電子測量技術(shù)第3章

1、u3.1 概述u3.2 電壓的模擬測量u3.3 電壓的數(shù)字化測量u3.4 電壓測量中的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器u3.5 數(shù)字多用表u3.6 數(shù)字電壓測量的誤差分析2u電壓測量是電子測量的一個重要內(nèi)容。n在表征電信號能量的三個基本參數(shù)(電壓、電流、功率)中,是最直接也是最普遍的n電路中的其他電參量包括電流、功率以及信號的調(diào)幅度、波形的非線性失真系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)的頻率特性、設(shè)備的靈敏度等等,都可視為電壓的派生量,通過電壓測量獲得其量值。 u電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單且應(yīng)用廣泛,這使電壓的數(shù)字化非常容易。 u利用各種傳感器和變換電路,可以把其他類型的物理信號(如溫度、壓力、流量、音響等)轉(zhuǎn)換為電壓,通過測量電壓來實現(xiàn)對這些參

2、量的測量。u頻率范圍n電壓測量的頻率范圍相當(dāng)廣n電子電路中電壓信號的頻率范圍相當(dāng)廣，除直流外，交流電壓的頻率從106 Hz(甚至更低)到109 Hz，頻段不同，測量方法也各異。u測量范圍n電壓幅值的變化范圍極寬 n電子電路中待測電壓的大小低至109 V，高到幾十伏、 幾百伏甚至上千伏。 n若信號電壓電平低， 則要求電壓表分辨力高， 而這些又會受到干擾、 內(nèi)部噪聲等的限制。 n若信號電壓電平高， 則要考慮電壓表輸入級中加接分壓網(wǎng)絡(luò)， 而這又會降低電壓表的輸入阻抗。u電壓波形n交流電壓波形多種多樣n電子電路中待測電壓的波形除正弦波外，還包括失真的正弦波以及各種非正弦波(方波、三角波、脈沖電壓等)。

3、n 不同波形的電壓的測量方法及對測量準確度的影響是不一樣的。u輸入特性n被測信號接入電壓表后,電壓表的等效輸入阻抗將對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。n電壓測量儀器的輸入電阻就是被測電路的額外負載，為了減小儀器的接入對被測電路的影響，要求其具有較高的輸入電阻。u測量精度 n直流電壓可獲得較高的測量準確度 n直流電壓測量中，各種分布性參數(shù)的影響極小，直流電壓的測量可獲得較高的測量準確度。n交流電壓必須經(jīng)交流-直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成直流電壓，同時高頻測量時分布參數(shù)的影響很難避免，交流電壓測量的精度比直流電壓精度低很多，通常只能達到10-5量級左右。u抗干擾性能 n高精度電壓測量要求電壓表具有足夠的抗干

4、擾能力n電壓測量易受外界干擾的影響，當(dāng)信號電壓較小時，干擾往往成為影響測量精度的主要因素，相應(yīng)要求高靈敏度電壓表(如數(shù)字式電壓表、高頻毫伏表等)必須具有較強的抗干擾能力，測量時也要特別注意采取相應(yīng)措施(例如正確的接線方式、必要的電磁屏蔽)，以減少外界干擾的影響。u電壓的模擬測量n是將被測電壓成比例地轉(zhuǎn)換為電流,再采用機械動圈式電流表進行測量。u直流電壓的數(shù)字測量n通過ADC實現(xiàn)高精度直流電壓的數(shù)字測量。u交流電壓的數(shù)字測量n經(jīng)過AC-DC變換后得到直流電壓再測u交流采樣n采用高速ADC直接對高頻信號進行數(shù)字化采集與處理,通過微處理器換算出有效值、峰值、均值u示波測量12u萬用表u電子電壓表n模

5、擬式：u磁電式電流表(表頭)作指示器n數(shù)字式：u利用AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓的測量均值電壓表峰值電壓有效值電表 數(shù) 字 顯 示 被測電壓的值u標準電池n標準電池利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定、可靠的電動勢,它是一種重要的電壓實物標準,常作為各級計量、檢定、研究和生產(chǎn)部門的直流電壓標準量具。14u齊納二極管電壓標準n利用了齊納二極管反向擊穿時的穩(wěn)壓特性,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn)集成,廣泛應(yīng)用于工程儀表中。n齊納二極管穩(wěn)壓特性存在溫度漂移的影響，采用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部恒溫控制電路可使其溫度系數(shù)變小。15u約瑟夫森量子電壓基準n電壓與頻率在約瑟夫森結(jié)上存在一個不受時間、空間環(huán)境變化的系數(shù)KJ。 n從1990年1月1日開

