數(shù)字萬用表原理

1、一、概述 電壓、電流和功率是表征電信號能量大小的三個基本參數(shù)，其中又以電壓最為常用。 要正確測量電壓值，必須先了解被測電壓的特征和測試要求，選用適當(dāng)?shù)碾妷簻y量儀器、采用切實可行的測量方法，才能較好地完成測量任務(wù)。1電壓的主要特征量值的范圍寬 波形的多樣化頻率各不相同 不同端點的輸出阻抗不同電壓成分多樣化正弦波脈沖波方波三角波低頻噪聲波階梯波2交流電壓的量值表示 一個交流電壓的大小，可用多種方式來表示，如平均值、峰值和有效值。 0.7070.637UP-PUPUU 圖5.2正弦波參數(shù)表示圖1.002.00（1）峰值的基本概念）峰值的基本概念 峰值峰值UP：是指交流電壓在所觀察的時間內(nèi)或一個周期內(nèi)

2、所能達到的最大值，記為UP，峰值是從參考零電平開始計算的，有正峰值UP+和負(fù)峰值UP-之分。正峰值與負(fù)峰值包括在一起時稱為峰峰值UP-P。振幅振幅Um：它是以直流電壓為參考電平的最大瞬時值，記為UM。電壓中包含直流成分時，UP與Um 是是不相同的，只有純交流電壓才有UPUm。（2）平均值的基本概念）平均值的基本概念 平均值平均值 ：在數(shù)學(xué)上定義為 對純交流電壓來說，由于 =0，將無法用平均值來表征它的大小。 定義：通常是指經(jīng)過測量儀器檢波后的平均值，分為全波平均值和半波平均平均值。 全波平均值全波平均值是指交流電壓經(jīng)全波檢波后的全波平均值，即 UTdttuTU0)(1UTdttuTU0)(1

3、（a）未檢波前的電壓波形 （b）半波整流后的波形 （c）全波整流后的波形 一般如果不加特別說明時，平均值平均值都是指全波平均值 。（3）有效值的基本概念有效值的基本概念 有效值有效值U：指均方根值，用U或Urms表示。 物理意義：一個交流電壓交流電壓和一個直流電壓直流電壓分別加在同一電阻同一電阻上，若在相同的時間內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等熱量相等，則交流電壓的有效值U等于該直流電壓值。TrmsdttuTU02)(13交流電壓量值相互轉(zhuǎn)換波峰因數(shù)波峰因數(shù)KP交流電壓的峰值與有效值之比稱為波峰因數(shù)KP，即UUKFUUKPP波形因數(shù)波形因數(shù)KF：電壓的有效值與平均值之比稱為波形因數(shù)KF，即幾種典型的交流電

4、壓波形參數(shù)序號名稱波形因數(shù)KF波峰因數(shù)KP有效值平均值1正弦波1.111.4142三角波1.151.733鋸齒波1.151.734方波11UPUP5白噪聲1.2532/PU3/PU3/PUPU31/2PU2/PU2/PU75. 3/PU4常用電壓測量儀器 有模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表兩種類型 模擬式電壓表模擬式電壓表 一般是指“指針式電壓表”，它把被測電壓加到磁電式電流表，轉(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)角度的大小來度量。包括模擬萬用表和電子電壓表。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。數(shù)字式電壓表數(shù)字式電壓表 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，然后用數(shù)碼管以十進制數(shù)

5、字顯示被測量電壓值。 數(shù)字式電壓表具有高精度、量程寬、顯示位數(shù)多、分辨率高、易于實現(xiàn)測量自動化等優(yōu)點，在電壓測量中也占據(jù)了越來越重要的地位。二、數(shù)字式多用表 數(shù)字萬用表DMM （Digital Multimeter），又稱數(shù)字多用表.是一種多用途、多量程的電工儀表，它實際上是在直流數(shù)字電壓直流數(shù)字電壓表表DVM的基礎(chǔ)上增加了一些轉(zhuǎn)換器而構(gòu)成。 用途用途:它不但可以測量交直流電壓、交直流電流和電阻，而且還可以測量電容及信號頻率、判斷電路的通斷等 。 數(shù)字萬用表的組成原理框圖 整個電路主要由數(shù)字電壓表DVM和交流電壓/直流電壓（AC/DC）轉(zhuǎn)換器、電流/直流電壓（I/DC）轉(zhuǎn)換器、電阻/直流電壓（

