第5章 電子電壓表

5.1交流電壓的表征5.1.1交流電壓的表征概述

1.峰值Up

任意一個周期性的交流電壓u(t)，在一個周期內(nèi)所出現(xiàn)的最大瞬時值，稱為該交流電壓的峰值，以Up表示。峰值有正峰值(Up+)和負(fù)峰值(Up-)之分，其幾何意義如圖所示峰值與振幅值的概念不同，峰值是從參考零電平開始計算的，而振幅值是以交流電壓中的直流分量為參考電平計算的。當(dāng)電壓中包含直流分量時，振幅值與峰值是不相等的，當(dāng)電壓中的直流分量為零時，則峰值等于振幅值。

2.平均值

由于在實(shí)際電壓測量中，總是將交流電壓通過檢波器變換成直流電壓再進(jìn)行測量，因此在電壓測量中，平均值一詞通常是指交流電壓檢波以后的平均值。根據(jù)檢波器的種類，又分為半波平均值和全波平均值

。對于不含直流成分的純交流電壓。在測量電壓時，如不加說明，平均值就是指的全波平均值。平均值

在數(shù)學(xué)上的定義為3.有效值有效值的物理意義是：交流電壓在一個周期內(nèi)，在一個純電阻負(fù)載中所產(chǎn)生的熱量與另一個直流電壓在同樣情況下產(chǎn)生的熱量相等時，這個直流電壓的值就是該交流電壓的有效值，記為U，即有效值比峰值或平均值的應(yīng)用更為普遍。例如，通常說某一交流電壓多少伏，幾乎毫無例外地都是指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，一般都是按正弦波有效值定度的。正弦波交流電壓的平均值、有效值與峰值之間的關(guān)系如圖所示。其換算關(guān)系見表。5.1.2常用的電壓測量儀器常用測量電壓的儀器有模擬式電壓測量、電子電壓測量和數(shù)字式電壓測量3種類型。

1.模擬式電壓測量模擬式電壓測量一般是指“指針式電壓表”，它把被測電壓加到磁電式電流表上，轉(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)角度的大小來度量。另一種模擬測量是把被測量電壓變換成圖形高度來測量的儀表，如示波器等。2.電子電壓測量電子電壓表(AVM)是通過放大-檢波或檢波-放大電路，將被測電壓變換成直流電壓，然后進(jìn)行測量。電子電壓表主要用于測量各種高、低頻信號電壓，它是電子測量中使用最廣泛的儀器之一。