6、始,在世界范圍內(nèi)同時啟用了約瑟夫森電壓量子基準并給出了KJ常數(shù)值,記為KJ-90 483597.9GHz/V1618u交流電壓可以用峰值、幅值、平均值、有效值及瞬時值來表征。n交流電壓u(t)在一個周期內(nèi)偏離零電平的最大值n一般情況下,正峰值Up+和負峰值Up-并不相等19U0:直流分量Um：振幅,u(t)在一個周期內(nèi)偏離直流分量U0的最大值2001( )TavxUut dtT01|( )|TavxUu tdtT通常平均值就指全波平均值u交流電壓的平均值定義為u半波整流平均值：n交流電壓的正(負)半周在一個周期的平均值u全波整流平均值21u交流電壓有效值,是指該交流電壓在一個周期內(nèi)通過某一純電

7、阻負載時所產(chǎn)生的熱量,與一個直流電壓在同樣的條件下所產(chǎn)生的熱量相等時，該直流電壓的量值,記為Urmsu理想的正弦交流電壓u(t)=Upsin(t),若=2/T 201( )TrmsUut dtT10.7072ppUUU22u交流電壓的KF定義為該電壓的有效值與均值之比:rmsFavUKU(1/2)1.11(2/)2 2PFPUKUu對理想的正弦交流電壓u(t)=Upsin(t),若=2/T 23PPrmsUKUu對理想的正弦交流電壓u(t)=Upsin(t),若=2/T 21.41/2PPPUKUu交流電壓的Kp定義為該電壓的峰值與有效值之比24u常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表3-1得到如

8、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： 為脈沖寬度,T為周期 白噪聲：Kp=3(較大), KF=1.25。PKTFKT25u模擬測量 模擬電壓表 u數(shù)字測量 數(shù)字電壓表n雖然數(shù)字電壓表越來越普及,但就目前的技術(shù)條件來說,尤其是對于很高頻率信號的測量還不能完全取代模擬電壓表。u模擬式電子電壓表是通過ACDC變換器將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓后,再變換成直流電流,最后驅(qū)動磁電式電流表,通過指針來指示所測得的電壓。u測量交流電壓的儀表通常稱為電子電壓表或毫伏表 26u根

9、據(jù)檢波特性不同n平均值檢波電壓表n峰值 檢波 電壓表n有效值檢波電壓表27u對于交流電壓的測量通常有兩種基本方式：u放大檢波式：n測量靈敏度高但頻率范圍只能達到幾百kHzu檢波放大式：n頻率范圍可以從直流到幾百MHz,但其靈敏度較低。 直流放大讀數(shù)顯示檢波寬帶放大檢波讀數(shù)顯示28 u可變量程衰減器：通常是阻容分壓電路，用來改變均值表的量程，以適應(yīng)不同幅度的被測電壓。u寬帶放大器：通常采用多級負反饋電路,其性能往往是整個電壓表質(zhì)量的關(guān)鍵。u平均值檢波器：通過整流和濾波提取寬帶放大器輸出電壓的平均值，并輸出與它成正比的直流電流，最后驅(qū)動微安表指示電壓的大小。檢波器寬帶放大器衰減器A29u平均值檢波

10、原理 n由二極管橋式整流(全波整流和半波整流)電路完成u如圖,整流電路輸出直流電流I0,其平均值與被測輸入電壓u(t)的平均值成正比(與u(t)的波形無關(guān))u電容C用于濾除整流后的交流成分,避免指針擺動30u由于放大器頻率特性的限制,通常測量高頻信號的電壓表采用檢波放大式。u檢波放大式高頻毫伏表檢波器多采用峰值式n采用這種結(jié)構(gòu),放大器放大的是檢波后的直流信號,其頻率特性不會影響整個電壓表的頻率響應(yīng)n測量電壓的頻率范圍主要取決于檢波器頻率響應(yīng)31u峰值檢波器：檢波輸出的直流電壓與輸入交流信號峰值成比例。u常見的峰值檢波器有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。u二極管峰值檢波電路(a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形