6、/DC）轉(zhuǎn)換器等組成。 在測量時先把被測量通過不同的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后再用數(shù)字電壓表進行電壓測量，從而得到被測量的數(shù)值. 因此說DMM的核心是直流數(shù)字電壓表直流數(shù)字電壓表DVM 。數(shù)字多用表的框圖VDCKI-DC變換器-DC變換器數(shù)字電壓表AC-DC變換器VACI直流數(shù)字電壓表DVM DVM（Digital Voltmeter）的測量過程是利用A/D（模/數(shù)）變換器將被測的模擬電壓變換成相應(yīng)的數(shù)字量，然后通過電子計數(shù)器計數(shù)，最后把被測電壓值以十進制數(shù)字形式直接顯示在顯示器上。 數(shù)字電壓表的分類 根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的轉(zhuǎn)換原理不同，可把數(shù)字電壓表分為： 1斜坡式數(shù)字電壓表：UT變換

7、 2 2雙積分式數(shù)字電壓表：雙積分式數(shù)字電壓表：UTUT變換變換 3 3比較式數(shù)字電壓表：大者棄、小者留比較式數(shù)字電壓表：大者棄、小者留 4. 復(fù)合式數(shù)字電壓表：UT和UF數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo) 1測量范圍 （1）顯示位數(shù)）顯示位數(shù)：指能顯示09共十個完整數(shù)碼的顯示器的位數(shù)。 能顯示09十個完整數(shù)碼的顯示器的位數(shù)稱為完整位或滿位，否則稱為不完整位，不完整位通常是最高位 。 首位只能顯示“1”或“0”，是不完整位，稱之為1/2位或半位。 （2）量程的范圍）量程的范圍 指測量電壓范圍的上限值與下限值之差，包括基本量程和擴展量程。 基本量程：基本量程：未經(jīng)衰減器和放大器的量程稱為基本量程，如1V或

8、10V，也有的為2V或5V，基本量程的測量誤差最小； 擴展量程：擴展量程：借助于衰減器和輸入放大器的適當(dāng)配合來完成量程擴大的。 （3）超量程能力）超量程能力 指數(shù)字電壓表所能測量的最大電壓超出量程值的能力。DVM有無超量程能力，要根據(jù)它的量程分檔情況和能夠測量的最大電壓情況來決定，其計算公式為： 位和基本量程結(jié)合起來，能說明DVM有無超量程能力。 例如：例如：某3位DVM基本量程為1V，那么該DVM具有超量程能力, 因為在1V擋上，它的最大顯示為1.999V。而對于基本量程為2V的DVM ，它就不具備超量程能力，因為它在2V擋上的最大顯示仍是1.999V。 最高位只能取最高位只能取05的位稱為

9、的位稱為位位。5位DVM指數(shù)字電壓表的最大顯示為599 999。 當(dāng)被測電壓超過滿量程時，若DVM具有具有超量程能力，則測量結(jié)果不會降低精度和分辨率。 例如：例如：被測電壓13.04V,如果使用無超量程能力的3位DVM，則須使用100V量程擋，顯示13.0V，測量結(jié)果的最低位舍掉了，精度降低了；如果使用有超量程能力的三位DVM，即3位DVM，則仍可使用10V擋測量，顯示結(jié)果為13.04V。 2分辨率即靈敏度 指DVM能夠顯示被測電壓的最小變化值，即最小量程時顯示器末位跳一個字所需的最小輸入電壓。 在不同的量程上分辨率是不同的，最小量程的分辨率是最高的。 例如DT-890型DVM為三位半電壓表，