3.數(shù)字式電壓測量數(shù)字式電壓表(DVM)是指把被測電壓的數(shù)值通過數(shù)字技術(shù)，變換成數(shù)字量(A/D),然后用數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測量的電壓值。數(shù)字式電壓表具有精度高、量程寬、顯示位數(shù)多、分辨率高、易于實(shí)現(xiàn)測量自動化等優(yōu)點(diǎn)，在電壓測量中逐漸占據(jù)了重要的地位。5.2模擬電子電壓表的工作原理5.2.1模擬式交流電壓表的類型根據(jù)AC/DC變換(檢波)電路的先后順序不同，模擬式交流電壓表大致可分成以下幾種類型。1.直接檢波式電壓表2.放大-檢波式電壓表3.檢波-放大式電壓表4.調(diào)制式電壓表5.外差式電壓表1.直接檢波式電壓表圖所示為直接檢波式電壓表的框圖，它是將被測電壓檢波后，直接由電壓表指示出被測電壓值。萬用表的交流測量就屬此類。另外，該類型的表通常作為電子設(shè)備內(nèi)部自備的指示儀表。2.放大-檢波式電壓表圖為放大-檢波式電壓表框圖，被測交流電壓先經(jīng)寬帶放大器放大，然后再檢波變成直流電壓，驅(qū)動電流表偏轉(zhuǎn)。由于先進(jìn)行放大，可以提高輸入阻抗的靈敏度，避免了檢波電路工作在小信號時所造成的刻度非線性及直流放大器存在的漂移問題。但是測量電壓的頻率范圍受放大器頻帶限制，一般這種電壓表的上限頻率為兆赫級，最小量程為毫伏級。3.檢波-放大式電壓表圖所示為檢波一放大式電壓表的組成框圖。它將被測電壓經(jīng)檢波器檢波變成直流電壓，經(jīng)直流放大器放大后驅(qū)動直流微安表偏轉(zhuǎn)。該類電壓表放大器的頻率特性不影響整個電壓表的頻率響應(yīng)，因此測量電壓的頻率范圍主要決定于檢波電路的頻率響應(yīng)，其上限頻率可達(dá)1GHz，此類電壓表稱為高頻毫伏表。4、調(diào)制式電壓表圖所示為調(diào)制式電壓表的原理框圖。為了使被測的高頻電壓在數(shù)值很小的情況下，仍能驅(qū)動微安表產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)，這就要求直流放大器具有較高的增益。但是一般情況下高倍直流放大器的零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，所以采用調(diào)制式放大器。其工作原理是：被測的高頻電壓經(jīng)過探極中的峰值檢波器變成直流電壓，送到儀器的輸入端；經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換和濾波器，再通過斬波器將直流電壓變成交流(一般為50Hz)電壓，然后進(jìn)行交流放大；最后經(jīng)檢波器解調(diào)，變成與輸入相對應(yīng)但被放大了的直流電壓，驅(qū)動微安表指針偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)測量高頻的目的。從以上討論可知，不管哪一種類型的交流電壓表，它們的核心都是檢波器。一個交流電壓的大小，可用它的峰值(UP)、平均值(U)或有效值(U)來表征。根據(jù)交流電壓的3種表征，電壓表又可分為峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表。但不管是哪一種檢波器做成的電壓表，其電流表的刻度，除特別情況外，一般都是按正弦波有效值來度量的。因此，在使用模擬交流電壓表時要特別注意這一點(diǎn)。也就是說，一般模擬交流電表只能用來測量正弦波電壓，而對于非正弦波或失真的正弦波用模擬交流電壓表測量時，其示值是沒有意義的。5、外差式電壓表原理框圖如圖所示。被測電壓通過輸入回路(包括輸入衰減器和高頻放大器)在混頻器中與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的信號混頻，輸出中頻信號，再經(jīng)中頻放大，然后檢波，最后由直流表頭指示。由于外差式電壓表的中頻是固定不變的，中頻放大器具有良好的頻率選擇性和相當(dāng)高的增益，從而解決了放大器的帶寬與增益的矛盾。而因中頻放大器通帶極窄，在實(shí)現(xiàn)高增益的同時，可以有效地削弱干擾和噪聲的影響，使電壓表的靈敏度提高到微伏級，故這種電壓表又稱為高頻微伏表。如果外差式電壓表的輸入端配上小型環(huán)形天線，還可測量高頻信號發(fā)生器的泄漏和輻射，甚至還可作為無線電計量用的一級標(biāo)準(zhǔn)儀器。5.2.2電壓表的波形誤差由于電子電壓表所要測量的交流電的頻率范圍寬、幅度差別大、波形種類多、含有噪聲干擾等，所以不同種類的電子電壓表測量不同的交流電會帶來不同的誤差。通過前面的學(xué)習(xí)，可知交流電壓的量值可采用平均值電壓、峰值電壓和有效值電壓等多種形式表示。采用的形式不同，數(shù)值也不同。但多種形式反映的是同一個被測量，這些數(shù)值之間可以相互轉(zhuǎn)換。

1.波形因數(shù)電壓的有效值與平均值之比稱為波形因數(shù)KF，即:

2.波峰因數(shù)電壓的峰值與有效值之比稱為波峰因數(shù)Kp，即常見的幾種電壓形式的波形因數(shù)和波峰因數(shù)如表3-2所示。由于正弦波是最基本、應(yīng)用最普遍的波形，有效值是使用最廣泛的電壓參數(shù)，所以幾乎所有的交流電壓表都是按照正弦波的有效值定度的。但在實(shí)際工作過程中，會遇到各種各樣的波形，那么這些波形的電壓在用交流電壓表測量時，所顯示的數(shù)值，即示值是不是所測量的實(shí)際數(shù)據(jù)呢?答案是否定的。如果檢波器不是有效值的，則其標(biāo)稱值(即示值α)與實(shí)際響應(yīng)值之間存在一個系數(shù)，此即電壓表的定度系數(shù)，記為K。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目7：電子電壓表原理和使用

