電子測量技術(第3版)第五章第2部分

1、 數(shù)字式電壓表（DVM）是利用模/數(shù)（A/D）轉換器，將模擬的被測電壓量轉換成數(shù)字量，然后利用十進制數(shù)字顯示方式顯示被測量數(shù)值的電壓表。 數(shù)字多用表的框圖如圖5.13所示。5.4 數(shù)字式多用表圖5.13 數(shù)字多用表的框圖n目前數(shù)字電壓表的品種很多，按其模/數(shù)轉換器（A/D）原理來區(qū)分，可分為斜坡式、雙積分式、比較式和復合式等四類。5.4.15.4.1 數(shù)字電壓表的分類1斜坡式數(shù)字電壓表斜坡式數(shù)字電壓表是利用積分器產生的線性斜坡電壓與被測電壓進行比較，把被測電壓轉換成與其瞬時值成比例的時間間隔T，即采用的是U-T（電壓-時間）變換式，并在T時間內，用時鐘脈沖進行計數(shù)，計數(shù)的結果即為被測電壓值。

2、n2雙積分式數(shù)字電壓表n利用積分器對被測電壓進行正向和反向兩次積分，得到與輸入電壓平均值成正比的時間間隔T，并在T的時間間隔內對時鐘脈沖進行計數(shù)，最后用數(shù)字顯示被測電壓值。 n3比較式數(shù)字電壓表n利用輸入的模擬電壓與基準電壓進行比較的方法，把模擬量直接轉換成數(shù)字量的電壓表。 n4復合式數(shù)字電壓表n復合式數(shù)字電壓表是將積分式與比較式結合起來，取長補短發(fā)展起來的一種測速快、抗干擾能力強的高精度DVM。 1測量范圍 測量范圍包括顯示的位數(shù)、量程的范圍和是否具有超量程能力等。 （1）顯示位數(shù) 位數(shù)是指能顯示09共十個完整數(shù)碼的顯示器的位數(shù)。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能將09十個

3、數(shù)碼全部顯示的位。（2）量程的范圍 DVM的量程范圍包括基本量程和擴展量程?；玖砍淌菧y量誤差最小的量程，它不經過衰減和放大器；擴展量程是采用輸入衰減器和放大器來完成的，它的測量精度比基本量程的測量精度降低。5.4.25.4.2 數(shù)字電壓表的主要技術指標（3）超量程能力 1/2位和基本量程結合起來，說明DVM是否具有超量程能力。2分辨率 分辨率是指DVM能夠顯示的被測電壓的最小變化值，即顯示器末位跳動一個數(shù)字所需的電壓值。在不同的量程上DVM的分辨率是不同的，在最小量程上，DVM具有最高分辨率。3測量速率 測量速率是指每秒對被測電壓的測量次數(shù)，或一次測量全過程所需的時間。4輸入特性 輸入特性包

4、括輸入阻抗和零電流兩個指標。 直流測量時，DVM輸入阻抗用Ri表示。量程不同，Ri也有差別，一般在101000MW之間。 交流測量時，DVM輸入阻抗用Ri和輸入電容Ci的并聯(lián)值表示，一般Ci在幾十至幾百皮法之間。 n5抗干擾能力nDVM的干擾分為共模干擾和串模干擾兩種。儀器中采用共模抑制比和串模抑制比來表示DVM的抗干擾能力。一般共模干擾抑制比為80150dB；串模抑制比為5090dB。n在DVM中抑制串模干擾的措施有兩種，一是在DVM的輸入端設置濾波器；二是從A/D轉換原理上采用雙積分電路來消除干擾。n在DVM中抑制共模干擾主要采用輸出端浮置的辦法。 6固有誤差和工作誤差 DVM的固有測量誤