10、在最小量程200mV上滿度值為199.9mV，則其分辨率為0.1mV。 3測量速率 指每秒鐘對被測電壓的測量次數(shù)，或者完成一次測量所需的時間。 主要取決于A/D變換器的變換速度， 由比較式A/D變換器構(gòu)成的DVM測速較快，由積分式A/D變換器構(gòu)成的DVM測速較慢。 4輸入特性 包括輸入阻抗輸入阻抗和輸入零電流。輸入零電流。 直流測量時,DVM輸入阻抗Ri在10M1000M之間。 交流測量時,DVM輸入阻抗用RiCi表示，Ci一般在幾十幾百pF之間。 輸入零電流：是輸入零電流：是指未加入信號時，DVM輸 入端短路時產(chǎn)生的電流。 5抗干擾能力 根據(jù)干擾信號的加入方式不同，DVM的干擾分為串模干擾和

11、共模干擾。通常用串模干擾抑制比（SMR）和共模干擾抑制比（CMR）來表征。 干擾抑制比的數(shù)值越大，表明數(shù)字電壓表抑制干擾的能力就越強。 一般串模干擾抑制比可達5090dB， 共模干擾抑制比可達80150dB。 6固有誤差和工作誤差固有誤差固有誤差主要是讀數(shù)誤差和滿度誤差。U = (%Ux+%Um) 式中：誤差的相對項系數(shù) 誤差的固定項系數(shù) Ux被測電壓讀數(shù) UmDVM量程的滿度值工作誤差工作誤差是指在額定工作條件下的誤差，通常也用絕對誤差的形式表示。例53 某四位半數(shù)字電壓表在2V量程上測得電壓1.2V，已知2V量程的固有誤差為(0.05%Ux+0.01%Um)V，試求由于固有誤差產(chǎn)生的測量誤

12、差？解：根據(jù)公式可得 U = (0.05%Ux+0.01%Um) = 0.05%1.20.01%2 =0.0008V數(shù)字電壓表的工作原理DVM的核心是的核心是A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。圖 數(shù)字電壓表的組成框圖模擬部分被測信號A/D變換器邏輯控制電路計數(shù)器輸入電路顯示器時鐘信號發(fā)生電路數(shù)字部分1數(shù)字電壓表的組成2.逐次逼近比較式DVM的基本原理（1）電路組成框圖）電路組成框圖 逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換框圖D/A轉(zhuǎn)換器 _ +_A邏輯控制電路 輸出緩沖器并行數(shù)字輸出（MSB）（LSB）基準(zhǔn)電壓Vref模擬輸入ux 時鐘脈沖起始脈沖模擬輸入ux模擬輸入ux 逐次逼近寄存器 SAR主要包含：比較器，D/A

13、轉(zhuǎn)換器，逐次逼近寄存器，邏輯控制電路及輸出緩沖（2）工作原理）工作原理屬于直接式屬于直接式A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。在時鐘脈沖作用下，SAR提供代表不同基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)碼，并通過D/A變換器輸出可變的基準(zhǔn)電壓，后者加到電壓比較器與Ux相比較，根據(jù)“大者棄、小者留”，比較器有不同的高低電平輸出，該輸出用以確認(rèn)逐次逼近寄存器的各位數(shù)碼是“留碼”還是“去碼”，通常以“1”的形式記錄 “留碼”，以“0”的形式記錄“去碼”?；驹硎怯帽粶y電壓和一個可變的基準(zhǔn)電壓按照“大者棄、小者留”的原則逐次進行比較，直至逼近得出被測電壓值。工作過程類似于天平稱量物體質(zhì)量，圖中的電壓比較器相當(dāng)于天平，被測模擬電壓相當(dāng)于物體，基

