U U0 0= =U Us s/2=4 V/2=4 V，加至比較器，加至比較器，U Ux xU U0 0， 比較器輸出比較器輸出Q Qc c=1,=1,使使Q Q2 2維持維持“1”(“1”(留碼留碼) )。 u再令再令Q Q1 1=1,=1,即即Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=110=110，加至，加至D/AD/A，使輸出，使輸出U U0 0=6 V=6 V，因?yàn)?，因?yàn)閁 Ux x 00， 零比較零比較器輸出由低電

12、平跳變到高電平。器輸出由低電平跳變到高電平。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第26頁打開計(jì)數(shù)閘門，時(shí)鐘脈沖通過閘門，計(jì)數(shù)器開始減法打開計(jì)數(shù)閘門，時(shí)鐘脈沖通過閘門，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)。由于時(shí)鐘是等周期計(jì)數(shù)。由于時(shí)鐘是等周期T T0 0的脈沖，因此這里的計(jì)數(shù)實(shí)質(zhì)的脈沖，因此這里的計(jì)數(shù)實(shí)質(zhì)上就是計(jì)時(shí)。經(jīng)過預(yù)置時(shí)間上就是計(jì)時(shí)。經(jīng)過預(yù)置時(shí)間T T1 1( (對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器預(yù)置初值對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器預(yù)置初值N N1 1) )，到，到達(dá)達(dá)t t2 2時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，并復(fù)零。此時(shí)積分器的輸出達(dá)到最時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，并復(fù)零。此時(shí)積分器的輸出達(dá)到最大值：大值：xxttxURCTNURCTtURCU0110md )(121(7.7-13

13、)電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第27頁比較階段比較階段( (t t2 2t t3 3) )： 在取樣結(jié)束，在取樣結(jié)束， 計(jì)數(shù)器復(fù)零時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)零時(shí)， 控控制邏輯斷開制邏輯斷開S S1 1， 接通正基準(zhǔn)電壓接通正基準(zhǔn)電壓U Us s， U Us s接到積分器進(jìn)行反接到積分器進(jìn)行反向積分，向積分， 輸出輸出U U0 0線性下降。線性下降。 與此同時(shí)，與此同時(shí)， 計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)器從零開始進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。 到達(dá)到達(dá)t t3 3時(shí)刻，時(shí)刻， 積分器輸出積分器輸出U U0 0=0=0， 零比較器零比較器由高電平跳到低電平，由高電平跳到低電平， 閘門關(guān)閉，閘門關(guān)閉， 停止計(jì)數(shù)，停止計(jì)數(shù)， 設(shè)此時(shí)

14、計(jì)設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器值為數(shù)器值為N N2 2， 則反向積分時(shí)間則反向積分時(shí)間T T2 2= =t t3 3t t2 2= =N N2 2T T0 0。 比較階段積比較階段積分器的輸出電壓為分器的輸出電壓為tURCUUttd 11s0m0(7.7-14)電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第28頁在在t t3 3時(shí)刻，時(shí)刻， U U0 0=0=0， 因此因此s02s2s0md 132URCTNURCTtURCUtt(7.7-15)將式將式(7.7-14)(7.7-14)代入上式得代入上式得s12s12UTTUNNUx(7.7-16)從而得到了被測電壓值。從而得到了被測電壓值。 適當(dāng)?shù)剡x擇時(shí)鐘周期適當(dāng)?shù)剡x擇時(shí)鐘周期

15、T T0 0和取樣時(shí)和取樣時(shí)間，間， 可以使計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值直接對(duì)應(yīng)被測電壓值?？梢允褂?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值直接對(duì)應(yīng)被測電壓值。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第29頁如果被測電壓為正如果被測電壓為正U Ux x , , 則只需在比較開始時(shí)將基準(zhǔn)電則只需在比較開始時(shí)將基準(zhǔn)電壓壓-Us-Us接入即可。接入即可。 由式由式(7.7-16)(7.7-16)可以看到，可以看到， 計(jì)數(shù)結(jié)果與計(jì)數(shù)結(jié)果與R R、 C C元件無關(guān)，元件無關(guān)， 因而對(duì)積分元件的精度要求不高。因而對(duì)積分元件的精度要求不高。 另外，另外， 取樣和比較階段都使用同一計(jì)數(shù)器對(duì)同一時(shí)鐘源脈沖計(jì)取樣和比較階段都使用同一計(jì)數(shù)器對(duì)同一時(shí)鐘源脈沖計(jì)數(shù)，數(shù)， 因而對(duì)時(shí)鐘源要求也不高。因而對(duì)時(shí)鐘源要求也不高。電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第30頁主主門門計(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電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第31頁電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第32頁21111()tsmomxsmxtTTVVvdtVvRCRCRC 電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)第33頁國產(chǎn)國產(chǎn)TD-830TD-830