11、)3233u基本要求：n放電時間常數(shù)遠大于輸入信號中最大的周期Tmaxn檢波器的充電時間常數(shù)遠小于放電時間常數(shù)； 放Tmax 充放u直接型RMS-DC運算法如圖所示,使用乘法器和運算放大器直接計算有效值u圖中第一級接成平方運算的模擬乘法器,其輸出正比于 ux2(t),第二級接成積分平均電路,第三級將積分器的輸出進行開方,最后輸出的電壓正比于被測電壓的有效值。34201( )TrmsxUut dtTu間接型RMS/DC運算法u圖中第一級為模擬乘法/除法器,第二級是由運算放大器組成的低通濾波器。它在電路的輸入級使用反饋間接實現(xiàn)平方根運算。uu2x/ U0將隨著輸入信號的有效值線性變化。3520(

12、)xUu tu采樣又稱為取樣。根據(jù)有效值的定義,若把連續(xù)積分變?yōu)樵谛盘栔芷趦?nèi)足夠多采樣值平方的代數(shù)和,則可得交流電壓有效值的另一表達式36211NrmsxiUuNu數(shù)字采樣法采用高速A-D器件,對信號進行實時逐點采樣,以實現(xiàn)交流信號的真有效值測量,還可以檢測出信號的瞬時特性,比如信號峰值、波形畸變因數(shù)等其它瞬時信號特性。u只要采樣的頻率足夠高,就可以盡量真實地再現(xiàn)被測信號。3738u熱電效應(yīng)：n兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起,組成一個閉合回路,當(dāng)兩節(jié)點處溫度不同時,回路中將產(chǎn)生電動勢,從而形成電流,這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。u當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時 (即TT0)

13、,則存在熱電動勢，且熱電動勢的大小與溫差T=T-T0成正比。鐵銅熱端熱電偶39u利用熱電偶有效值檢波u熱電偶：n將兩種不同金屬進行特別封裝并標定后,稱為一對熱電偶(簡稱熱偶)。u熱電偶溫度測量原理：n若冷端溫度為恒定的參考溫度,則通過熱電動勢就可得到熱端(被測溫度點)的溫度。u熱電偶有效值檢波原理：n若通過被測交流電壓對熱電偶的熱端進行加熱,則熱電動勢將反映該交流電壓的有效值,從而實現(xiàn)了有效值檢波。40u直流電流I與被測電壓u(t)的有效值U的關(guān)系： 電流I熱電動勢熱端與冷端的溫差,而熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值U的平方,故I U2BE+ACDA-Mux(t)41u在實際熱偶式電壓表中

14、,為了克服直流電流與被測電壓有效值的非線性關(guān)系(IkUx),利用兩個性能相同的熱電偶構(gòu)成熱電偶橋,稱為雙熱偶變換器,測量熱電偶M1:產(chǎn)生的熱電動勢Ex= KUx2平衡熱電偶M2:產(chǎn)生的熱電動勢Ef = KU02 E = ExEf0u在進行交流電壓測量時,國際上一直以有效值表示被測電壓的大小,因為有效值反映了被測信號的功率。但在實際測量中由于檢波器的工作特性不同所得結(jié)果有峰值、平均值、有效值之別。u各種特性的AC-DC變換器都應(yīng)該將最后的測量結(jié)果。42u均值電壓表的讀數(shù)都用正弦有效值進行定度u波形因數(shù)u平均值電壓表的讀數(shù)都用進行定度43avavK U1.112 2avavKU0.9avavU0.

15、9rmsFavFavUK UK44u如果不作修正,即將讀數(shù)當(dāng)成有效值時,將產(chǎn)生波形誤差v(1 0.9) 100%avrmsVFavavUUKu峰值電壓表的讀數(shù)都用正弦有效值進行定度n式中p為峰值電壓表的指示值,K為定度系數(shù), K= 2/2;Up為被測電壓的峰值。u當(dāng)被測電壓為非正弦波形時,應(yīng)進行波形換算才能得出被測電壓的有效值。首先將示值p折算成被測電壓的峰值45ppK U2ppUu有效值：u由于峰值電壓表的讀數(shù)沒有直接的物理意義,測量非正弦波時,如果不進行換算,將產(chǎn)生波形誤差462rmspPUK2100%(1) 100%prmsVppPUUK47例例1 1 用均值表（全波式）分別測量正弦波、

