第6章電壓測量為主的智能儀器

1、 6.1 智能化智能化DVM原理原理 6.2 智能化智能化DMM原理原理 6.3 智能化智能化RLC 測量儀原理測量儀原理 第第6章章 電壓測量為主的智能儀器電壓測量為主的智能儀器第第6章章 電壓測量為主的智能儀器電壓測量為主的智能儀器電壓測量是電子測量中最基本的測量內容，這電壓測量是電子測量中最基本的測量內容，這是因為其他電量和非電量的測量大多數是先轉化為是因為其他電量和非電量的測量大多數是先轉化為直流電壓，直流電壓， 爾后再進行測量，所以電壓測量具有非爾后再進行測量，所以電壓測量具有非常廣泛的意義。常廣泛的意義。識記：識記：智能智能DVM的典型結構、智能的典型結構、智能DVM的的 功能及主

2、要技術指標功能及主要技術指標理解：理解：智能智能DVM中的中的AD轉換技術、國轉換技術、國 產產 HG1850微處理器微處理器DVM的組成原理的組成原理 及特點及特點應用：應用：1071型智能型智能DVM輸入電路的組成與設輸入電路的組成與設 計。計。6.1 智能化智能化DVM原理原理 6.1.1 概述概述一、一、 組成組成 智能智能DVM是指以微處理器為核心的數字電壓表。是指以微處理器為核心的數字電壓表。其中專用微型計算機部分包括微處理器芯片、存放其中專用微型計算機部分包括微處理器芯片、存放儀器監(jiān)控程序的存儲器儀器監(jiān)控程序的存儲器ROM和存放測量及運算數據和存放測量及運算數據的存儲器的存儲器R

3、AM等。用于測量的輸入輸出設備有：輸等。用于測量的輸入輸出設備有：輸入電路、入電路、A/D轉換器、鍵盤、顯示器及標準儀用接轉換器、鍵盤、顯示器及標準儀用接口電路等。儀器內部采用總線結構，外部設備與總口電路等。儀器內部采用總線結構，外部設備與總線相連。線相連。一、一、 組成組成 一、一、 組成組成 智能智能DVM的測量過程大致分為三個主要階段：的測量過程大致分為三個主要階段：、在微處理器的控制下，被測電壓通過輸入電路、A/D轉換器的處理轉變?yōu)橄鄳臄底至?，然后存入到數據存儲器中；、微處理器對采集的測量數據進行必要的處理，例如計算平均值、減去零點漂移等；、顯示處理結果。上述整個工作過程都是在存放在

4、上述整個工作過程都是在存放在ROMROM中監(jiān)控程序的控制中監(jiān)控程序的控制下進行的。下進行的。 二、二、 智能智能DVM的功能及主要技術指標的功能及主要技術指標 1、數據處理功能及自動測量功能等：、數據處理功能及自動測量功能等： 標定(AX+B) 、相對誤差() 、極限(LMT) 、 最大/最小 、比例 、統(tǒng)計 等數據處理功能； 自動量程轉換、自動零點調整、自動校準、自動診斷等自動測量功能。 2、普通、普通DVM的各項技術指標：的各項技術指標： 量程、位數、測量準確度、分辨率、輸入阻抗、輸入電流、測量速率等。 1 標定標定(AX+B) RAx+B 式中 ： R最后的顯示結果； x實際測量值； A

5、，B由面板鍵盤輸入的常數。 利用這一功能，可將傳感器輸出的測量值， 直接用實際的單位來顯示，實現標度變換。數據處理功能數據處理功能 2 相對誤差相對誤差()式中：式中： n 為由面板鍵盤輸入的標稱值。為由面板鍵盤輸入的標稱值。 利用這一功能，可把測量結果與標稱值的差值以百分率偏差的形式顯示出來，適用于元件容差校驗。%100nnxR 3 極限極限(LMT) 即上下限報警功能。利用這一功能可以了解被測量是否超即上下限報警功能。利用這一功能可以了解被測量是否超越預置極限的情況。越預置極限的情況。 使用前，應先通過面板鍵盤輸入上極限值 H 和下極限值 L。測量時， 在顯示測量值 x 的同時，還將顯示標

6、志字H，L 或P， 表明測量結果超上限、超下限或通過。 數據處理功能數據處理功能 4 最大最大/最小最小 利用此項功能能對一組測量值進行處理，利用此項功能能對一組測量值進行處理， 求出其中的最大求出其中的最大值和最小值并存儲起來。值和最小值并存儲起來。 在程序運行過程中一般只顯示現行測量值， 在設定的一組測量進行完畢之后， 再顯示這組數據中的最大值和最小值。 5 比例比例 指測量值與某指測量值與某參考參考值之間的關系，有三種表達形式。值之間的關系，有三種表達形式。 式中式中 : r 為由面板輸入的參考量。為由面板輸入的參考量。第一種表達形式為簡單比例；第一種表達形式為簡單比例；第二種為對數比，

7、第二種為對數比， 單位為單位為dB，這是電學、聲學常用的單，這是電學、聲學常用的單位；位；第三種是將測量值平方后除以第三種是將測量值平方后除以r， 其用途之一就是用瓦或其用途之一就是用瓦或毫瓦為單位直接顯示負載電阻毫瓦為單位直接顯示負載電阻r上的功率。上的功率。數據處理功能數據處理功能rxRrxRrxR2lg20 6統(tǒng)計統(tǒng)計利用此項功能，利用此項功能， 直接顯示多次測量值的統(tǒng)計運算結果，直接顯示多次測量值的統(tǒng)計運算結果， 常常見的統(tǒng)計有：平均值、方差值、標準差值、均方值等。見的統(tǒng)計有：平均值、方差值、標準差值、均方值等。 數據處理功能數據處理功能智能智能DVM一般都具有自動量程轉換、自動零點調