實(shí)訓(xùn)目的了解電子電壓表的工作原理和使用。

實(shí)訓(xùn)要求掌握電子電壓表的波形誤差的計算方法。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容測量和計算不同波形的峰值、有效值和平均值。

每位同學(xué)使用信號源產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，每種波形任選5個電壓波形，使用示波器分別測試和計算這個信號峰值、平均值和有效值。自己設(shè)計測試結(jié)果記錄，記錄應(yīng)包括測試項(xiàng)目名稱，使用儀器設(shè)備（包括設(shè)備名稱和型號），測試時間，測試地點(diǎn)，測試人員，測試結(jié)果。其中測試結(jié)果建議以表格方式體現(xiàn)，應(yīng)包括序號、波形、Vpp、示波器測試峰值，平均值和有效值。注意：儀器設(shè)備安全使用，保護(hù)人身和設(shè)備安全。測試過程準(zhǔn)確、高效。測試數(shù)據(jù)的讀取和計算，修約間隔10-1，中間計算過程的數(shù)據(jù)處理。測試結(jié)果是由數(shù)值和單位組成，單位的填寫。5.3電子電壓表的檢波器5.3.1峰值檢波器峰值檢波器輸出的直流電壓正比于輸入交流電壓的峰值。其主要形式有串聯(lián)式和并聯(lián)式。

1、串聯(lián)式峰值檢波器串聯(lián)式峰值檢波器由檢波二極管VD、檢波電容C和檢波負(fù)載R組成。其原理電路如圖所示。由于檢波電容器C能快速充電，而又極緩慢地放電，故使電容器兩端的平均電壓Uo與被測電壓的峰值Up近似相等。如果用一個高內(nèi)阻的直流電壓表來檢測負(fù)載電阻R上的電壓，就可以直接用來測量交流電壓的峰值。但一般情況下，其刻度仍以正弦電壓的有效值定度。它是正弦波峰值的倍，因此，必須把指示值乘以才能表示被測電壓的峰值。當(dāng)被測電壓中含有直流分量時，因?yàn)榇?lián)式峰值檢波器沒有隔直電容器，所以測出的電壓不僅僅是交流分量的振幅值，也包含直流分量在內(nèi)。當(dāng)被測電壓為不對稱波形時，若用信號正半周向檢波電容器充電，電壓表反映的是正半周的峰值電壓;如果將被測電壓反極性與電壓表連接，則測出的是負(fù)半周的峰值電壓。顯然，測得的正、負(fù)半周的峰值電壓值是不相等的。因此，儀器常采用并聯(lián)式峰值檢波器。

2、并聯(lián)式峰值檢波器并聯(lián)式峰值檢波器電路如圖所示。由于電容器能快速充電而緩慢放電，使電容器兩端電壓的平均值近似等于被測電壓的峰值，電阻R上的電壓uR等于電容器電壓uc與被測交流電壓ux(t)之和，即uR是鉗位在零電平之下的正弦波。經(jīng)濾波后，取出uR中的直流分量Uo(即uc的平均值)，它等于被測交流電壓的峰值Up，符號為負(fù)。在并聯(lián)式峰值檢波器中，當(dāng)被測電壓為對稱的正弦波時，檢波器輸出的直流電壓正比于正弦波的峰值電壓，電壓表的刻度也按有效值定度。并聯(lián)式峰值檢波器的檢波電容C還具有隔斷被測電壓中直流分量的作用，不但可以保護(hù)檢波二極管不被擊穿，而且使測量的結(jié)果始終為交流分量的振幅值。在峰值檢波器電路中，應(yīng)滿足電容器的充電時間常數(shù)遠(yuǎn)小于被測信號的最小周期，放電時間常數(shù)遠(yuǎn)大于被測信號的最大周期的條件。這樣，檢波器輸出的直流電壓才能近似等于被測交流電壓的峰值。5.3.2平均值檢波器平均值檢波器輸出的直流電壓(或流過指示電流表的電流)正比于輸入交流電壓的平均值。平均值檢波器有半波式和全波式兩種，其原理電路如圖所示，其中(a)、(b)為半波平均檢波器，(c)、(d)為全波平均檢波器在平均值檢波器中，不論被測電壓是什么波形，流過微安表的電流都與被測電壓的平均值成正比。由于正弦波是最基本的和應(yīng)用最普遍的波形，同時考慮到有效值的實(shí)際意義，所以平均值電壓表亦按有效值定度。如果是全波平均值檢波器，則根據(jù)正弦波有效值與平均值的換算關(guān)系定度，電壓表的刻度就是按被測交流電壓的平均值乘以系數(shù)1.11后定度的。當(dāng)用這種電壓表去測量非正弦電壓時，因?yàn)榉钦也ǖ挠行е蹬c平均值的比值同正弦波的不一樣，其讀數(shù)并不等于被測電壓的有效值。這時可先將電壓表的讀數(shù)除以1.11求出被測電壓的平均值，然后再根據(jù)表3-2的該波形換算關(guān)系，求出被測的非正弦電壓的有效值，也可以求出其峰值。5.3.3有效值檢波器在實(shí)際工作中，經(jīng)常有人說某一交流電壓多少伏，這里所說的多少伏就是電壓的有效值。有效值的物理意義是：交流電壓一個周期內(nèi)，在一純電阻負(fù)載中所產(chǎn)生的熱量與另一直流電壓在同樣情況下產(chǎn)生的熱量相等時，這個直流電壓的值就是該交流電壓的有效值，記為U。數(shù)學(xué)上，有效值與均方根同義，有：目前常用的有效值檢波器有如下3種。