5、差主要是讀數(shù)誤差和滿度誤差，通常用測量的絕對誤差表示。 U（U x + % 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)； Um 該量程的滿度值。 工作誤差指在額定條件下的誤差，通常也以絕對值形式給出。1數(shù)字電壓表的組成數(shù)字電壓表的組成如圖5.14所示。5.4.35.4.3 數(shù)字電壓表的工作原理圖5.14 數(shù)字電壓表的組成框圖整個框圖包括兩大部分，模擬部分包括輸入電路（如阻抗變換電路、放大和擴展量程電路）和A/D轉換器。A/D轉換器是數(shù)字電壓表的核心，完成模擬量到數(shù)字量的轉換。數(shù)字部分主要完成邏輯控制、譯碼和顯示功能。2逐次逼近比較式DVM的基本原理（1）電路組成框圖

6、。如圖5.15所示，逐次逼近比較式A/D轉換器由電壓比較器、D/A轉換器、逐次逼近寄存器（SAR）、邏輯控制電路和輸出緩沖器等部分組成。圖5.15 逐次逼近比較式A/D轉換框圖(2)工作原理 逐次逼近比較式A/D變換是屬于直接式A/D變換。其基本原理是用被測電壓和一個可變的已知的電壓（基準電壓）進行比較，直至比較結果相等。達到測出被測電壓值的目的。(3)工作特點 測量速度快。 測量精度取決于標準電阻和基準電壓源的精度，還與D/A轉換器的位數(shù)有關。 由于測量值對應于瞬時值，而不是平均值，所以抗串模干擾能力差。3雙積分式DVM的基本原理 V-T變換原理是用積分器將被測電壓轉換為時間間隔，然后用電子

7、計數(shù)器在此間隔內累計脈沖數(shù)，數(shù)字顯示測量結果，計數(shù)的結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。(1)電路模型 電路模型如圖5.16所示，雙積分器的電路模型實際上是一個線性的積分器，它利用電容和運算放大器獲得線性的充放電電壓。圖5.16 雙積分器的電路模型 (2)工作原理 在一個測量周期內，借助于積分器的兩次積分過程，獲得與積分電壓成比例的時間間隔。如圖5.17所示，首先將被測電壓 U x加到積分器的輸入端，在確定的時間第一次積分，對 U x定時積分，定時時間為t1t2段，記為T1，積分輸出 第二次積分，對標準電壓定值積分，積分時間段為t2t3，記為T2，積分輸出uTuuxxottRCdtRC211

8、1)(1UTUurefrefoRCdtttRC22321兩次積分后輸出電壓為 U o=Uo1 + Uo2 = 0，則 u x = U ref解得 若用計數(shù)器在T1 、T2時間間隔內計數(shù)，計數(shù)脈沖周期為T0，計數(shù)值分別為N1、N2，則 UTTurefx12UNNUTNTNurefrefx120102 通過以上分析，我們可以設計出雙積分型A/D轉換器的原理框圖，如圖5.18所示，包括積分器、比較器、計數(shù)器、邏輯控制和時鐘信號源等幾部分。圖5.18 雙積分型A/D轉換器的原理框圖5.5 電壓測量的應用5.5.15.5.1 直流電壓的測量 電子電路中的直流電壓一般分為兩大類，一類為直流電源電壓，它具有

9、一定的直流電動勢E和等效內阻R；另一類是直流電路中某元器件兩端之間的電壓差或各點對地的電位。1用數(shù)字式萬用表測量直流電壓 用數(shù)字式萬用表測量直流電壓時，要選擇合適的量程，當超出量程時會有溢出顯示。 n2用模擬式萬用表測量直流電壓n 模擬式萬用表的直流電壓檔由表頭串聯(lián)分壓電阻組成，其輸入電阻一般不太大，而且各量程檔的內阻不同，同一塊表，量程越大內阻越大。在用模擬式萬用表測量直流電壓時，一定要注意表的內阻對被測電路的影響，否則將可能產生較大的測量誤差。 3用零示法測量直流電壓 為了減小由于模擬式萬用表內阻不夠大而引起的測量誤差，可用如圖5.20所示的零示法。 圖5.20 零示法測量直流電壓 4用電