8、整、自動一般都具有自動量程轉換、自動零點調整、自動校準、自動診斷等功能，并配有標準接口。這些功能在第校準、自動診斷等功能，并配有標準接口。這些功能在第4章和章和第第5章中已做過討論。章中已做過討論。 自動測量等功能自動測量等功能 (1)量程量程為擴大測量范圍，為擴大測量范圍， 智能智能DVM借助于分壓器和輸入放大器分借助于分壓器和輸入放大器分為若干個量程，為若干個量程， 其中既不放大也不衰減的量程稱為基本量程。其中既不放大也不衰減的量程稱為基本量程。 普通普通DVMDVM的各項技術指標的各項技術指標(2)位數位數 智能智能DVM的位數是以完整的顯示位（能夠顯示的位數是以完整的顯示位（能夠顯示0

9、9十個數十個數碼的顯示位）來定義的。例如最大顯示數為碼的顯示位）來定義的。例如最大顯示數為9999，19999，11999的的DVM稱四位表。為區(qū)別起見，常常也把最大顯示數為稱四位表。為區(qū)別起見，常常也把最大顯示數為19999，11999的的DVM稱為稱為4 位半數字電壓表。位半數字電壓表。位數是表征位數是表征DVM性能的一個最基本的參量。通常將高于五性能的一個最基本的參量。通常將高于五位數字的位數字的DVM稱為高精度稱為高精度DVM。 (3)測量準確度測量準確度測量準確度常用絕對誤差的形式來表示，其表達式為測量準確度常用絕對誤差的形式來表示，其表達式為 式中：式中： a誤差的相對項系數；誤差

10、的相對項系數； b誤差的固定項系數；誤差的固定項系數； UX 測量電壓的指示值；測量電壓的指示值； Um 測量電壓的滿度值。測量電壓的滿度值。 DVM的測量準確度與量程有關，的測量準確度與量程有關， 其中基本量程的測量準其中基本量程的測量準確度最高。確度最高。 普通普通DVMDVM的各項技術指標的各項技術指標 = a%Uxb%Um (4)分辨率分辨率 分辨率即能顯示輸入電壓最小增量的能力，通常以使顯示分辨率即能顯示輸入電壓最小增量的能力，通常以使顯示器末位跳一個字所需輸入的最小電壓值來表示。器末位跳一個字所需輸入的最小電壓值來表示。分辨率與量程及位數有關，量程愈小位數愈多，分辨率就愈高。DVM

11、 通常以儀器最小量程的分辨率來代表儀器的分辨率，例如最小量程為1V的4 位DVM的分辨率為 100V。普通普通DVMDVM的各項技術指標的各項技術指標(5)輸入阻抗輸入阻抗Zi輸入阻抗輸入阻抗Zi 是指從是指從DVM兩個輸入端子看進去的等效電阻。兩個輸入端子看進去的等效電阻。輸入阻抗愈高，由儀表引入的誤差就愈小。同時儀器對被測電路的影響也就愈小。 (6)輸入電流輸入電流I0 輸入電流輸入電流I0 是指儀器內部產生并表現于輸入端的電流，它是指儀器內部產生并表現于輸入端的電流，它的大小隨溫度和濕度的不同而變化，而與被測信號的大小無關，的大小隨溫度和濕度的不同而變化，而與被測信號的大小無關，其方向是

12、隨機的。其方向是隨機的。這個電流將會通過信號源內阻建立一個附加的電壓，而形這個電流將會通過信號源內阻建立一個附加的電壓，而形成誤差電壓，所以輸入電流愈小愈好。成誤差電壓，所以輸入電流愈小愈好。 普通普通DVMDVM的各項技術指標的各項技術指標(7)測量速率測量速率 以每秒的測量次數來表示，以每秒的測量次數來表示，或者以每次測量所需的時間來表示?；蛘咭悦看螠y量所需的時間來表示。 6.1.2 輸入電路輸入電路 輸入電路主要由輸入衰減器、輸入放大器、有源濾波器、輸入電路主要由輸入衰減器、輸入放大器、有源濾波器、輸入電流補償電路等部分組成。輸入電路的主要作用是提高輸輸入電流補償電路等部分組成。輸入電路

13、的主要作用是提高輸入阻抗和實現量程轉換。入阻抗和實現量程轉換。常常將常常將DVM的輸入電路和的輸入電路和A/D轉換器兩部分電路合稱為模轉換器兩部分電路合稱為模擬部分。擬部分。DVM的許多技術指標都是由模擬部分來決定的。無論的許多技術指標都是由模擬部分來決定的。無論一臺智能一臺智能DVM的功能有多么強大，其基本測量水平主要由模擬的功能有多么強大，其基本測量水平主要由模擬部分來決定。部分來決定。 下面以下面以DATRON公司公司1071型智能型智能DVM輸入電路為例對輸入輸入電路為例對輸入電路的組成原理進行討論。電路的組成原理進行討論。1071 型型DVM輸入電路主要由輸入衰輸入電路主要由輸入衰減

