第五章-電壓測量

1、第第5 5章章 電壓測量電壓測量5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 電壓標準電壓標準5.3 5.3 交流電壓的測量交流電壓的測量5.4 5.4 直流電壓的數(shù)字化測量及直流電壓的數(shù)字化測量及A/DA/D轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理5.5 5.5 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表5.6 5.6 數(shù)字電壓表測量的不確定度及數(shù)字電壓表測量的不確定度及 自動校準、自動量程技術(shù)自動校準、自動量程技術(shù)5.7 5.7 電壓測量的干擾及抑制技術(shù)電壓測量的干擾及抑制技術(shù)1.1.重要性：重要性： 電壓測量是許多電測量與非電測量的電壓測量是許多電測量與非電測量的基礎(chǔ)基礎(chǔ)，是電子，是電子

2、測量的重要內(nèi)容。測量的重要內(nèi)容。2.2.特點：特點： （1 1）頻率范圍廣）頻率范圍廣 （2 2）測量范圍寬）測量范圍寬 （3 3）電壓波形多樣化）電壓波形多樣化 （4 4）阻抗匹配）阻抗匹配 （5 5）測量精度）測量精度 （6 6）測量速度）測量速度 （7 7）抗干擾性能）抗干擾性能 直流電壓測量、交流電壓測量直流電壓測量、交流電壓測量 模擬測量、數(shù)字測量模擬測量、數(shù)字測量1.1.交流電壓的模擬測量方法交流電壓的模擬測量方法有效值、峰值和平均值電壓表有效值、峰值和平均值電壓表交流電壓交流電壓檢波檢波直流電流直流電流驅(qū)動表頭驅(qū)動表頭2. 基于直流采樣的電壓數(shù)字化測量方法基于直流采樣的電壓數(shù)字化

3、測量方法 ADCADC，DVMDVM、DMMDMM AC-DC AC-DC變換變換3.3.基于交流采樣的電壓基于交流采樣的電壓數(shù)字化數(shù)字化測量方法測量方法交流電壓交流電壓A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器瞬時采樣值瞬時采樣值u(k) u(k) 計算計算4.4.示波測量方法示波測量方法化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定的電動勢（穩(wěn)定的電動勢（1.01860V1.01860V）。）。溫度修正（特別是對飽和型）溫度修正（特別是對飽和型）內(nèi)阻影響內(nèi)阻影響抗振動沖擊能力差、不易運輸抗振動沖擊能力差、不易運輸標準電池分類穩(wěn)定性穩(wěn)定性溫度系數(shù)溫度系數(shù)飽和型飽和型較好較好（約（約0.5V/0.5V/年）年）較大較大（約（約40V/4

4、0V/）不飽和型不飽和型較差較差小?。s（約4V/4V/）固態(tài)電壓標準固態(tài)電壓標準, ,齊納二極管的齊納二極管的穩(wěn)壓穩(wěn)壓特性。特性。溫度漂移影響，高穩(wěn)電源和內(nèi)部恒溫控制減小溫度系數(shù)。溫度漂移影響，高穩(wěn)電源和內(nèi)部恒溫控制減小溫度系數(shù)。集成齊納管與恒溫控制的精密電壓基準。集成齊納管與恒溫控制的精密電壓基準。WUK7000WUK7000系列參考源系列參考源:10V:10V、年穩(wěn)定性、年穩(wěn)定性1 11010-6-6 ；1V1V、1.0186V1.0186V，年穩(wěn)定性年穩(wěn)定性2 21010-6 -6 ，溫度系數(shù)，溫度系數(shù)0.050.051010-6 -6 。約瑟夫森（約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)效

5、應(yīng) 超導(dǎo)體超導(dǎo)體- -絕緣體絕緣體- -超導(dǎo)體（超導(dǎo)體（SISSIS）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)約瑟夫森隧道結(jié)約瑟夫森隧道結(jié) 交流約瑟夫森效應(yīng)：交流約瑟夫森效應(yīng)：電壓電壓 交變交變超導(dǎo)電流超導(dǎo)電流 約瑟夫森電壓基準約瑟夫森電壓基準 約瑟夫森約瑟夫森逆效應(yīng)逆效應(yīng)：微波（微波（頻率頻率f f) )約瑟夫森結(jié)約瑟夫森結(jié)量子化電壓量子化電壓VnVn 約瑟夫森結(jié)陣（約瑟夫森結(jié)陣（JJAJJA）：）：mV mV 1-10V1-10V約瑟夫森電壓量子基準約瑟夫森電壓量子基準:10:10-10-10由直流電壓標準建立，由直流電壓標準建立，需經(jīng)過需經(jīng)過交流交流- -直流直流變換。變換。 測熱電阻橋式高頻電壓標準測熱電阻橋式高頻