1)分段逼近式有效值檢波器根據(jù)有效值的定義，要求有效值檢波器應(yīng)具有平方律關(guān)系的伏安特性。如利用二極管正向特性曲線的起始部分和平方律特性比較接近的特征，可實(shí)現(xiàn)平方律檢波。

2)熱電轉(zhuǎn)換式有效值檢波器熱電轉(zhuǎn)換式有效值檢波器利用熱電效應(yīng)及熱電偶的熱電轉(zhuǎn)換功能來實(shí)現(xiàn)有效值的變換。

3)計算式有效值檢波器熱電偶式有效值電壓表存在兩個缺點(diǎn):一個是有熱慣性，加電后要等到指針偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定后才能讀數(shù);另一個是加熱絲過載能力差，容易燒壞。因此，在現(xiàn)代電壓表中廣泛應(yīng)用模擬計算式有效值檢波器，即利用集成乘法器、積分器和開方器等計算電路，按有效值的定義，直接完成有效值的計算。5.3.4電子電壓表的放大器電子電壓表中放大器應(yīng)具有的特點(diǎn)是：輸入阻抗高、頻帶寬、動態(tài)范圍大、線性好。為滿足上述要求，電路中常采取一些措施，如前置級采用射極輸出器或源極輸出器以提高輸入阻抗;用較高的電壓供電，采用飽和壓降小的三極管和選取合適的靜態(tài)工作點(diǎn)以擴(kuò)大動態(tài)范圍;中間級采用線性補(bǔ)償、負(fù)反饋以獲得良好的放大特性；為擴(kuò)展上限頻率，在電子電壓表中采用各種高頻補(bǔ)償措施，如加電抗元件進(jìn)行補(bǔ)償、電路中引入深的負(fù)反饋或改進(jìn)電路等。5.3.5均值電壓表的定度系數(shù)和波形誤差

1.定度系數(shù)如果用一個平均值檢波器電壓表測量一個方波電壓，顯示的值為10v，由于交流電壓表都是按照正弦波有效值進(jìn)行刻度，即如果用平均值檢波器電壓表測量的是一個有效值為10v的正弦波，該電壓表也顯示10v。那么測量的方波電壓的平均值是多少呢?

由波形因數(shù)的定義可知，有效值為10v正弦波的平均值為在平均值檢波器中，不論被測電壓是什么波形，流過微安表的電流都與被測電壓的平均值成正比。因此，平均值檢波器電壓表測量方波的平均值也是9V。即對于平均值檢波器電壓表，電壓表的定度系數(shù)為也就是說，如果平均值檢波器電壓表測量一個方波電壓，示值是α，那么實(shí)際該方波電壓的平均值即為如果要知道該方波電壓的有效值，可以通過波形因數(shù)的定義計算求得方波電壓的有效值為這里是以方波電壓為例得到的關(guān)系，但實(shí)際上，該式對于任何波形電壓的測量都成立。因此，均值電壓表的讀數(shù)間接反映了被測量(均值)的大小，即均值電壓表的讀數(shù)乘以0.9等于被測電壓的平均值。2.波形誤差對于均值電壓表，測量非正弦電壓或失真的正弦波電壓時，其讀數(shù)與實(shí)際電壓平均值有誤差，這個誤差是由被測電壓波形的不同帶來的，因此，該誤差稱為波形誤差。那么對于均值電壓表，波形誤差為顯然，測正弦波時γw=0。由于各波形的波形因數(shù)與正弦波相差不大，因此，均值電壓表的波形失真小。但是，當(dāng)用均值電壓表測量失真正弦電壓的有效值時，其測量誤差不僅取決于各次諧波的幅度，也取決于它們的相位。3.誤差分析除了上面講到的波形誤差外，均值電壓表還會產(chǎn)生如下誤差。