14、器、輸入放大器、有源濾波器、輸入電流補償電路及自舉電減器、輸入放大器、有源濾波器、輸入電流補償電路及自舉電路等部分組成。路等部分組成。 1071 1071 型型DVMDVM輸入電路主要由輸入衰減器、輸入放大輸入電路主要由輸入衰減器、輸入放大器、有源濾波器、輸入電流補償電路及自舉電路等部分器、有源濾波器、輸入電流補償電路及自舉電路等部分組成。組成。 有源濾波器有源濾波器是否接入由微處理器通過是否接入由微處理器通過I/OI/O接口電路實施控制，接口電路實施控制，該濾波器對該濾波器對50Hz 50Hz 的干擾有的干擾有54dB54dB的衰減。的衰減。 輸入放大器輸入放大器由直流自舉電路供電，以使放大

15、器的地線電壓和由直流自舉電路供電，以使放大器的地線電壓和電源電壓跟隨輸入信號而變化，即所謂電源電壓跟隨輸入信號而變化，即所謂“浮動浮動”的電源。的電源。 圖中，圖中，M32M32是高阻抗電壓跟隨器，它接在輸入放大器的反相輸入端，因此是高阻抗電壓跟隨器，它接在輸入放大器的反相輸入端，因此M32M32能精確地跟蹤輸入信號變化。能精確地跟蹤輸入信號變化。M32M32輸出接另兩個放大器的輸入端，從而達到輸出接另兩個放大器的輸入端，從而達到隨輸入信號變化而控制自舉電源輸出端，產生一個浮動的隨輸入信號變化而控制自舉電源輸出端，產生一個浮動的12V12V電源。電源。 這樣，輸入放大器工作點基本上不隨輸入信號

16、的變化而變化，這樣，輸入放大器工作點基本上不隨輸入信號的變化而變化， 這對提高放這對提高放大器的穩(wěn)定性及抗共模干擾能力等性能是很有益處的。大器的穩(wěn)定性及抗共模干擾能力等性能是很有益處的。 輸入電流補償電路輸入電流補償電路的作用的作用是減小輸入電流的影響。是減小輸入電流的影響。 自動補償時，在輸入端接自動補償時，在輸入端接入一個入一個10M10M電阻，這樣，輸入電阻，這樣，輸入電流電流 + I + I b b在該電阻上產生的在該電阻上產生的壓降經壓降經A/DA/D轉換后存入到非易失轉換后存入到非易失性存儲器內，作為輸入電流的性存儲器內，作為輸入電流的校正量。正常測量時，微處理校正量。正常測量時，

17、微處理器根據校正量送出適當的數字器根據校正量送出適當的數字到到D/AD/A轉換器并經輸入電流補償轉換器并經輸入電流補償電路產生一個與原來輸入電流電路產生一個與原來輸入電流 + I + I b b 大小相等方向相反的電大小相等方向相反的電流流 - I - I b b ，使兩者在放大器的，使兩者在放大器的輸入端相互抵消。輸入端相互抵消。 這項措施可以使儀器的零這項措施可以使儀器的零輸入電流減小到輸入電流減小到1pA1pA。 輸入電路的核心輸入電路的核心是由輸入衰減器和放大器組成的量程標定電路，是由輸入衰減器和放大器組成的量程標定電路，如圖所示。如圖所示。 繼電器繼電器S S控制控制10011001

18、衰減器是否接入。衰減器是否接入。VTVT5 5VTVT1010是模擬開關，是模擬開關，控制放大器不同的增益。它們在控制信號的作用下，形成不同的通、控制放大器不同的增益。它們在控制信號的作用下，形成不同的通、斷組態(tài)，構成斷組態(tài)，構成0.1V0.1V， 1V1V，10V10V，100V100V，1000V1000V五個量程狀態(tài)及自測五個量程狀態(tài)及自測試狀態(tài)。各組分析如下：試狀態(tài)。各組分析如下： S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7Uo (1) 0.1 V(1) 0.1 V量程。量程。V8V8、V6V6導通，放大

19、電路被接成電壓負反饋導通，放大電路被接成電壓負反饋放大器，放大器， 其放大倍數其放大倍數A Af f及最大輸出電壓及最大輸出電壓U Uomaxomax分別為分別為 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV6 .316 .311 . 06 .311196 .21omaxfUA (2) 1 V(2) 1 V量程。量程。V8V8、V10V10導通，此時放大電路被接成串聯(lián)負導通，此時放大電路被接成串聯(lián)負反饋放大器，其放大倍數反饋放大器，其放大倍數AfAf及最大輸出電壓及最大輸出電壓UomaxUomax分別為分別為

20、 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV16.36 .3116 .3119196 .21omaxfUA (3) 10 V(3) 10 V量程。量程。7 7、V9V9導通，放大電路被接成跟隨器，放導通，放大電路被接成跟隨器，放大倍數為大倍數為1 1，然后輸出經分壓，此時，然后輸出經分壓，此時 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV16.3196 .211910omaxU (4) 100 V(4) 100 V量程。量

21、程。V8V8、V10V10導通，放大電路仍為串聯(lián)負反饋導通，放大電路仍為串聯(lián)負反饋放大器，同時繼電器開關放大器，同時繼電器開關S S吸合，使吸合，使10011001衰減器接入，此時衰減器接入，此時S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV6 .3119196 .211001100omaxU (5) 1000 V (5) 1000 V 量程。繼電器開關量程。繼電器開關S S吸合，使吸合，使10011001衰減器接衰減器接入，同時入，同時V7V7、V9V9導通，放大電路被接成跟隨器，并使輸出再經導通，放大電路被