16、方波及三角波電壓，電壓表示值為10V，問被測電壓的有效值分別是多少伏？例例2 2用峰值電壓表分別測量正弦波、方波及三角波電壓，電表示值均為10V，問被測電壓有效值是多少？u例例3 3有效值電壓表的有限帶寬對測量非正弦電壓時的波形誤差。設(shè)某有效值電壓表帶寬為10MHz,用該電壓表測量下圖所示方波電壓,計算由電壓表帶寬引起的波形誤差。u解 為求解電壓表帶寬引起的波形誤差,需要對輸入電壓表的方波電壓的諧波成分進行分析。將方波電壓用付里葉級數(shù)表示為48411( )(sinsin 3sin 5.)35pu tUttt49 上式表示,方波電壓只含奇數(shù)次諧波分量,其總有效值應(yīng)為(基波與各次諧波有效值幾何合成

17、) 由圖,該方波基波頻率為f1=1/T=1MHz,若電壓表帶寬為10MHz,則該方波就只有基波(1MHz)、3次(3MHz)、5次(5MHz)、7次（7MHz）和9次諧波(9MHz)才能通過,而11次(11MHz)以上的諧波將被抑制。 此時,讀數(shù)值為224111.352rmspUU22224111110.9735792ppUU 50 若將上式的讀數(shù)值作為實際有效值,所產(chǎn)生的波形誤差為：結(jié)論：有效值電壓表其有限帶寬對測量非正弦電壓時的波形誤差總是負值(讀數(shù)結(jié)果偏小),顯然,電壓表帶寬愈寬(可通過的波形諧波頻率愈高),相應(yīng)的波形誤差愈小。 100%3%UU51電壓表電壓表組成組成原理原理主要適用主

18、要適用場合場合實測實測讀數(shù)讀數(shù)讀數(shù)讀數(shù)的物理意義的物理意義對正弦波對正弦波對非正弦波對非正弦波放大均值低頻信號視頻信號均值Uav1.11Uav有效值UrmsUrms=KFUav峰值放大 高頻信號峰值UP0.707 UP有效值UrmsUrms=UP/KP熱電偶式計算式非正弦信號有效值UrmsUrms真有效值Urms52u分貝n聲學(xué)中,分貝是表示音量強弱的一個單位。n通信系統(tǒng)中,也常用分貝表示電平或功率。u當(dāng)用分貝表示功率時,定義為：1210lg()PdBPu當(dāng)用分貝表示電壓時:1220lg()UdBU分貝是一個用對數(shù)表示的相對量值(記作dB),如果相對于一個確定的參考基準量,此時的分貝值則表示了

19、一個53：n若P2= P0(基準量),并取P0=1mW；P1=被測功率,用Px表示,其分貝值用dBm表示010lg10lg1XXWPP mWPPmW：020lg20lg0.775XXVUUPU54mVdB15-4060-28300-1415000VdB6+1230+26150+40600+52u分貝值的測量,實際上仍是電壓測量,僅是將原電壓示值取對數(shù)后在表盤上以分貝定度而已。n當(dāng)Ux U0時,分貝值為正;n當(dāng)Ux U0時,分貝值為負n當(dāng)Ux U0 ,分貝值為零。n下圖為MF20電子式多用表表盤上的刻度及電壓值與其分貝值的對照表。其測量范圍為-70+ 57 dB55mVdB15-4060-283

20、00-1415000VdB6+1230+26150+40600+52u例如：Ux =1.38V時,對應(yīng)的分貝值是u所以1.5V刻度1.38V處與分貝刻度+5dB對應(yīng)。01.38()20lg20lg50.755xxUUdBdBUu例如：用30V電壓刻度時,已知示值為27.5V,求對應(yīng)的分貝值應(yīng)為多少？u電壓表指針指在+5 dB處,顯然這不是Ux的分貝值u原因在于：nMF-20多用表的電壓基本量程是01.5V，表盤上的分貝值與該量程上電壓值相對應(yīng)5656mVdB15-4060-28300-1415000VdB6+1230+26150+40600+5227.5()20lg310.755xUdBdB5