6、電壓標準將高頻電壓通過一測熱電阻（如熱敏電阻），該電阻由將高頻電壓通過一測熱電阻（如熱敏電阻），該電阻由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化。再將一標準于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化。再將一標準直流電壓施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高直流電壓施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高頻電壓的有效值就等于該直流電壓。頻電壓的有效值就等于該直流電壓。 雙測熱電阻電橋的原理雙測熱電阻電橋的原理高高頻頻電電壓壓V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF2.2.均值均值定義定義: :直流分量直流分量實際測量中，均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形實

7、際測量中，均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形（若無特指為（若無特指為全波整流全波整流）：）：理想正弦電壓理想正弦電壓u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，峰值、平均值、有效值；波峰因數(shù)和波形因數(shù)。峰值、平均值、有效值；波峰因數(shù)和波形因數(shù)。1.1.峰值峰值 以零電平為參考的最大電壓幅值以零電平為參考的最大電壓幅值（V Vp p）。振幅（振幅（U Um m）: :直流分量為參考直流分量為參考; ; 峰峰值（峰峰值（V VPPPP） : :最大最大- -最小最小4.4.波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)波峰因數(shù): : 波形因數(shù)：波形因數(shù)：3.3.有效值有效值定義：交流電

8、壓定義：交流電壓u(t)u(t)在一個周期內(nèi)，通過純電阻在一個周期內(nèi)，通過純電阻R R所產(chǎn)生所產(chǎn)生的熱量，與一個直流電壓的熱量，與一個直流電壓V V產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流產(chǎn)生的熱量相等時，則該直流電壓電壓V V的數(shù)值就表示交流電壓的數(shù)值就表示交流電壓u(t)u(t)的有效值。的有效值。意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值均方根值。反映交流電壓的功。反映交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。率，是表征交流電壓的重要參量。理想正弦交流電壓理想正弦交流電壓u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)，理想正弦交流電壓理想正弦交流電壓u(t)=Vu(t)=Vp p

9、sin(t)sin(t)交流電壓交流電壓有效值、峰值和平均值有效值、峰值和平均值:AC-DC:AC-DC轉(zhuǎn)換。檢波電路轉(zhuǎn)換。檢波電路 峰值檢波峰值檢波: :二極管峰值檢波電路。串聯(lián)和并聯(lián)形式。二極管峰值檢波電路。串聯(lián)和并聯(lián)形式。DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc快充慢放前提條件二極管橋式整流（全波和半波）電路。二極管橋式整流（全波和半波）電路。I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0Rd檢波二極管導(dǎo)通電阻Rm電流表內(nèi)阻 有效值檢波：有效值檢波： 方法方法1:1:利用二極管平方律伏安特性利用二極管平方律伏安特性檢波檢波( (小信號時二極管正向伏小信號時二極管

10、正向伏安特性曲線近似為平方關(guān)系安特性曲線近似為平方關(guān)系).).精度低且動態(tài)范圍小。實際采用精度低且動態(tài)范圍小。實際采用分分段逼近平方律段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的二極管伏安特性曲線圖. . 方法方法2:2:利用模擬運算電路或?qū)Ｓ眉呻娐防媚M運算電路或?qū)Ｓ眉呻娐罚ㄈ纾ㄈ鏏D536 AD736 AD536 AD736 ）。）。 方法方法3 3：利用熱電偶有效值檢波：利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端連接組成一個閉合回路，當：兩種不同導(dǎo)體的兩端連接組成一個閉合回路，當兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢（熱電動勢），從兩節(jié)點處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢（熱電