22、接成跟隨器，并使輸出再經分壓，此時分壓，此時 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV6 .31196 .21191001100omaxU 由上述計算可見，送入由上述計算可見，送入A/DA/D轉換器的輸入規(guī)范電轉換器的輸入規(guī)范電壓為壓為 0 03.16 V3.16 V，同時，由于電路被接成串聯(lián)負反，同時，由于電路被接成串聯(lián)負反饋形式并且采用自舉電源，因此饋形式并且采用自舉電源，因此0.1 V0.1 V、 1 V1 V和和10 V10 V三擋量程的輸入電阻高達三擋量程的輸入電阻高達10 000 M10 00

23、0 M。10 V10 V和和1000 1000 V V擋量程由于接入衰減器，輸入阻抗降為擋量程由于接入衰減器，輸入阻抗降為10 M10 M。 當當V5V5、V6V6和和V8V8導通，繼電器開關導通，繼電器開關S S吸合時，電路吸合時，電路組態(tài)為自測試狀態(tài)。此時放大器的輸出應為組態(tài)為自測試狀態(tài)。此時放大器的輸出應為-3.12 V-3.12 V。儀器在自診斷時測量該電壓，并與存儲的數值相比儀器在自診斷時測量該電壓，并與存儲的數值相比較。若兩者之差在較。若兩者之差在6%6%以內，即認為放大器工作正常；以內，即認為放大器工作正常； 否則視為故障，否則視為故障， 必須排除。必須排除。 6.1. 3 智能

24、智能 DVM中的中的AD 轉換技術轉換技術 高精度的智能高精度的智能DVM一般不直接采用集成一般不直接采用集成AD轉換器芯片，轉換器芯片，而是在一般而是在一般AD轉換器的基礎上，借助于軟件來形成高精度轉換器的基礎上，借助于軟件來形成高精度的的AD轉換器。其中，廣為采用的有多斜積分式轉換器。其中，廣為采用的有多斜積分式AD轉換器、轉換器、Fluke公司提出的余數循環(huán)比較式公司提出的余數循環(huán)比較式AD轉換器、轉換器、Solartron公公司提出的脈沖調寬式司提出的脈沖調寬式AD轉換器等。轉換器等。本節(jié)僅介紹：本節(jié)僅介紹：一、多斜積分式一、多斜積分式AD轉換器轉換器二、脈沖調寬式二、脈沖調寬式AD轉

25、換器（略）轉換器（略） 多斜積分式多斜積分式A/DA/D轉換器是在雙積分式轉換器是在雙積分式A/DA/D轉換器的基礎上發(fā)轉換器的基礎上發(fā)展起來的。雙積分式展起來的。雙積分式A/DA/D轉換器具有抗干擾性強的特點，在采轉換器具有抗干擾性強的特點，在采用零點校準和增益校準的前提下，其轉換精度也可以做得很高，用零點校準和增益校準的前提下，其轉換精度也可以做得很高， 但顯著的不足之處是轉換速度較慢，并且分辨率要求愈高，但顯著的不足之處是轉換速度較慢，并且分辨率要求愈高， 其轉換速度也就愈慢。由于比較器帶寬有限，因此不能簡單地其轉換速度也就愈慢。由于比較器帶寬有限，因此不能簡單地通過提高時鐘頻率來加快轉

26、換速度。如果采用軟件計數，則時通過提高時鐘頻率來加快轉換速度。如果采用軟件計數，則時鐘頻率的提高更是有限度的。除此之外，雙積分式鐘頻率的提高更是有限度的。除此之外，雙積分式A/DA/D轉換器轉換器還存在著還存在著“零區(qū)零區(qū)”等問題。采用多斜積分式等問題。采用多斜積分式A AD D轉換器可以較轉換器可以較好地改善轉換速度慢這個弱點，它的轉換速率分辨率乘積可比好地改善轉換速度慢這個弱點，它的轉換速率分辨率乘積可比傳統(tǒng)雙積分式傳統(tǒng)雙積分式A AD D提高二個數量級以上。下圖為多斜積分式提高二個數量級以上。下圖為多斜積分式A/D轉換器的轉換波形圖。轉換器的轉換波形圖。 一、一、 多斜積分式多斜積分式A

27、/D轉換器轉換器圖圖 5-5 5-5 多斜積分式多斜積分式A/DA/D轉換器的轉換波形圖轉換器的轉換波形圖(a) 三斜積分式；三斜積分式； (b) 四斜積分式四斜積分式 OOUoUoTTT1T22T21T21T1T22(a)(b)Tc采用三斜積分式采用三斜積分式A/D轉換器可以較好地改善轉換速度慢這轉換器可以較好地改善轉換速度慢這個弱點，它的轉換速率分辨率乘積可以比傳統(tǒng)雙積分式個弱點，它的轉換速率分辨率乘積可以比傳統(tǒng)雙積分式A/D轉轉換器提高兩個數量級以上。三斜積分式換器提高兩個數量級以上。三斜積分式A/D轉換器的轉換波形轉換器的轉換波形是將雙積分式是將雙積分式A/D轉換的反向積分階段轉換的反

28、向積分階段T2分為（分為（a）所示的）所示的T21和和T22兩部分。兩部分。三斜積分式三斜積分式A AD D轉換器轉換器在在T21期間，積分器對基準電壓期間，積分器對基準電壓UR進行積分，放電速度較進行積分，放電速度較快；在快；在T22期間，積分器改為對較小的基準電壓期間，積分器改為對較小的基準電壓UR/2m進行積分，進行積分，放電速度較慢。在計數時，把計數器也分成兩段進行計數。在放電速度較慢。在計數時，把計數器也分成兩段進行計數。在T21期間，從計數器的高位（期間，從計數器的高位（2m位）開始計數，設其計數值為位）開始計數，設其計數值為N1；在；在T22期間，從計數器的低位（期間，從計數器的