21、7u寬頻電平表n具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為“寬頻電平表” 。n組成框圖：n在均值電壓表(放大-檢波式)基礎(chǔ)上設(shè)計的 A輸入輸入衰減器衰減器寬帶交流寬帶交流放大器放大器標準電平標準電平振蕩器振蕩器均值均值檢波器檢波器電平校準電平校準輸入輸入電平選擇電平選擇dB輸入輸入阻抗選擇阻抗選擇dB59u數(shù)字電壓表(DVM)是利用變換原理,將待測的模擬量變換成數(shù)字量,并將測量結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來的一種電壓表。60uDVM的組成n包括模擬和數(shù)字兩部分。u輸入電路：n對輸入電壓衰減/放大、變換等uA/D轉(zhuǎn)換器(核心部件)n實現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。u數(shù)字顯示器：n顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。u邏輯控制電路：n在

22、統(tǒng)一時鐘作用下,完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作61u應(yīng)用n直流或慢變化電壓信號的測量(通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器)。n通過AC-DC變換電路,也可測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。 n通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換,實現(xiàn)電流、阻抗等測量,進一步擴展其功能。n基于微處理器的智能化DVM稱為數(shù)字多用表nDMM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、方差計算等)和通信接口(如GPIB)。62u測量范圍 基本量程：不需要對被測電壓進行放大或衰減擴展量程：對輸入電壓進行10倍放大或衰減 完整顯示位非完整顯示位例如： 4 位，4位完整9999,1位非完整，最大顯示數(shù)字

23、為19999例如：被測電壓13.04用無超量程3位DVM,需要100V量程檔，顯示13.0V。用超量程3位DVM,即3 位DVM,可仍用10V量程檔，顯示13.04V。1263u分辨力 nDVM能夠顯示出的被測電壓的最小變化值,也即顯示器末位跳一個字所需的最小輸入電壓值n如3 DVM ,在200mV量程, 最大輸入電壓為: 199.9mV,其分辯力為0.1mV/字n由于分辨力與數(shù)字電壓表中A/D的位數(shù)有關(guān),位數(shù)越多,分辨力愈高,故有時稱具有多少位的分辨力。分辨力越高,被測電壓愈小,電壓表愈靈敏,故有時把分辨力稱作靈敏度。 64u測量誤差n數(shù)字電壓表的固有誤差用絕對誤差表示: U=(aUx+bU

24、m) = (aUx+n字)u任一讀數(shù)下的相對誤差為 xmxUUbaUU%讀數(shù)誤差 滿度誤差65【例例1】DS26A直流直流DVM的基本量程的基本量程8 V擋的固有誤差為擋的固有誤差為0.02%Ux0.005%Um， 最大顯示為最大顯示為79 999， 問滿度誤差問滿度誤差相當(dāng)于幾個字相當(dāng)于幾個字?【例例2】用用4 位位DVM測測1.5V電壓電壓,分別用分別用2V檔和檔和200V檔測檔測量量,已知已知: 2V檔固有誤差檔固有誤差:0.025%Ux1個字個字,200V檔檔:0.03%Ux1個字個字;問兩種情況下由固有誤差引起的問兩種情況下由固有誤差引起的測量誤差各為多少？測量誤差各為多少？結(jié)論結(jié)論

25、：1.不同量程不同量程“1個字個字”誤差對測結(jié)果不一樣，測量誤差對測結(jié)果不一樣，測量時應(yīng)盡量選擇合適的量程。時應(yīng)盡量選擇合適的量程。 2.雖然雖然DVM有有4 位分辨力，但不正確使用，則達不到位分辨力，但不正確使用，則達不到應(yīng)有的準確度。故分辨力高不等于準確度高。應(yīng)有的準確度。故分辨力高不等于準確度高。66u測量速率n測量速率指每秒鐘對被測電壓的測量次數(shù)，或完成一次測量所需的時間。u輸入阻抗與輸入電流n在直流測量時， DVM輸入阻抗用輸入電阻Ri表示，量程不一樣，Ri也有差別， 大體在101000 M之間。 n交流測量時，DVM輸入阻抗用輸入電阻Ri并聯(lián)輸入電容Ci表示，Ci一般在幾十至幾百皮

26、法之間。 68u 按A/D轉(zhuǎn)換器原理A/D變換變換積分式積分式比較式比較式雙斜式雙斜式、多斜式、多斜式脈沖調(diào)寬式脈沖調(diào)寬式電壓反饋型電壓反饋型V-F變換式變換式反饋比較式反饋比較式逐次比較式逐次比較式余數(shù)循環(huán)比較式余數(shù)循環(huán)比較式 直接比較式直接比較式 并聯(lián)比較式并聯(lián)比較式分級式（流水線式）分級式（流水線式）69u A AD D轉(zhuǎn)換器的種類繁多,用于DVM的主要有:u核心部件是積分器,因此速度較慢,轉(zhuǎn)換時間一般在ms級或更長。但抗干擾性能強,轉(zhuǎn)換精度可達0.01 或更高。u適于在數(shù)字電壓表類儀器中采用。u轉(zhuǎn)換時間一般在s級,轉(zhuǎn)換精度一般在0.1上下,適用于一般場合 70u雙積分n第1次對輸入電壓