11、動勢），從而形成電流。而形成電流。熱電動勢的大小與溫差熱電動勢的大小與溫差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。R 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熱電偶：測溫熱電偶：測溫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。反映該交流電壓的有效值。具有線性刻度的有效值電壓表具有線性刻度的有效值電壓表平衡熱偶形成電壓負反饋。平衡熱偶形成電壓負反饋。測量熱偶測量熱偶:E:Ex x= k= k V V2 2 ；平衡熱偶平衡熱偶:E:Ef

12、 f = k = k V Vo o2 2差分放大器差分放大器:V:Vi i=k(V=k(V2 2- V- Vo o2 2) ) ；V Vi i=0=0時，輸出電壓等于時，輸出電壓等于u(t)u(t)有效值有效值有效值電壓表的特點有效值電壓表的特點真有效值測量真有效值測量, ,理論上理論上不存在波形誤差不存在波形誤差。對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，對非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，若其有效值分別為若其有效值分別為V V1 1、V V2 2、V V3 3、，則讀數(shù)，則讀數(shù)目前目前計算式有效值電壓表計算式有效值電壓表得到更多應(yīng)用。得到更多應(yīng)用。兩種情況使讀數(shù)偏?。簝煞N情況使讀數(shù)偏?。?/p>

13、 1.1.由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)“削波削波” ； 2.2.高于電壓表高于電壓表有效帶寬有效帶寬的波形分量將被抑制。的波形分量將被抑制。峰值響應(yīng)：不管波形，只要峰值響應(yīng)：不管波形，只要峰值峰值相同，讀數(shù)相同。相同，讀數(shù)相同?？潭忍匦裕喊醇冋也ǖ目潭忍匦裕喊醇冋也ǖ挠行е涤行е刀ǘ?。讀數(shù)定度。讀數(shù)不是峰值，不是峰值，而是假設(shè)信號為正弦波時的有效值。而是假設(shè)信號為正弦波時的有效值。任意波形：讀數(shù)任意波形：讀數(shù)既不是有效值，也不是峰值。既不是有效值，也不是峰值。根據(jù)根據(jù)讀數(shù)換算讀數(shù)換算峰值峰值和和有效值有效值“讀數(shù)直接當成有效讀數(shù)直接當成有效值值”產(chǎn)生的誤差產(chǎn)生的

14、誤差均值響應(yīng)：不管波形，只要均值響應(yīng)：不管波形，只要均值均值相同，讀數(shù)相同。相同，讀數(shù)相同?？潭忍匦裕喊醇冋也ǖ目潭忍匦裕喊醇冋也ǖ挠行е涤行е刀ǘ?。讀數(shù)定度。讀數(shù)不是均值，不是均值，而是假設(shè)信號為正弦波時的有效值。而是假設(shè)信號為正弦波時的有效值。任意波形：讀數(shù)任意波形：讀數(shù)既不是有效值，也不是均值。既不是有效值，也不是均值。根據(jù)根據(jù)讀數(shù)換算讀數(shù)換算均值均值和和有效值有效值讀數(shù)直接當讀數(shù)直接當成有效值產(chǎn)成有效值產(chǎn)生的誤差生的誤差 例例11用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個方波電壓，用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為讀數(shù)為1.0V1.0V，問如何從該讀數(shù)得到方波電

15、壓的有效值？，問如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？ 解解 由讀數(shù)由讀數(shù)=1.0V=1.0V，得被測信號峰值，得被測信號峰值V Vp p =1.4V =1.4V 方波的波峰因數(shù)方波的波峰因數(shù)K Kp p=1=1，故有效值，故有效值V=VV=Vp p/K/Kp p=1.4V=1.4V 不換算讀數(shù)的波形誤差不換算讀數(shù)的波形誤差例例2 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個方波電壓，用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個方波電壓，讀數(shù)為讀數(shù)為1.0V，問該方波電壓的有效值為多少？，問該方波電壓的有效值為多少？ 解解 由讀數(shù)由讀數(shù)=1.0V=1.0V，得被測信號均值，得被測信號均值=0.9=0.9V