29、低位（20位）開始計數，設其計位）開始計數，設其計數值為數值為N2。 則計數器中最后的讀數為則計數器中最后的讀數為 NN1 2mN2 在一次測量過程中，在一次測量過程中， 積分器上電容器的充電電荷與放電積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，電荷是平衡的， 則則 22R21R1x2|TUTUTUm其中：其中： 02220121,TNTTNT將上式加以整理，將上式加以整理， 可得可得 NTUNNTUTNUTNUTUmmmm2)2(22|0R210R02R01R1x將上式進一步整理，可得三斜積分式將上式進一步整理，可得三斜積分式A/D轉換器的基本關系式為轉換器的基本關系式為 NTTUUm10R

30、x2|上式中，如果取上式中，如果取m=7，時鐘脈沖周期，時鐘脈沖周期T0120s，基準電，基準電壓壓UR10 V，并希望把，并希望把12 V 被測電壓變換為被測電壓變換為N120 000碼讀碼讀數時，由上式可以計算出數時，由上式可以計算出T1 100 ms, 而傳統(tǒng)的雙積分式而傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉換器在相同的條件下所需要的積分時間轉換器在相同的條件下所需要的積分時間T115.36 s， 可見可見三斜積分式三斜積分式A/D轉換器可以使測量速度大幅度提高。轉換器可以使測量速度大幅度提高。 四斜積分式四斜積分式A AD D轉換器轉換器 四斜積分式四斜積分式AD轉換器是為解決雙積分式和三斜積分式轉換

31、器是為解決雙積分式和三斜積分式AD轉換器存在的零區(qū)問題而提出的。轉換器存在的零區(qū)問題而提出的。解決的方法是：在取樣期結束時，先選用與被測電壓同極解決的方法是：在取樣期結束時，先選用與被測電壓同極性的基準電壓積分一段固定的時間性的基準電壓積分一段固定的時間Tc，以產生上沖波形，避開，以產生上沖波形，避開零區(qū)，然后再按上述三斜積分式零區(qū)，然后再按上述三斜積分式AD轉換的方法去進行反向積轉換的方法去進行反向積分，從而構成四斜積分式分，從而構成四斜積分式AD轉換器，其轉換波形如圖所示。轉換器，其轉換波形如圖所示。由于由于TC是固定的，因此該上沖使測量結果增加的數值也是固定是固定的，因此該上沖使測量結果

32、增加的數值也是固定的，這很容易用軟件的方法來扣除。的，這很容易用軟件的方法來扣除。下圖示出了四斜積分式下圖示出了四斜積分式A/DA/D轉換器的原理框圖。積分器的轉換器的原理框圖。積分器的輸入端經輸入端經6 6個開關分別與被測電壓、各種基準電壓和模擬地相個開關分別與被測電壓、各種基準電壓和模擬地相接，由接，由6 6個個D D觸發(fā)器組成的輸出口實施對這些開關的控制。觸發(fā)器組成的輸出口實施對這些開關的控制。 微微處理器通過執(zhí)行輸出指令將不同的數據送往該輸出口，處理器通過執(zhí)行輸出指令將不同的數據送往該輸出口， 就可就可以使不同的開關接通或斷開。以使不同的開關接通或斷開。 S5S4 UR / 2mS3

33、UR / 2mS2 URS1URS0UxR積 分 器CUo絕 對 值 放大 器| x|COMP比 較 器 COMP比 較 器 UD0D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5輸 出 口微 處 理 器 系 統(tǒng)顯 示三 態(tài) 反 相 器四斜積分式四斜積分式A AD D轉換控制流程圖轉換控制流程圖 脈沖調寬式脈沖調寬式A/DA/D轉換器是轉換器是SolartronSolartron公司的專利，它也是在公司的專利，它也是在雙積分式雙積分式A/DA/D轉換器的基礎上發(fā)展起來的。脈沖調寬式轉換器的基礎上發(fā)展起來的。脈沖調寬式A/DA/D轉換轉換器主要克服了雙積分式器主要克服了雙積分式A/DA/D轉換器的不足之處。雙積分式

34、轉換器的不足之處。雙積分式A/DA/D轉轉換器的不足之處為：積分器輸出斜波電壓的線性度有限，使雙換器的不足之處為：積分器輸出斜波電壓的線性度有限，使雙積分式積分式A/D A/D 轉換器的精度很難高于轉換器的精度很難高于0.01%0.01%；積分器式；積分器式A/DA/D轉換器轉換器采樣是間斷的，采樣是間斷的， 不能對被測信號進行連續(xù)監(jiān)測。不能對被測信號進行連續(xù)監(jiān)測。 二、脈沖調寬式二、脈沖調寬式A/D轉換器轉換器脈沖調寬式脈沖調寬式A/D轉換器原理框圖轉換器原理框圖 COMP比較器積分器CR1R3門降門升可逆計數器緩沖器數據總線COMP比較器時鐘 U UR URR2Uf：強制方波Ux：被測信號

35、 U(a)(b)積分器輸入積分器輸出升脈沖降脈沖 U UUx加入假定假定T1和和T2分別代表在一個周期分別代表在一個周期T內正負基準接入的時間，內正負基準接入的時間， 根據電荷平衡原理，則有根據電荷平衡原理，則有 TTTRRUUtUCRtUCRtUCRTTT1221Rx0R20R20 x10d1d1d121若若R1R2，則，則 )(12TTTUURx 6.1.4 典型智能典型智能 DVM 介紹介紹 HG1850 DVM是在吸取諸多智能是在吸取諸多智能DVM某些特點的基礎上，結某些特點的基礎上，結合國內具體情況自行設計的產品。它采用了合國內具體情況自行設計的產品。它采用了8080A CPU，多斜