27、Ux作定時(T1)積分n第2次對基準電壓Ur作定值積分u通過第二次積分得到與輸入電平的平均值成正比的時間間隔T2,在T2內(nèi)對時鐘脈沖計數(shù),完成UTD7172u抗干擾能力強n由于雙積分型A/D變換器只響應(yīng)于輸入電壓的平均值,因此對周期等于采樣周期 T1或等于 T1/n的對稱干擾有很強的抑制能力,即與輸入電壓Ux一道串入噪聲電壓(簡稱串模干擾)不會引起轉(zhuǎn)換誤差。73u性能/價格比高n因為在采樣及比較兩個時期內(nèi)采用同一個積分器和時鐘頻率,其影響可以相互抵消 ,使成本降低u缺點：1反向積分時間與時鐘周期不一定是整數(shù)倍，存在計數(shù)誤差。 2測量速度不高74u三斜積分式與雙斜式ADC原理圖十分相似。u三斜積

28、分式在反向積分時,除一段時間接入基準電壓Ur外,另有一段時間接入一個小2n倍的基準電壓Ur/2n。同時用另一個計數(shù)器,在對基準電壓Ur/2n 積分期間對同一時鐘進行計數(shù)。u三積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形是將雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的反向積分階段T2分為如圖所示的T21和T22n在T21期間,積分器對基準電壓Ur進行積分,放電速度較快;n在T22期間,積分器改為對較小的基準電壓Ur /k進行積分(k常取2n或10n),放電速度較慢。 76u逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換n逐次逼近寄存器SARnD/A轉(zhuǎn)換器n比較器n時序和控制邏輯等部分組成u其實質(zhì)是逐次把設(shè)定的SAR寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D

29、/A轉(zhuǎn)換后得到電壓U0,與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓UX進行比較。比較時,先從SAR的最高位開始,逐次確定各位的數(shù)碼應(yīng)是“1”還是“0”。77基本原理： 將被測電壓和一可變的已知電壓（基準電壓）進行逐次比較，最終逼近被測電壓。結(jié)構(gòu)框圖7879u設(shè)基準電壓滿度值U010V，被測電壓Ux6.285V，則電路完成一次AD變換的全部比較程序如下： 時鐘節(jié)拍移位寄存器數(shù)碼寄存器D/A輸出比較器輸出寄存器輸出 11000100051（Ux U0）10002010011007.50（Ux U0）10003001010106.251（Ux U0）10104000101016.875 0（Ux U0）101080UMAX

30、0.75 UMAX0.6875 UMAX0.75 UMAX0.625 UMAX0.5 UMAX0.5 UMAX第一次猜測值第一次猜測值 1000第二次猜測值第二次猜測值 1100第三次猜測值第三次猜測值 1010第四次猜測值第四次猜測值 1011Ux0 U4-位逐位逐次逼近次逼近A/D 轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程tu余數(shù)再循環(huán)比較式ADC81時鐘時鐘節(jié)拍節(jié)拍輸入電壓或余輸入電壓或余數(shù)存儲電壓數(shù)存儲電壓數(shù)據(jù)判別數(shù)據(jù)判別8 4 2 1 D/A輸出輸出余數(shù)電壓余數(shù)電壓（V）余數(shù)存儲余數(shù)存儲電壓（電壓（V）13.285001130.2852.8522.85001020. 858.538.5100080.55.0

31、45.00101500820-1-2-33 102 108 105 103.285NV uDMM具有測量直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻四種功能。u其最重要、最核心的部分是一個直流電壓表,除直流電壓測量外,其他測量功能都要把被測參數(shù)變?yōu)橹绷麟妷?測量才能完成。 u直流電壓表中最關(guān)鍵的是AD變換器。 86u數(shù)字多用表DMM的主要特點uDVM的功能擴展。DMM可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。u測量分辨力和精度有低、中、高三個檔級，位數(shù)3位半8位半。u一般內(nèi)置有微處理器。n可實現(xiàn)開機自檢、自動校準、自動量程選擇,以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動測量功能。u一般具有外部通信接