16、=0.9=0.9V方波的波形因數(shù)方波的波形因數(shù) =1=1，故有效值，故有效值0.9V0.9V。不換算讀數(shù)的波形誤差不換算讀數(shù)的波形誤差例例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差。設(shè)某有效值電壓表帶寬為10MHz，用該電壓表測量，用該電壓表測量下圖所示方波，計算由電壓表帶寬引起的波形誤差。下圖所示方波，計算由電壓表帶寬引起的波形誤差。VP0T=1uStu(t)理論有效值（波峰因數(shù)=1）實際有效值（讀數(shù)）讀數(shù)誤差負值（讀數(shù)偏?。┴撝担ㄗx數(shù)偏?。?解解 為求解電壓表帶寬引起的波形誤差，需要分析輸入方波電壓的諧波

17、成分。將方波電壓用付里葉級數(shù)表示為檢波器檢波器和和放大器放大器是交流電壓測量的核心部件。是交流電壓測量的核心部件。兩類組成方案：先檢波后放大，兩類組成方案：先檢波后放大，檢波檢波- -放大式放大式； 先放大后檢波，先放大后檢波，放大放大- -檢波式檢波式。模擬電壓表的兩個重要指標：模擬電壓表的兩個重要指標：帶寬和靈敏度帶寬和靈敏度( (分辨力分辨力) )。1.1.檢波檢波- -放大式電壓表放大式電壓表頻率范圍寬常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表”靈敏度高。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。模擬式交流電壓表結(jié)構(gòu)檢波器檢波器檢波器檢波器帶寬帶寬 較低靈敏度靈敏度較低(1)(1)分貝：分貝：

18、聲學(xué)中音量單位，通信系統(tǒng)中電平或功率單位。聲學(xué)中音量單位，通信系統(tǒng)中電平或功率單位。對數(shù)表示的相對量值絕對功率(相對1mW)絕對電平(相對0.775V, 600電阻上吸收1mW功率時的電壓有效值)寬頻電平表寬頻電平表: :具有分貝讀數(shù)的電壓表。具有分貝讀數(shù)的電壓表。在放大在放大- -檢波式均值電壓表基礎(chǔ)上設(shè)計。檢波式均值電壓表基礎(chǔ)上設(shè)計。103.162功率電平測量：阻抗兩端電壓電平的測量。功率電平測量：阻抗兩端電壓電平的測量。零刻度基準阻抗零刻度基準阻抗 ：按：按600600“零刻度基準阻抗零刻度基準阻抗”定度。定度。Z Zi i600600時，根據(jù)讀出換算時，根據(jù)讀出換算輸輸入入電電路路中中

19、頻頻放放大大器器均均值值檢檢波波器器dB混混頻頻器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)帶帶通通濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器混混頻頻器器1 1f1(可可調(diào)調(diào))fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)外差式接收機寬頻電平表外差式接收機寬頻電平表通過外差式接收機擴展了頻率范圍，通過窄帶中頻放大實現(xiàn)通過外差式接收機擴展了頻率范圍，通過窄帶中頻放大實現(xiàn)高靈敏度。很好地解決了測量靈敏度與頻率范圍的矛盾。高靈敏度。很好地解決了測量靈敏度與頻率范圍的矛盾。靈敏度可達靈敏度可達-120dB-120dB，相當于，相當于0.775V0.775V?！案哳l微伏表高頻微伏表” 。應(yīng)用特點：

20、應(yīng)用特點：小信號電壓的測量以及從噪聲中測量有用信號。小信號電壓的測量以及從噪聲中測量有用信號。放大器諧波失真、濾波器衰耗特性測量及通信傳輸系統(tǒng)中。放大器諧波失真、濾波器衰耗特性測量及通信傳輸系統(tǒng)中。峰值電壓表峰值電壓表檢波檢波- -放大式，峰值響應(yīng)。放大式，峰值響應(yīng)。頻率范圍寬頻率范圍寬( (達達1GHz)1GHz)但靈敏度低（但靈敏度低（mVmV級）級），“調(diào)制式調(diào)制式” 到幾十到幾十V V 。讀數(shù)的換算：根據(jù)波峰因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值或峰值。讀數(shù)的換算：根據(jù)波峰因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值或峰值。測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，由于削波可能產(chǎn)生誤差。測量波峰因數(shù)大的非正弦波時，由于削波可能產(chǎn)生誤