1)頻響誤差若輸入信號頻率很低，直流表頭的指針由于其時間常數(shù)的限制，不能穩(wěn)定在檢波器輸出的平均值處，而是有一定的波動，產(chǎn)生低頻誤差。當(dāng)輸入信號頻率高時，檢波器的結(jié)電容及電路分布參數(shù)的影響越來越嚴(yán)重，從而引起高頻誤差。

2)檢波特性變化引起的誤差由于檢波電流與檢波管的正向電阻、電流表內(nèi)阻等參數(shù)發(fā)生變化，也會產(chǎn)生一定的誤差，但一般可忽略。3)噪聲誤差當(dāng)輸入信號較弱時，檢波器固有噪聲的影響較大而引起一定的誤差。5.3.6峰值電壓表的定度系數(shù)和波形誤差1.定度系數(shù)經(jīng)過同樣的分析，如果峰值電壓表測量被測電壓的峰值為Up，按正弦有效值定度，則示值α為即用峰值交流電壓表測量非正弦交流電壓時，電壓表仍然可以反映出被測電壓的峰值。但由于電壓表刻度是以正弦波有效值定度的，它是正弦波峰值的倍。因此，必須把指示值乘以倍才能表示被測電壓的峰值，而要知道被測電壓的有效值時，必須根據(jù)其波形的性質(zhì)，按表3一1所示的波形換算表算出被測電壓的有效值。

2.波形誤差同均值電壓表測量產(chǎn)生波形誤差一樣，用峰值電壓表測量非正弦波或失真的正弦波電壓時，若將讀數(shù)當(dāng)成輸入電壓的有效值，也會產(chǎn)生波形誤差。而且，峰值電壓表的波形失真較大。但用峰值電壓表測量正弦電壓時，讀數(shù)就是該正弦電壓有效值。

3.誤差分析除了上面講到的波形誤差外，峰值電壓表還會產(chǎn)生如下誤差。

1)理論誤差從峰值檢波器的工作波形可以看出，檢波器輸出電壓的平均值總是略小于被測電壓的峰值。而在討論過程中，忽略了這個小的誤差，此時產(chǎn)生的誤差即為理論誤差。2)低頻誤差峰值電壓表通常用來測量高頻電壓。如果用來測量低頻信號，則由于被測信號的周期大，放電時間長，會造成低頻誤差。

3)高頻誤差高頻誤差是由于檢波器的高頻特性以及電路中各種高頻參數(shù)的影響而引起的誤差。

4)非線性誤差當(dāng)輸入信號幅度較小時，檢波器工作于特性曲線的非線性區(qū)域，出現(xiàn)明顯的非線性，導(dǎo)致測量誤差。5.3.7有效值電壓表的定度系數(shù)和波形誤差對于有效值電壓表，表頭刻度總為被測電壓的有效值，而與被測電壓波形無關(guān)，這是有效值電壓表的最大特點(diǎn)。因此，對于有效值電壓表，它的誤差系數(shù)對于不同波形的電壓，測量得到的波形誤差為零。實(shí)際上，利用有效值電壓表測量非正弦信號時，是有可能產(chǎn)生波形誤差的。一方面，受電壓表線性工作范圍的限制，當(dāng)測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，有可能削波，從而使這部分波形得不到響應(yīng);另一方面，受電壓表帶寬限制，多次諧波會受到一定損失，這都會使示值偏低，產(chǎn)生波形誤差。5.3.8三種電子電壓表的比較峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表各有特點(diǎn)，測量時應(yīng)結(jié)合被測信號特點(diǎn)合理選用，以獲得最佳測量效果。