10、子電壓表測量直流電壓 一般在放大-檢波式的電子電壓表中，為了提高電壓表的內阻，都采用跟隨器和放大器等電路提高電壓表的輸入阻抗和測量靈敏度。 5用示波器測量直流電壓6微安法測量直流電壓 為了準確地測量大電壓中的微小變化量，可以用微差法來測量。微差法和零示法都是減小系統(tǒng)誤差的典型技術。 7含交流成分的直流電壓的測量 對于含交流成分的直流電壓的測量一般采用模擬式電壓表的直流擋測量。（1）模擬式萬用表測量交流電壓。 測量交流電壓的頻率范圍較小，一般只能測量頻率在1kHz以下的交流電壓?？梢杂盟苯訙y量兩點之間的交流電壓。5.5.25.5.2 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

11、定內阻的交流信號源，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。 （2）示波器測量交流電壓。 用示波器法測量交流電壓與電壓表法相比具有如下優(yōu)點： 速度快 能測量各種波形的電壓。 能測量瞬時電壓。 能同時測量直流電壓和交流電壓。 1電平的概念 電平是指兩功率或電壓之比的對數(shù)，有時也表示兩電流之比的對數(shù)，單位為貝爾（Bel）。在實際應用時，常用貝爾的十分之一作為單位，稱為分貝，用“dB”表示。 常用的電平有功率電平和電壓電平兩類，它們各自又可分為絕對電平和相對電平兩種。（1）絕對功率電平LP。以600W電阻上消耗1mW的功率

12、作為基準功率，任意功率與之相比的對數(shù)稱為絕對功率電平。 5.5.35.5.3 分貝的測量（2）相對功率電平 。任意兩功率之比的對數(shù)稱為相對功率電平。（3）相對功率電平與絕對功率電平之間的關系為PL0AAPPAPBB0B10lg10lg() ( dB )PPPLLLPPP （4）絕對電壓電平LU。當600W電阻上消耗1mW的功率時，600W電阻兩端的電位差為0.775V，此電位差稱為基準電壓。任意兩點電壓與基準電壓之比的對數(shù)稱為該電壓的絕對電壓電平. n（5）相對電壓電平 。任意兩電壓之比的對數(shù)稱為相對電壓電平。 UL（6）絕對電壓電平與相對電壓電平的關系為AAUUAUBBB0.77520lg2

13、0lg() ( dB)0.775UULLLUU （7）絕對電壓電平與絕對功率電平的關系為 2x2xxxP20 x60010lg10lg10lg ()10lg0.775(0.775)600UPRULPRUx60010lgLR 表5.2顯示了分貝、絕對功率電平和絕對電壓電平之間數(shù)值的對應關系。 表5.2dB4020630-3-6-20-40LP100001004211/21/4 1/1001/10000LU1001021.41/21/1.4 1/21/101/1002采用電平概念的意義 電平的測量實際上也是電壓的測量。電平刻度是以1mW功率消耗于600電阻為零分貝進行計算的，即0dB0.775V。

14、 電平量程的擴大實質上也是電壓量程的擴大，電壓量程擴大N倍時，電平增加20lgN。NNUULxxUlg20775. 0lg20775. 0lg20 取零刻度的基準阻為Z0 =600 ，即0dB刻度相當于阻抗兩端電壓等于0.775V。當U x0.775V時，測量所得dB 值為正；當U x0.775V時，測量所得dB 值為負。3電平與電壓的關系4分貝的測量方法和刻度1非線性失真和線性失真 線性失真又稱為頻率失真，是由于器件內部電抗效應和外部電抗元件的存在，使得電路對同一信號中不用的頻率分量的傳輸系數(shù)不同或相位移不同而引起的。 線性失真一般采用頻率特性來描述。非線性失真是由于器件的非線性引起的。兩種