21、差。均值電壓表均值電壓表放大放大- -檢波式，均值響應(yīng)。檢波式，均值響應(yīng)。靈敏度比峰值表提高但頻率范圍小靈敏度比峰值表提高但頻率范圍?。?0MHz10MHz），低頻和視頻應(yīng)用。），低頻和視頻應(yīng)用。讀數(shù)的換算：根據(jù)波形因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值或均值。讀數(shù)的換算：根據(jù)波形因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值或均值。有效值電壓表有效值電壓表直接讀出有效值，方便。但復(fù)雜，價格較貴。削波和帶寬限制。直接讀出有效值，方便。但復(fù)雜，價格較貴。削波和帶寬限制。 寬頻電平表寬頻電平表電壓電平電壓電平( (分貝分貝) )：步進衰減器讀數(shù)表頭讀數(shù)步進衰減器讀數(shù)表頭讀數(shù)。功率電平功率電平( (分貝分貝) )：輸入阻抗不等于基準阻

22、抗時，用：輸入阻抗不等于基準阻抗時，用 修正。修正。選頻電平表選頻電平表外差式接收原理。窄帶中頻放大，使測量靈敏度得到大幅提高外差式接收原理。窄帶中頻放大，使測量靈敏度得到大幅提高量程量程基本量程（無衰減或放大）由基本量程（無衰減或放大）由ADCADC動態(tài)范圍確定。動態(tài)范圍確定。按按1010倍擴展。倍擴展。顯示位數(shù)顯示位數(shù)完整顯示位完整顯示位+ +非完整顯示位：非完整顯示位： 如如1999 3 1999 3 位位 。分辨力分辨力分辨最小電壓變化量能力，反映靈敏度。分辨最小電壓變化量能力，反映靈敏度。最小量程上有最高分辨力。最小量程上有最高分辨力。用每個字對應(yīng)的電壓用每個字對應(yīng)的電壓（V/V/字

23、）字）表示：如分辨力表示：如分辨力0.1mV/0.1mV/字。字。用用百分數(shù)百分數(shù)表示表示( (與量程無關(guān)與量程無關(guān)) )。 3 3位半的位半的DVMDVM，分辨力，分辨力0.05% 0.05% 。測量速度測量速度每秒鐘完成的測量次數(shù)。主要取決于每秒鐘完成的測量次數(shù)。主要取決于ADCADC的轉(zhuǎn)換速度。一般的轉(zhuǎn)換速度。一般幾次幾次- -幾十次幾十次/ /秒。秒。測量精度測量精度固有誤差固有誤差= =讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差+ +滿度誤差滿度誤差輸入阻抗輸入阻抗越大越好，否則將影響測量精度。越大越好，否則將影響測量精度。用輸入電阻用輸入電阻/電容表示，一般電容表示，一般10-1000M/10-1000M/

24、幾十幾十- -幾百幾百pFpF。A/DA/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（PWMPWM）式、）式、電壓電壓- -頻率（頻率（V-FV-F）變換式等。）變換式等。非積分式：比較式（逐次逼近式、零平衡式）、斜波電非積分式：比較式（逐次逼近式、零平衡式）、斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、壓（線性斜波、階梯斜波）式、- -型型A/DA/D轉(zhuǎn)換器等。轉(zhuǎn)換器等?；驹恚簩⒈粶y電壓和一可變的基準電壓進行逐次比基本原理：將被測電壓和一可變的基準電壓進行逐次比較，最終逼近被測電壓。較，最終逼近被測電壓?！皩Ψ炙阉鲗Ψ炙阉鳌辈呗?。策略?；鶞?/p>

25、電壓基準電壓V Vr r=10V=10V，8 8位位ADCADC，被測電壓，被測電壓V Vx x8.5V8.5V的逼近過的逼近過程。程?？潭认禂?shù)：刻度系數(shù)：e=Vr/2e=Vr/2n n （V/V/字），代表字），代表ADCADC的分辨力。的分辨力。1LSB1LSB代表的電壓量，逼近時可用的最小代表的電壓量，逼近時可用的最小“電子砝碼電子砝碼”。單片集成單片集成逐次比較式逐次比較式ADCADC。常見的產(chǎn)品有。常見的產(chǎn)品有8 8位的位的ADC0809ADC0809，1212位的位的ADC1210ADC1210和和1616位的位的AD7805AD7805等。等。逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器