1.峰值電壓表

1)輸入阻抗高，可達(dá)數(shù)兆歐姆;工作頻率寬，高頻可達(dá)數(shù)百兆赫茲以上;低頻小于10kHz2)讀數(shù)按正弦有效值刻度讀取，只有測量正弦電壓時，其有效值才是被測波形電壓的真正有效值。測量非正弦電壓時，其有效值必須通過波形換算得到。3)波形誤差大。4)讀數(shù)刻度不均勻，因?yàn)樗窃谛⌒盘枙r進(jìn)行檢波的。2.均值電壓表

1)均值檢波器的輸入阻抗低，必須通過阻抗變換來提高電壓表的輸入阻抗。工作頻率范圍一般為20Hz~1MHz2)讀數(shù)按正弦波有效值刻度，只有測量正弦電壓時，讀數(shù)才正確。若測量非正弦電壓，則要進(jìn)行波形換算。

3)波形誤差相對不大。

4)對大信號進(jìn)行檢波，讀數(shù)刻度均勻。

3.有效值電壓表

1)讀數(shù)按正弦電壓有效值刻度，測量正弦或非正弦電壓的有效值，可直接從表上讀數(shù)，無須換算。

2)輸入阻抗高，工作頻率在峰值與均值電壓表之間。高頻可達(dá)幾十兆赫茲，低頻小于50Hz實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目8：電子電壓表原理和使用2

實(shí)訓(xùn)目的了解電子電壓表檢波器的工作原理。

實(shí)訓(xùn)要求掌握電子電壓表整流、檢波電路。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容整流、檢波電路的仿真。

每位同學(xué)使用Multisim仿真軟件，進(jìn)行半波整流、全波整流、串聯(lián)式峰值檢波器、并聯(lián)式峰值檢波器的仿真，并打印線路圖和示波器波形圖。半波整流電路圖，Ux(t)接函數(shù)信號發(fā)生器，用示波器測量Ux(t)和UR全波整流電路圖，Ux(t)接函數(shù)信號發(fā)生器，用示波器測量Ux(t)和UR串聯(lián)式峰值檢波器電路圖見書p39，Ux(t)接函數(shù)信號發(fā)生器，用示波器測量Ux(t)和UR并聯(lián)式峰值檢波器電路圖見書p40，Ux(t)接函數(shù)信號發(fā)生器，用示波器測量Ux(t)、UR和Uc1。5.4數(shù)字電壓表5.4.1數(shù)字電壓表的組成原理用于測量電壓的數(shù)字儀表，在科學(xué)研究或工業(yè)測試中應(yīng)用廣泛。1.數(shù)字電壓表的組成數(shù)字電壓表主要由模擬電路、數(shù)字邏輯電路組成。模擬部分包括輸入電路(如阻抗變換電路、放大和擴(kuò)展量程電路)和模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字部分主要完成邏輯控制、譯碼和顯示功能。數(shù)字部分主要完成邏輯控制、譯碼和顯示功能。數(shù)字電壓表的組成如圖所示。包括模擬和數(shù)字兩部分。輸入電路:對輸入電壓衰減/放大、變換等。A/D轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter,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)一時鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。其中A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表的核心，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字電壓表的技術(shù)指標(biāo)如準(zhǔn)確度、分辨率等主要取決于這部分的工作性能。常用的A/D轉(zhuǎn)換方式有:斜坡式、逐次逼近式、積分式、復(fù)合式等。數(shù)字電壓表的類型很多，其輸入電路、計數(shù)電路和顯示電路基本相似，只是電壓-數(shù)字轉(zhuǎn)換方法不同。常見的直流電壓-數(shù)字轉(zhuǎn)換方法有:U-T轉(zhuǎn)換法、U-F轉(zhuǎn)換法和逐位逼近法。數(shù)字電壓表的測量誤差最小為百分之幾。測量交流電壓，只需增加一個轉(zhuǎn)換器，將被測交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓后再進(jìn)行測量