14、準(zhǔn)電壓Uref相當(dāng)于砝碼.逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換框圖D/A轉(zhuǎn)換器 _ +_A邏輯控制電路 輸出緩沖器并行數(shù)字輸出（MSB）（LSB）基準(zhǔn)電壓Vref模擬輸入ux 時鐘脈沖起始脈沖模擬輸入ux模擬輸入ux 逐 次 逼 近 寄 存 器 SAR 被測電壓和可變基準(zhǔn)電壓的比較過程是從最高位開始，當(dāng)逐次逼近寄存器輸出的編碼從大到小變化時從大到小變化時，D/A變換器也隨之輸出從大到小的基準(zhǔn)電壓，根據(jù)比較結(jié)果逐次減小寄存器的數(shù)值，使輸出的基準(zhǔn)電壓與被測電壓逼近直至相等。最后逐次逼近寄存器輸出的二進制編碼對應(yīng)于Ux的大小，以并行的形式送至譯碼器、顯示器來顯示被測結(jié)果。逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換框圖D/A轉(zhuǎn)換器

15、 _ +_A邏輯控制電路 輸出緩沖器并行數(shù)字輸出（MSB）（LSB）基準(zhǔn)電壓Vref模擬輸入ux 時鐘脈沖起始脈沖模擬輸入ux模擬輸入ux 逐 次 逼 近 寄 存 器 SAR 舉例：設(shè)被測電壓Ux = 3.285V ，逐次逼近寄存器和D/A變換器都為6位，基準(zhǔn)電壓Uref = 10V 。解：最后輸出010101，顯示3.281V 由于D/A變換器輸出的基準(zhǔn)電壓是量化的，因此經(jīng)變換后顯示的數(shù)值3.281V比實際電壓值低0.004V，這就是A/D變換的量化誤差。 減小量化誤差的方法是增加比較次數(shù)，即增加逐次比較式A/D變換器的位數(shù)。 目前常見的集成逐次比較式A/D變換器有8位、10位及12位等幾種

16、形式 。（3）工作特點）工作特點1）測量速度快。取決于時鐘脈沖頻率和逐次逼近寄存器的位數(shù) 。2) 測量精度高。精度決定于基準(zhǔn)電壓源和電壓比較器，并且還與D/A變換器的位數(shù)有關(guān)。 3）抗串模干擾能力差。因為比較器輸入的是被測電壓的瞬時值，而不是平均值，所以外界任何干擾電壓的串入都會影響測量結(jié)果。 3雙積分式DVM基本原理 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是在V-T變換型中用得最多的A/D轉(zhuǎn)換器。 V-T變換原理是用積分器將被測電壓轉(zhuǎn)換為時間間隔，然后用電子計數(shù)器在此間隔內(nèi)累計脈沖數(shù)，數(shù)字顯示測量結(jié)果，計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。（1）電路模型）電路模型211toxtuu dtRC 實際上是一

17、個線性的積分器，利用電容和運算放大器獲得線性的充放電電壓。 完成對UX的一次測量需要先后進行兩次積分才能完成，即首先對被測電壓在采樣時間T1內(nèi)進行定時積分定時積分，然后對基準(zhǔn)電壓進行反向定值積分反向定值積分。通過兩次積分的比較，將被測電壓變換成與之成正比的時間間隔。（2）工作原理）工作原理電路組成框圖 -+KUOR2邏輯控制休止脈沖轉(zhuǎn)換控制時鐘脈沖源計數(shù)譯碼顯示（MSB）（LSB）數(shù)字量輸出過零比較器CR1V ref V refux輸入電路圖 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖 由積分器、零比較器、邏輯控制電路、計數(shù)顯示電路、電子開關(guān)和基準(zhǔn)電壓源等組成。 雙積分式A/D變換器的工作過程分為準(zhǔn)備、準(zhǔn)

18、備、采樣和比較三個階段采樣和比較三個階段。零比較器時鐘脈沖閘門邏輯控制電路溢出復(fù)零計數(shù)器顯示器RUXUCSR1）準(zhǔn)備階段準(zhǔn)備階段（t0t1）： 積分器輸入電壓為零，使輸出電壓也為零，計數(shù)器復(fù)零.2）采樣階段采樣階段（t1t2 ）: 即定時積分階段. 在t1時刻，邏輯控制電路使開關(guān)S接通UX，積分器開始對UX積分，設(shè)UX0，則積分器輸出電壓線性遞減 ，反之線性遞增 。 至t2時刻，即計數(shù)器計數(shù)達到最大容量N1時 ，計數(shù)器輸出溢出信號，邏輯控制電路使開關(guān)S斷開、關(guān)閉閘門、計數(shù)器復(fù)零。在t2時刻積分器的輸出電壓為： U 01 = （1） T1= t2 t1為定時采樣時間 12111TURCdtURC