26、( (S SA AR R) )D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器Vx+-比比較較器器C CL LK KSTARTA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換結(jié)結(jié)果果2-12-nMSBLSBVrN N非積分非積分V-TV-T式）式）斜斜波波電電壓壓發(fā)發(fā)生生器器QQSETCLRSR&000時時鐘鐘計計數(shù)數(shù)器器主主門門VrVx+-+-門門控控信信號號輸輸入入比比較較器器接接地地比比較較器器a計計數(shù)數(shù)輸輸入入0VxVx、V Vr r門門控控信信號號計計數(shù)數(shù)輸輸入入NV Vr rt1bT0T誤差：誤差：斜波電壓的線性和穩(wěn)定性、時間測量精斜波電壓的線性和穩(wěn)定性、時間測量精度。度。比較器的漂移和死區(qū)電壓。比較器的漂移和死區(qū)電壓。特點、應(yīng)用：特點、應(yīng)用：

27、線路簡單，成本低。線路簡單，成本低。速度取決于斜波電壓斜率與被測電壓值。速度取決于斜波電壓斜率與被測電壓值。用于精度和速度要求不高的用于精度和速度要求不高的DVMDVM中。中。主主門門計計數(shù)數(shù)器器邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時時鐘鐘S1S2CRVx-VrVr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復(fù)復(fù)零零t2t3VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計計數(shù)數(shù)器器輸輸入入b.T011a.清清零零f0T0T0復(fù)零復(fù)零定時積分定時積分反向定值積分反向定值積分基于基于V-TV-T變換變換的比較測量。的比較測量。速度較低（速度較低（幾幾- -幾十次幾十次/

28、/秒秒），與被測電壓有關(guān)，常用于高精），與被測電壓有關(guān)，常用于高精度慢速測量。度慢速測量。積分器的積分器的R R、C C元件元件對轉(zhuǎn)換結(jié)果不會產(chǎn)生影響，其精度和穩(wěn)定對轉(zhuǎn)換結(jié)果不會產(chǎn)生影響，其精度和穩(wěn)定性要求不高。性要求不高。參考電壓參考電壓V Vr r精度和穩(wěn)定性影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，需采用精密基準電精度和穩(wěn)定性影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，需采用精密基準電壓源。如壓源。如16bitADC16bitADC，分辨率，分辨率1/21/2161615151010-6-6，要求基準電壓，要求基準電壓穩(wěn)定性（溫漂）優(yōu)于穩(wěn)定性（溫漂）優(yōu)于15ppm15ppm。比較器比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時間分辨力要求具有較高

29、的電壓分辨力（靈敏度）和時間分辨力（響應(yīng)帶寬）。比較器靈敏度應(yīng)優(yōu)于（響應(yīng)帶寬）。比較器靈敏度應(yīng)優(yōu)于1LSB 1LSB 對應(yīng)的電壓量。對應(yīng)的電壓量。響響應(yīng)帶寬決定比較器及時響應(yīng)積分器輸出信號快速（斜率較陡應(yīng)帶寬決定比較器及時響應(yīng)積分器輸出信號快速（斜率較陡峭）過零時的能力。峭）過零時的能力。響應(yīng)輸入電壓的平均值，具有較好的抗干擾能力。響應(yīng)輸入電壓的平均值，具有較好的抗干擾能力。選擇選擇T T1 1為為20ms20ms的整倍數(shù)，可消除來自于電網(wǎng)的整倍數(shù)，可消除來自于電網(wǎng)50Hz50Hz工頻干擾。工頻干擾。提高分辨力（雙斜式受比較器的分辨力和帶寬所限）。提高分辨力（雙斜式受比較器的分辨力和帶寬所限）

30、。主主門門高高位位計計數(shù)數(shù)器器A A邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時時鐘鐘S1S2CRVx-Vr積積分分器器比比較較器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復(fù)復(fù)零零t2t31VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計計數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零零低低位位計計數(shù)數(shù)器器B B主主門門清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T0緩慢進入零點緩慢進入零點1.-結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的ADC是一種內(nèi)在的過采樣轉(zhuǎn)換器。是一種內(nèi)在的過采樣轉(zhuǎn)換器。2.-型型ADC以很低的采樣分辨率（以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號位）和很高的