15、失真的區(qū)別在于非線性失真使得電路的輸出信號中產生了不同于輸入信號的新的頻率成分；線性失真則不會產生新的頻率成分。非線性失真一般用非線性失真系數(shù)來描述。5.5.45.5.4 失真度的測量 非線性失真系數(shù)，也稱為失真度，可以衡量非線性失真的大小。定義為%100UUUU122322n式中 失真度； U1 基波分量電壓的有效值； U2、U3、Un 各次諧波分量的電壓有效值。2非線性失真系數(shù)的定義 常先求非線性失真系數(shù)0，再算出失真度。0定義為被測信號中各次諧波電壓有效值與被測信號電壓有效值之比的百分數(shù)。%1002232221223220UUUUUUUnn可以證明， 與 的關系為 02001 （1）連接

16、圖。測量信號源的失真度時，直接將信號源輸入失真度儀進行測量；測量電路或設備的失真時，需采用一個低失真的正弦信號源作為被測電路的激勵源，如圖5.21所示。（2）失真度測量儀的組成框圖。一個簡單的失真度測試儀組成框圖如圖5.22所示。失真度測試儀由輸入電路、帶阻濾波器和電壓表組成。3抑制基波法測量非線性失真圖5.21 失真度測量儀器的連接圖5.22 簡單的失真度測試儀框圖 用失真度測量儀測量非線性失真系數(shù)時應注意以下幾點：測量時，應最大限度地濾出基波成分。因此要反復調節(jié)帶阻濾波電路中的調諧、微調和相位旋鈕。測量電路的非線性失真系數(shù)時，應在被測電路的通頻帶范圍內選擇多個頻率測試點進行多次測試；選擇的

17、測試點除了應包括上、下截止頻率外，還應在中間頻率段選擇幾個測試點，然后逐一進行非線性失真系數(shù)的測試，最后取其中最大的一個非線性失真系數(shù)值作為被測電路的非線性失真系數(shù)。4測量注意事項 如果測試用信號源輸出信號的非線性失真系數(shù)不可忽略，則被測電路的實際非線性失真系數(shù)可近似等于被測電路輸出信號的非線性失真系數(shù)減去其輸入信號的非線性失真系數(shù)。測量時，可用示波器進行監(jiān)視，可以判斷有無失真和有無干擾信號存在。 對于一個放大器，如將其輸入端短路，即在輸入信號為零時，我們仍能從輸出端測得交流電壓，這就是噪聲電壓。噪聲電壓的測量方法主要有電壓表法和示波器法。 1用交流電壓表測量噪聲電壓 由于噪聲電壓一般指有效值

18、（均方值），因此可直接采用有效值電壓表測量噪聲電壓的有效值的。 2用示波器測量噪聲電壓 示波器的頻帶寬度很寬時，可以用來測量噪聲電壓，使用極其方便，尤其適合于測量噪聲電壓的峰-峰值。5.5.55.5.5 噪聲電壓的測量n5.6.15.6.1 項目內容n擬定測量步驟，采用平均值電壓表和示波器分別對一定頻率的正弦波、方波和三角波進行測量，測量結果用峰峰值、有效值、平均值表示。通過實訓說明，對于同一測量對象，采用不同的測量儀表，其測量結論是相同的；采用正弦有效值顯示、平均值檢波的電壓表測量正弦信號，被測信號的平均值和電平直接從表頭讀測；測量非正弦信號波形，測量結果必須經過換算。5.6 項目4 電壓表波形響應的研究n1波形測量儀器一般描述n 在時域測量范圍內，示波器是最典型、最直接的觀測幅度的儀器。它不但測量速度快，能測量周期性信號的峰值電壓、瞬時電壓等，還能同時測量出被測電壓的直流分量和交流分量。但模擬示波器通常依靠測試者讀測，讀數(shù)誤差比較大。n 電壓表是比較方便讀測幅度的儀器。普通模擬指針式萬用表由于檢波電路和輸入電路簡陋，輸入阻抗比較低，測量交流電壓的頻率范圍較小，一般只能測量頻率在1kHz以下的交流電壓。電子電壓表和數(shù)字電壓表輸入阻抗較高，測量精度較高，可測頻率范圍廣，成為定量測量波形參數(shù)合適的儀器。5.6.25.6.2 項目相關知識點提示n 傳統(tǒng)電子電壓表