2.U-T轉(zhuǎn)換法所謂電壓-時間變換型是指測量時將被測電壓值轉(zhuǎn)換為時間間隔△t，電壓越大，△t越大，然后按△t大小控制定時脈沖進(jìn)行計數(shù)，其計數(shù)值即為電壓值。U-T轉(zhuǎn)換法又可分為線性電壓掃描法和雙斜積分法。(1)線性電壓掃描法。其原理框圖如圖所示?？刂破鱏T是電壓表的指揮部，它每隔一定時間就發(fā)出一個啟動脈沖。一方面利用啟動脈沖打開控制門T，讓等間隔的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖序列能通過控制門進(jìn)入十進(jìn)制計數(shù)器；另一方面啟動脈沖觸發(fā)斜坡電壓發(fā)生器，使它開始產(chǎn)生一個直線上升的斜坡電壓，在斜坡電壓上升的過程中，斜坡電壓不斷與被測電壓在電壓比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)斜坡電壓等于被測電壓U時，電壓比較器即發(fā)出關(guān)門信號，將T門關(guān)閉。這時十進(jìn)制計數(shù)器所保留的數(shù)就是T門從開啟到關(guān)閉的時間間隔中，通過T門的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖的個數(shù)。被測電壓Ux越大，斜坡電壓從零上升到被測電壓Ux值所需要的時間越長，T門開啟時間也越長，計數(shù)器所計數(shù)值也越大。利用數(shù)碼顯示器將計數(shù)器所計數(shù)值顯示出來，所計的數(shù)就是通過T門的脈沖個數(shù)。適當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的重復(fù)頻率和斜坡斜率，就能使通過T門的脈沖個數(shù)與被測電壓值相等，顯示器上便可以直接顯示出被測電壓值。圖所示的是U-T型數(shù)字電壓表工作過程波形圖，啟動脈沖位于斜坡脈沖起點(diǎn)，關(guān)門脈沖位于斜坡脈沖與被測電壓Ux的交點(diǎn)，(d)表示在這個時間間隔內(nèi)通過T門的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖個數(shù)。U-T型數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度首先取決于標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖發(fā)生器所發(fā)脈沖頻率的穩(wěn)定程度，因?yàn)槿魡挝粫r間發(fā)出的脈沖個數(shù)發(fā)生波動，必然影響讀數(shù)。其次，決定于斜坡上升的線性，若斜坡呈線性上升，則可保證電壓上升值與時間間隔成正比。目前這兩方面的技術(shù)都比較成熟，所以U-T型數(shù)字電壓表準(zhǔn)確度也比較高。(2)雙斜積分法。各種電壓測量儀器都有一個抗干擾能力的問題，對數(shù)字電壓表尤為重要。上述非積分式數(shù)字電壓表的一個共同缺點(diǎn)是抗干擾能力差，為了解決這個問題，20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)了積分式數(shù)字電壓表，經(jīng)過不斷完善和發(fā)展，在當(dāng)前的數(shù)字電壓表中占有相當(dāng)重要的地位。在積分式數(shù)字電壓表中，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，其中以雙積分式A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用最廣。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換，也叫雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換。它的基本原理是在一個周期內(nèi)，用同一個積分器進(jìn)行兩次積分，將被測電壓轉(zhuǎn)換成與其成正比的時間間隔，在此間隔內(nèi)填充標(biāo)準(zhǔn)的時鐘脈沖，以脈沖的個數(shù)反映被測直流電壓的大小。顯然，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換屬于電壓-時間(U-T)轉(zhuǎn)換型3.U-F轉(zhuǎn)換法將被測電壓Ux轉(zhuǎn)換為與它成比例的頻率，然后用測量頻率的電路(見數(shù)字頻率表)進(jìn)行測量，并以數(shù)字顯示測量結(jié)果。圖中有兩個振蕩器，HO為固定頻率振蕩器，AO為可控頻率振蕩器。利用被測電壓直接控制AO的輸出電壓頻率，使被測電壓越大，頻率就越高，經(jīng)混頻器混頻之后，輸出的頻率也越高。當(dāng)被測電壓為零時，讓可控頻率振蕩器AO輸出的頻率等于HO的頻率，經(jīng)混頻器混頻之后，輸出頻率為零。這樣就能通過可控頻率振蕩器，把被測電壓值轉(zhuǎn)換為頻率值，然后通過計數(shù)顯示出來。只要適當(dāng)選擇AO和HO的振蕩頻率，就能夠使顯示器讀數(shù)直接等于被測電壓值。采用混頻的主要目的是提高輸出頻率的變化范圍，并取得零點(diǎn)。因?yàn)?，一般是用改變變?nèi)莨茈娙軨的方法來改變可控頻率振蕩器頻率的。已知振蕩器頻率，當(dāng)變?nèi)莨芸煽貢r，它的電容值可以在一定范圍內(nèi)變化。4.逐位逼近法此方法與用祛碼在天平上稱量質(zhì)量相似。標(biāo)準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生一列由大到小的標(biāo)準(zhǔn)電壓，相當(dāng)于不同大小的祛碼，因而稱之為“電壓祛碼”。先以最大的“電壓祛碼”與被測電壓認(rèn)進(jìn)行比較。若大于Ux，則換以較小的進(jìn)行比較;反之，則保留這個電壓祛碼，并再補(bǔ)加較小的“電壓祛碼”進(jìn)行比較。如此逐個進(jìn)行下去，直至最小的一個“電壓祛碼”參與比較后為止。此時保留下來未被更換的全部“祛碼”值的總和，與被測電壓Ux基本相等。各電壓祛碼之間為二進(jìn)制關(guān)系。逐位逼近法的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)極快的轉(zhuǎn)換，但抗干擾能力不如前幾種方法。在圖中，數(shù)碼開關(guān)可把由基準(zhǔn)電壓源輸出的高穩(wěn)定性電壓分成若干個步進(jìn)小電壓Ub1，Ub2，Ub3等，而且這些步進(jìn)電壓的前一個值比后一個大一倍，用二進(jìn)制表示則剛好增加一位。例如，取基準(zhǔn)電壓Ub為1024mV并將其分成512mV,256mV,128mV,64mV,32mV,16mV,8mV,4mV,2mV,1mV等若干電壓，然后通過控制電路將Ub逐個送到比較器與被測電壓進(jìn)行比較。所取出的Ub應(yīng)按從大到小順序取出，也就是先取最大的電壓Ub1與Ux進(jìn)行比較，若Ub1>Ux，就由數(shù)碼寄存器輸出一個數(shù)碼“0"，并舍去Ub1;若Ub1≤Ux，則由數(shù)碼寄存器輸出一個數(shù)碼“1"，并保留Ub1，以便與下一個取出的步進(jìn)電壓Ub2相加，相加后的電壓重新與被測電壓在比較器中進(jìn)行比較，并重新輸出數(shù)碼，決定取舍。這個原則稱為從大到小、舍大留小的原則。按此原則逐個取出Ub進(jìn)行比較后，將數(shù)碼寄存器輸出的二進(jìn)制碼按序排列就會等于被測電壓值。5.4.2數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)