31、采樣速率將模擬信號數(shù)字化，利用過采樣技術(shù)（數(shù)字化，利用過采樣技術(shù)（Oversampling）、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)）、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率，然后對增加有效分辨率，然后對ADC輸出進行抽?。ㄝ敵鲞M行抽取（Decimation）處理，以降）處理，以降低低ADC的有效采樣速率，去除多于信息，減輕數(shù)據(jù)處理負擔的有效采樣速率，去除多于信息，減輕數(shù)據(jù)處理負擔 。3.轉(zhuǎn)換分辨率已高達轉(zhuǎn)換分辨率已高達24位位，在各類模數(shù)轉(zhuǎn)換器中分辨率是最高的，在各類模數(shù)轉(zhuǎn)換器中分辨率是最高的 。 檢波檢波 取樣電阻取樣電阻恒流源恒流源 （對對C C、L L需交流參考電壓需交流參考電壓）Ix9009090.9

32、0.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /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DVMDVM的功能擴展。的功能擴展。精度：精度：3 3位半位半-8-8位半位半( (Agilent 3458A)。內(nèi)置微處理器。自檢、自校準、自內(nèi)置微處理器。自檢、自校準、自動量程等自動測量。動量程等自動測量。通信接口，通信接口，RS-232RS-23

33、2、GPIBGPIB等。等。A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ ZR Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl4固有誤差固有誤差: :一定測量條件下一定測量條件下DVMDVM所固有的誤差，反映性能指標。所固有的誤差，反映性能指標。附加誤差附加誤差: :環(huán)境（如溫度）和測量條件（如內(nèi)阻）引起的誤差。環(huán)境（如溫度）和測量條件（如內(nèi)阻）引起的誤差。( %)xmVVVabD= +轉(zhuǎn)換誤差、滿度誤差可根據(jù)系統(tǒng)組成計算。衰減器、放大器、模擬開關(guān)、ADC滿度誤

34、差：與被測電壓無關(guān)，主要由系統(tǒng)漂移引起。讀數(shù)誤差：轉(zhuǎn)換誤差（刻度誤差）+非線性誤差。VxN0理理想想特特性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換誤誤差差影影響響下下的的特特性性滿滿度度誤誤差差影影響響下下的的特特性性（平平行行于于理理想想特特性性）讀數(shù)數(shù)誤誤差和和滿度誤誤差共共同同影響響下下的的實際際轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換特特性VD D由由DVMDVM輸入阻抗輸入阻抗、輸入零電流輸入零電流及及溫度漂移溫度漂移等引起。等引起。HLI0DVMRsVxRi典型輸入電阻典型輸入電阻1000M(1000M(接入分壓器時為接入分壓器時為10M),10M),輸入零電流約為輸入零電流約為0.5nA0.5nA。溫度漂移引起的附加誤差：溫度漂移引起的附加誤

35、差： 用用 或溫度系數(shù)或溫度系數(shù)ppmppm表示。表示。例例 一臺一臺3位半的位半的DVM給出的精度為：給出的精度為：（0.1%讀數(shù)讀數(shù)+1字），如字），如用該用該DVM的的020V DC的基本量程分別測量的基本量程分別測量5.00V和和15.00V的電的電源電壓，試計算源電壓，試計算DVM測量的固有誤差。測量的固有誤差。 解解 “1 1字字”對應(yīng)的誤差：在對應(yīng)的誤差：在0-20V0-20V量程上，量程上，3 3位半的位半的DVMDVM的刻度系的刻度系數(shù)為數(shù)為0.01V/0.01V/字，因而滿度誤差字，因而滿度誤差“1 1字字”相當于相當于0.01V0.01V。當當Vx=5.00VVx=5.0

36、0V時，固有誤差和相對誤差分別為：時，固有誤差和相對誤差分別為：VVx x(0.1%(0.1%5.00V5.00V0.01V)0.01V)0.015V 0.015V 當當Vx=15.00VVx=15.00V時，固有誤差和相對誤差分別為：時，固有誤差和相對誤差分別為： Vx(0.1%15.00V0.01V)0.025V 被測電壓愈接近滿度電壓，測量相對誤差愈小。被測電壓愈接近滿度電壓，測量相對誤差愈小。 例例 一臺一臺DVMDVM，其輸入等效電阻，其輸入等效電阻R Ri i=1000M, =1000M, 輸入零電流輸入零電流I I0 0=1nA=1nA，被測信號源等效內(nèi)阻，被測信號源等效內(nèi)阻R