36、積，多斜積分式分式A/D轉換器，自動量程轉換，最大顯示數為轉換器，自動量程轉換，最大顯示數為112200?？捎糜凇？捎糜跍y量測量10V至至1000V的直流電壓，主要技術指標如表。的直流電壓，主要技術指標如表。 以國產以國產HG1850 DVMHG1850 DVM為代表介紹智能為代表介紹智能DVMDVM的組成原理及特點。的組成原理及特點。 一、一、 概述概述 在自校準方面：吸取了在自校準方面：吸取了HP3455A DVM的優(yōu)點，使儀器每隔的優(yōu)點，使儀器每隔三分鐘便自動進行一次自校準，保證了測量的準確度和長期穩(wěn)三分鐘便自動進行一次自校準，保證了測量的準確度和長期穩(wěn)定性；定性； 在自檢方面：借鑒了在

37、自檢方面：借鑒了Fluke 8500A DVM的做法，用戶可隨的做法，用戶可隨時按下面板上的自檢鍵使儀器進行自檢，若某一部分出現故障，時按下面板上的自檢鍵使儀器進行自檢，若某一部分出現故障，顯示器將顯示故障代碼，為儀器的維修提供了方便；顯示器將顯示故障代碼，為儀器的維修提供了方便； 在數據處理方面，參考了在數據處理方面，參考了Solartron 7055 DVM所采用的方所采用的方法并加以改進，使用戶不僅可以通過面板上的功能鍵對測量結法并加以改進，使用戶不僅可以通過面板上的功能鍵對測量結果進行正常運算，還允許用戶根據需要通過操作鍵盤編寫出各果進行正常運算，還允許用戶根據需要通過操作鍵盤編寫出各

38、種數據處理程序。種數據處理程序。HG1850 DVM HG1850 DVM 吸取了諸多智能吸取了諸多智能DVMDVM的某些特點的某些特點: :HG1850 DVMHG1850 DVM原理框圖如圖所示。圖中上半部分為模擬部分，下半部分為數字原理框圖如圖所示。圖中上半部分為模擬部分，下半部分為數字部分。模擬部分中的輸入放大器和部分。模擬部分中的輸入放大器和A AD D轉換器是保證儀器精度等技術指標的關鍵轉換器是保證儀器精度等技術指標的關鍵部件，為了免受干擾，儀器的模擬部分和數字部分在電氣上采取相互隔離的措施，部件，為了免受干擾，儀器的模擬部分和數字部分在電氣上采取相互隔離的措施，兩部分分別單獨供電

39、，它們之間的信息通過光電耦合進行傳遞。兩部分分別單獨供電，它們之間的信息通過光電耦合進行傳遞。 測量模式：是測量模式：是HG1850 DVM最基本的工作方式，微處理器最基本的工作方式，微處理器根據用戶通過鍵盤選定的量程送出相應的開關量根據用戶通過鍵盤選定的量程送出相應的開關量(控制字控制字)，使，使輸入放大器組成相應的組態(tài)。測量時，被測電壓首先經輸入放輸入放大器組成相應的組態(tài)。測量時，被測電壓首先經輸入放大器進入大器進入AD轉換器，然后轉換器，然后AD轉換器把放大器輸出的電壓轉換器把放大器輸出的電壓變成數字量存入到相應的內存單元。接著，微處理器將根據不變成數字量存入到相應的內存單元。接著，微處

40、理器將根據不同量程的參數并按照相應的數學模型、計算出正確的測量結果。同量程的參數并按照相應的數學模型、計算出正確的測量結果。一次測量結束后，程序自動地返回去進行下一次測量，如此不一次測量結束后，程序自動地返回去進行下一次測量，如此不斷地循環(huán)測量。斷地循環(huán)測量。自檢模式：自檢模式：“自檢自檢”鍵被按下時進入。微處理器將按預定鍵被按下時進入。微處理器將按預定程序檢查模擬單元各部分的工作狀態(tài)。若正常即顯示程序檢查模擬單元各部分的工作狀態(tài)。若正常即顯示“pass”字樣，然后返回到測量模式。若有故障，顯示器將顯示此故障字樣，然后返回到測量模式。若有故障，顯示器將顯示此故障的代碼，然后等待的代碼，然后等待

41、10s，再次檢查直至故障排除。，再次檢查直至故障排除。 HG1850HG1850具有測量、自檢、用戶程序、編程和自校五種工作模式。具有測量、自檢、用戶程序、編程和自校五種工作模式。 二、二、 整機工作流程整機工作流程 編程模式：編程模式：“編程編程”鍵被按下時進入。用戶可以利用儀器面鍵被按下時進入。用戶可以利用儀器面板的鍵盤編制所需要的計算程序。編程結束后，程序又返回到測板的鍵盤編制所需要的計算程序。編程結束后，程序又返回到測量模式中繼續(xù)進行測量。量模式中繼續(xù)進行測量。用戶程序模式：用戶程序模式：“用戶用戶”鍵被按下時進入。用戶程序是按使鍵被按下時進入。用戶程序是按使用者需要而事先編制并固化在