1.顯示位數(shù)完整顯示位是指能夠顯示0一9的數(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199992.量程基本量程是指無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。通過對輸入電壓(按10倍)放大或衰減，可擴(kuò)展其量程。如基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)展出0.1V,1V,10V,100V,1000V5擋量程;基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV,2V,20V,200V,1000V5擋量程。3.分辨力分辨力是指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力，反映了DVM的靈敏度。用每個字對應(yīng)的電壓值來表示，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，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個字”)。分辨率:用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無關(guān)，比較直觀4.測量速度測量速度是指每秒鐘完成的測量次數(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測量速度在每秒幾次至幾十次。5.測量精度測量精度取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差(如溫度等)。固有誤差由兩部分構(gòu)成:讀數(shù)誤差和滿度誤差。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)無關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。有時滿度誤差將等效為“±n字”的電壓量表示。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。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。6.輸入阻抗輸入阻抗取決于輸入電路(并與量程有關(guān))。輸入阻抗越大越好，否則將影響測量精度。對于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10一1000MΩ之間。對于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十到幾百皮法之間。5.5數(shù)字萬用表數(shù)字式萬用表是在以一個三位半或四位半的數(shù)字電壓表DVM基礎(chǔ)上通過擴(kuò)大量程來構(gòu)成的多量程數(shù)字萬用表DMM，A/D轉(zhuǎn)換器ICL7106與三位半液晶顯示屏構(gòu)成一個200mV的數(shù)字電壓表，在這個200mV電壓表頭基礎(chǔ)上通過加裝分壓器，分流器，整流器擴(kuò)大量程就構(gòu)成了數(shù)字萬用表，其工作原理：主要是把被測量的，電壓，電流，交流電壓，交流電流，電容，電感，電阻，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為直流電壓信號并且衰減至200mV以后送入A/D