37、Rs s=2k=2k，分別測量，分別測量V Vx x=2V=2V和和V Vx x=0.2V=0.2V兩個電壓，計算由兩個電壓，計算由R Ri i和和I I0 0引入的附加誤差極限值。引入的附加誤差極限值。 解解 為計算由為計算由R Ri i和和I I0 0引入的附加誤差極限值，可將分別由引入的附加誤差極限值，可將分別由R Ri i和和I I0 0引入的附加誤差進行引入的附加誤差進行代數(shù)和合成代數(shù)和合成。即。即V Vx x=2V=2V時，時，V Vx x=0.2V=0.2V時，時，測量小電壓時測量小電壓時I I0 0的影響較大。的影響較大。 以雙斜式ADC構(gòu)成的DVM為例,誤差來源于：積分器誤差

38、：輸入失調(diào)電壓Uos和輸入偏置電流IB，動態(tài)校零）比較器誤差：靈敏度(電壓分辨力)和響應(yīng)帶寬(時間分辨力)模擬開關(guān)誤差：導(dǎo)通電阻（接通時）及漏電流（斷開時）。 在模擬開關(guān)到積分器之間加入一級跟隨器?；鶞孰妷涸凑`差：精度和穩(wěn)定性問題輸入衰減/放大誤差：零漂、增益誤差、帶寬、輸入/出阻抗ADC量化誤差： UosIB-+RC積積分分器器ViVoUosVot實實際際積積分分器器輸輸出出理理想想積積分分器器輸輸出出為減小為減小U Uosos的影響，可在放大器同相或反相輸入端采用一的影響，可在放大器同相或反相輸入端采用一個保持電容，用以抵消該漂移電壓。個保持電容，用以抵消該漂移電壓。“零采樣期零采樣期”接

39、入接入Vi放大器放大器U Uosos的影響，比沒有自動校零時減小了的影響，比沒有自動校零時減小了A A倍）。倍）。積分器的零點校正，也可減小讀數(shù)誤差中的積分器的零點校正，也可減小讀數(shù)誤差中的轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差。非線性誤差非線性誤差，還需要采取補償和校正兩種措施。，還需要采取補償和校正兩種措施。軟件校準軟件校準:轉(zhuǎn)換誤差（通道增益）和零點漂移轉(zhuǎn)換誤差（通道增益）和零點漂移000A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器VxVr0VNxNrN0衰衰減減/ /放放大大器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換系系數(shù)數(shù)k k總總漂漂移移U Uo os sS1S2S3參考校準參考校準零點校準零點校準輸入被測電壓輸入被測電壓完全消除了通道零漂完全消除了通道零漂

40、U Uosos和轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換系數(shù)換系數(shù)k k引起的誤差。引起的誤差。滿度誤差與量程的關(guān)系：滿度誤差與量程的關(guān)系：0199.9mV180mV1.999V1.8V19.99V18V199.9V180V1200V自動量程：相鄰兩個量程之間適當重疊，避免當被測電壓自動量程：相鄰兩個量程之間適當重疊，避免當被測電壓在界限值附近變化時頻繁切換在界限值附近變化時頻繁切換( ( “搖擺不定搖擺不定”) )?？蓪⑤^大?？蓪⑤^大一檔量程的最小值設(shè)為一檔量程的最小值設(shè)為相鄰小一檔量程滿度值的相鄰小一檔量程滿度值的90%90% 。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ucm串模干擾串模干擾: :串聯(lián)疊加形式串聯(lián)疊加形式共模干擾共模干擾: :同時作用于同時作用于DVMDVM兩個測量輸入端。兩個測量輸入端。信號源本身，如電源紋信號源本身，如電源紋波干擾波干擾工頻（工頻（50Hz50Hz）干擾）干擾空中電磁干擾（高頻）空中電磁干擾（高頻）被測電壓是浮置電壓。被測電壓是浮置電壓。被測電壓與被測