32、口。n如RS-232、GPIB等,易于組成自動測試系統(tǒng)87uAC/DC變換n模擬式電壓表利用二極管構(gòu)成的平均值和峰值檢波電路,驅(qū)動直流微安表指針偏轉(zhuǎn)。這種檢波器是非線性的,使檢波輸出的線性很差。uDMM采用如圖所示的運放式半波檢波電路。uR-U轉(zhuǎn)換器 基于歐姆定律n對于純電阻,可用一個恒流源流過被測電阻,測量被測電阻兩端的電壓,即可得到被測電阻阻值n對于電感、電容參數(shù)的測量,則需采用交流參考電壓,并將實部和虛部分離后分別測量得到。u如圖,直接通過恒流源I流過被測電阻Rx,并對Rx兩端的電壓放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器u為了實現(xiàn)不同量程電阻的測量,要求恒流源可調(diào)I恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A

33、/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻89u通過運放實現(xiàn)比例測量的R到U變換n將被測電阻作為反饋電阻,將恒流源輸出，流過一個已知的精密電阻RN,從而得到參考電壓UNUo正比于Rx,從而實現(xiàn)了R到U轉(zhuǎn)換。改變RN可換接量程。 NNRUI XNNXRRUIRU090uI/U變換 基于歐姆定律n將被測電流通過一個已知的取樣電阻,測量取樣電阻兩端的電壓,即可得到被測電流。n為實現(xiàn)不同量程的電流測量,可以選擇不同的取樣電阻。Ix9009090.90.1(200mV)

34、200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A92uDVM的固有誤差uDVM的示值(讀數(shù))相對誤差為：u固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。n讀數(shù)誤差:a%Ux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。n滿度誤差:b%Um 與當(dāng)前讀數(shù)無關(guān),只與選用的量程有關(guān)。幾個字xmxUaUUbUaU%xmxUUUbaUU%10093例 一臺3位半的DVM給出的精度為:(0.1%讀數(shù)+1字),如用該DVM的020V DC的基本量程分別測量5.00V和15.00V的電源電壓，試計算DVM測量的固有誤差。94u結(jié)論：u被測電

35、壓愈接近滿度電壓,測量的(相對)誤差愈小(這也是在使用DVM時應(yīng)注意的)。u當(dāng)被測量(讀數(shù)值)很小時,滿度誤差起主要作用,當(dāng)被測量較大時,讀數(shù)誤差起主要作用。u為減小滿度誤差的影響,應(yīng)合理選擇量程,以使被測量大于滿量程的2/3以上。95uDVM中各部件的誤差分析u以雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的DVM為例,考慮由輸入通道電路和A/D轉(zhuǎn)換器各組成部件的非理想而引入的誤差及相應(yīng)的誤差表達式。這些誤差包括：n積分器誤差；n比較器誤差；n模擬開關(guān)誤差；n基準電壓源誤差；n輸入衰減/放大器誤差；nA/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差。 96u干擾n是對有用被測信號的擾動,特別是當(dāng)被測信號較小(或微弱)時,干擾的影響顯得更為

36、嚴重。u必須提高電壓測量的抗干擾能力,特別是對于高分辨力高精度的數(shù)字電壓表更為重要。u干擾分為：n串摸干擾n共摸干擾97u串摸干擾n指干擾信號以串聯(lián)疊加的形式對被測信號產(chǎn)生的干擾；u共摸干擾n指干擾信號同時作用于DVM的兩個測量輸入端(稱為高端H和低端L)。被測信號Ux干擾信號Usm干擾信號Ucm被測信號Ux干干擾擾信信號號un被被測測電電壓壓VxHLDVM被被測測電電壓壓VxHLDVM干干擾擾信信號號ucm98u串模干擾起因及特性：n可能來自于被測信號源本身(例如,直流穩(wěn)壓電源輸出就存在紋波干擾)；n也可能從測量引線感應(yīng)進來的工頻(50Hz)或高頻干擾(如雷電或無線電發(fā)射引起的空中電磁干擾)。99u串模干擾起因及特性：n干擾源的頻率來說,可從直流、低頻到超高頻;干擾信號的波形可以是周期性的或非周期性的,可以是正弦波或非正弦波(如瞬間的尖峰脈沖干擾),甚至完全是隨機的。