42、用者需要而事先編制并固化在ROMROM中的測量、控制或數據處理程中的測量、控制或數據處理程序。若要結束用戶程序模式而進入測量模式，需要按下序。若要結束用戶程序模式而進入測量模式，需要按下“返回返回”鍵。鍵。自校準模式：每隔大約自校準模式：每隔大約3min3min就自動進行一次自校準。設立了就自動進行一次自校準。設立了一個一個9 9比特二進制自校計數器比特二進制自校計數器M M。程序在每進行一次測量之后。程序在每進行一次測量之后M M增增1 1，當計數器計滿時，即進行了當計數器計滿時，即進行了512512次測量次測量( (約約3min)3min)之后，使儀器自之后，使儀器自動校準一次。動校準一次

43、。HG1850 的整機工作流程如圖的整機工作流程如圖三、三、 鍵盤與編程模式鍵盤與編程模式 HG1850HG1850鍵盤分上下兩排，每排有十二個按鍵，為了使用戶了解當前儀器的鍵盤分上下兩排，每排有十二個按鍵，為了使用戶了解當前儀器的狀態(tài)，每個按鍵上方都設有一只狀態(tài)，每個按鍵上方都設有一只LEDLED作為鍵燈，以記憶該按鍵是否有效。這些作為鍵燈，以記憶該按鍵是否有效。這些按鍵大都用以表示各按鍵在不同模式下的意義。鍵盤結構圖如圖。按鍵大都用以表示各按鍵在不同模式下的意義。鍵盤結構圖如圖。 (1) “(1) “手動手動”、“連續(xù)連續(xù)”兩鍵為互鎖鍵。當兩鍵為互鎖鍵。當“連續(xù)連續(xù)”鍵被按鍵被按下時，測量

44、自動連續(xù)進行，即每測量一次顯示讀數就自動更新一下時，測量自動連續(xù)進行，即每測量一次顯示讀數就自動更新一次。當次。當“手動手動”鍵有效時，顯示器將隨每次按動鍵有效時，顯示器將隨每次按動“手動手動”鍵而更鍵而更新，若不按動該鍵，顯示器的內容將不再更新。新，若不按動該鍵，顯示器的內容將不再更新。 (2) (2) 、按鍵、按鍵“1” 1” 、“10” 10” 、“100” 100” 、“1000” 1000” 分別表分別表示示1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V量程鍵。他們與量程鍵。他們與“自動自動” ” 鍵為互鎖鍵。鍵為互鎖鍵。用于選擇測量量程。用于選擇測量量程。 (3)(

45、3)、 “ “遙測遙測”鍵為自鎖鍵。按下時，面板上的鍵均失去作鍵為自鎖鍵。按下時，面板上的鍵均失去作用，這時從后面板接入鍵盤將能實現遙控。再按一次用，這時從后面板接入鍵盤將能實現遙控。再按一次“遙測遙測”鍵，鍵，將使該鍵釋放，它的將使該鍵釋放，它的LEDLED指示燈熄滅，前面板鍵盤各鍵重新生效。指示燈熄滅，前面板鍵盤各鍵重新生效。測量模式：按鍵下方標號表示該鍵的意義，用法和普通測量模式：按鍵下方標號表示該鍵的意義，用法和普通DVMDVM類似類似 (4) (4) 顯示位數鍵顯示位數鍵 和和 也為互鎖鍵。當也為互鎖鍵。當 鍵按下時鍵按下時位數為四位半，位數為四位半，但測量速度快；當鍵按下時，顯示數

46、為五位半，但測量速度但測量速度快；當鍵按下時，顯示數為五位半，但測量速度減慢。減慢。 (5) “(5) “自檢自檢”鍵按動后，儀器將暫時脫離測量模式而進行自鍵按動后，儀器將暫時脫離測量模式而進行自檢。檢。 (6) “(6) “計算計算”鍵為自鎖鍵。當用戶編制了計算程序以后，按鍵為自鎖鍵。當用戶編制了計算程序以后，按動此鍵就能按照所編程序對測量結果進行處理并顯示處理的結果，動此鍵就能按照所編程序對測量結果進行處理并顯示處理的結果，此時該鍵的此時該鍵的LEDLED指示燈亮。如果再按一次指示燈亮。如果再按一次“計算計算”鍵，則該鍵，則該LEDLED指指示燈熄滅，顯示器顯示測得的電壓值。示燈熄滅，顯示

47、器顯示測得的電壓值。 (7) “(7) “用戶用戶”鍵鍵”為自鎖鍵。按下該鍵為自鎖鍵。按下該鍵HG1850HG1850即進入用戶程即進入用戶程序。用戶程序已固化在儀器內部。序。用戶程序已固化在儀器內部。 214215214215測量模式：按鍵下方標號表示該鍵的意義，用法和普通測量模式：按鍵下方標號表示該鍵的意義，用法和普通DVMDVM類似類似(1) “(1) “檢查檢查”鍵用于檢查或修改程序。連續(xù)按動該鍵顯示器將顯鍵用于檢查或修改程序。連續(xù)按動該鍵顯示器將顯示程序內容。示程序內容。(2) “(2) “清除清除”鍵用于清除剛從鍵盤上送入的數據。鍵用于清除剛從鍵盤上送入的數據。(3) “R”(3)