19、XttX3）比較階段比較階段（t2t3）：在t2時刻，控制電路使開關(guān)S接通與Ux極性相反的基準(zhǔn)電壓UR，積分器開始對UR反向積分，其輸出電壓從U 01反向逐漸增大、趨向于零。同時，控制電路使閘門打開，計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)。當(dāng)積分器輸出電壓等于零時，即t3時刻，零比較器輸出信號給控制電路使開關(guān)S斷開，關(guān)閉閘門，計數(shù)器停止計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果（設(shè)計數(shù)值為N2）送至顯示器顯示。零比較器時鐘脈沖閘門邏輯控制電路溢出復(fù)零計數(shù)器顯示器RUXUCSR在t3時刻，積分器的輸出電壓為零，此時有：0132ttRdtURCU 02 = U 01 + （1）20102TRCUUUR即： = 0 （2）式中，T2=

20、t3 t2 為比較時間。XRUUTT1221TTUURX結(jié)合（1）（2），得或由上式可知，UR、T1均為定值，所以被測電壓UX與比較時間T2成正比。由于計數(shù)器是對同一時鐘脈沖進行計數(shù)，則有：T1 = N1T0 ，T2 = N2T0 （T0 為時鐘脈沖周期），代入上式可得：XRUUNN1221NNUURX或UR為定值，N1為計數(shù)器的最大計數(shù)容量,也為定值，所以被測電壓UX與計數(shù)值與計數(shù)值N2成正比成正比。 雙積分式A/D變換器的工作波形積分器輸入積分器輸出計數(shù)脈沖P(t)t000tt( )iU t( )oUtRU-1T2t1N2N2TXU0t1t3t1）在測量過程中，需要通過兩次積分將UX變換為

21、與之成正比的時間間隔，所以雙積分式A/D變換器屬于VT變換式。2）測量準(zhǔn)確度高。雙積分式A/D變換器的準(zhǔn)確度主要取決于基準(zhǔn)電壓的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，而與R、C、T0無關(guān)，因而準(zhǔn)確度高。3）抗干擾能力強。 4）測量速度慢。（3）工作特點。）工作特點。電壓測量的應(yīng)用 直流電壓的測量直流電壓的測量一般可采用直接測量法和間接測量法兩種。 直接測量法測量時，將電壓表直接并聯(lián)在被測支路的兩端，如果電壓表的內(nèi)阻為無限大，則電壓表的示值即是被測支路兩點間的電壓值； 間接測量法則是先分別測量兩端點的對地電位，然后求兩點的電位差，差值即為要測量的電壓值。分直流電壓測量及交流電壓測量。1用數(shù)字式萬用表測量直流電壓2用模

22、擬式萬用表測量直流電壓3用零示法測量直流電壓4用電子電壓表測量直流電壓5用示波器測量直流電壓6微安法測量直流電壓7含交流成分的直流電壓的測量直流電壓的測量方法 交流電壓的測量交流電壓的測量一般可分為兩大類，一類是具有一定內(nèi)阻的交流信號源，另一類是電路中任意一點對地的交流電壓。 交流電壓的常用測量方法有電壓表法和示波器法。交流電壓表分為模擬式與數(shù)字式兩大類。不論是模擬式還是數(shù)字式交流電壓表，測量交流電壓時都是先將交流電壓經(jīng)過檢波器轉(zhuǎn)換成直流電壓后再進行測量。 模擬式萬用表測量交流電壓 示波器測量交流電壓分貝的測量1電平的概念電平的概念 “電平電平”是指兩功率或電壓之比的對數(shù)，有時也可用來表示兩電流之比的對數(shù)，其單位為貝爾（Bel）。常用貝爾的十分之一