48、 “R”鍵用于儀器直接顯示測量得到的結果。鍵用于儀器直接顯示測量得到的結果。(4) “F”(4) “F”鍵用于儀器顯示在鍵用于儀器顯示在RAMRAM區(qū)開辟的中間寄存器中的內容。區(qū)開辟的中間寄存器中的內容。(5) “SF”(5) “SF”鍵代表向寄存器鍵代表向寄存器F F存數。存數。(6) “(6) “”,“,“”，“”，“ ”“ ”，“l(fā)og” log” 代表加法、代表加法、乘法、除法、開方和對數運算。乘法、除法、開方和對數運算。(7) “0”(7) “0”，“1”1”，“9”9”，“”，“” ” 鍵用于鍵用于供編程時設置各種數據、正負號、小數點用。供編程時設置各種數據、正負號、小數點用。 編

49、程模式：按編程模式：按 “編程編程”鍵進入。按鍵上方的標號表示各鍵的意義鍵進入。按鍵上方的標號表示各鍵的意義6.2 智能化智能化 DMM 原理原理 識記：識記：DMM組成框圖、平均值轉換器和有效組成框圖、平均值轉換器和有效 值轉換器、歐姆轉換器和電流轉換器值轉換器、歐姆轉換器和電流轉換器理解：理解：71507151型可程控型可程控DMM的特點和的特點和 工作原理工作原理6.2 智能化智能化 DMM 原理原理 6.2.1 概述概述 數字多用表數字多用表(DMM) 指除能測量直流電壓外，還同時能測量交流指除能測量直流電壓外，還同時能測量交流電壓、電流和電阻等參數的數字測量儀器。其組成框圖如圖電壓、

50、電流和電阻等參數的數字測量儀器。其組成框圖如圖 交流電壓、電流和電阻的測量是通過交直流交流電壓、電流和電阻的測量是通過交直流(AC(ACDC)DC)轉換器、電流轉換器轉換器、電流轉換器和歐姆轉換器先轉換成相應的直流電壓，然后再由和歐姆轉換器先轉換成相應的直流電壓，然后再由DVMDVM進行電壓測量而實現的。進行電壓測量而實現的。因此，因此，DMMDMM實際是一種以實際是一種以DVMDVM為基礎的電子儀器。為基礎的電子儀器。 電 阻 / 直 流 電 壓 轉 換 器Rx直 流 電 流 / 電 壓 轉 換 器IxDVM交 / 直 流 電 壓 轉 換 器UU6.2.2 交直流轉換器交直流轉換器 DMM采

51、用的交直流轉換器主要有采用的交直流轉換器主要有平均值轉換器平均值轉換器和和有效值轉換器有效值轉換器。平均值平均值ACDC轉換器對交流電壓進行有效值測量的方法是：轉換器對交流電壓進行有效值測量的方法是：先測出交流信號的平均值，然后再根據波形因數換算出對應的有先測出交流信號的平均值，然后再根據波形因數換算出對應的有效值。交流信號的平均值由下式表示效值。交流信號的平均值由下式表示從交流電壓測量的角度來看，平均值是指經過整流之后的平從交流電壓測量的角度來看，平均值是指經過整流之后的平均值。否則，若被測交流信號為正弦波信號，則平均值為零。因均值。否則，若被測交流信號為正弦波信號，則平均值為零。因此，要取

52、得上式所表征的平均值此，要取得上式所表征的平均值 ，必須先求交流信號的絕對值，必須先求交流信號的絕對值，然后再取其平均值。然后再取其平均值。絕對值可用絕對值可用半波線性整流器半波線性整流器或或全波線性整流器全波線性整流器實現，平均值實現，平均值可用可用濾波器濾波器來實現來實現。一、平均值（一、平均值（AC/DC）電壓轉換器）電壓轉換器TiiodtuTuU01iu 放大器放大器A A2 2及二極管及二極管VDVD1 1，VDVD2 2等構成了半波整流器，在輸入信等構成了半波整流器，在輸入信號電壓的正半周，號電壓的正半周，VDVD1 1導通、導通、VDVD2 2截止，截止，B B點電壓為點電壓為0

53、 0；在負半周，；在負半周，VDVD1 1截止、截止、VDVD2 2導通，電流經導通，電流經R R7 7在在B B點產生正極性電壓。由于點產生正極性電壓。由于R R3 3R R4 4，因此在因此在B B點波形的幅度與輸入信號電壓相等，但極性相反。點波形的幅度與輸入信號電壓相等，但極性相反。一、平均值轉換器一、平均值轉換器半波線性平均值半波線性平均值ACACDCDC轉換器轉換器 A1A1的作用是提高輸入阻抗和擴大測量范圍。的作用是提高輸入阻抗和擴大測量范圍。A3A3組成的有源濾組成的有源濾波放大器，實現平均值的計算。最后再將平均值按正弦波有效值波放大器，實現平均值的計算。最后再將平均值按正弦波有

54、效值進行刻度進行刻度( (或換算或換算) )，實現了對交流正弦信號的有效值測量。，實現了對交流正弦信號的有效值測量。 一、平均值轉換器一、平均值轉換器半波線性平均值半波線性平均值ACACDCDC轉換器轉換器把半波平均值轉換器中的把半波平均值轉換器中的A A，C C兩點通過電阻兩點通過電阻R R1010連接起來，連接起來，使輸入的交流電壓與倍的半波整流后電壓疊加，便可構成全使輸入的交流電壓與倍的半波整流后電壓疊加，便可構成全波平均值波平均值ACACDCDC轉換。轉換。 全波線性平均值全波線性平均值ACACDCDC轉換器轉換器 A3A3為有源濾波加法器，若暫不考慮電容為有源濾波加法器，若暫不考慮電

55、容C C的作用，的作用，A3A3為典型為典型的加法器；的加法器；C C的存在，使的存在，使A3A3同時也為有源濾波器，使它同時也能同時也為有源濾波器，使它同時也能進行平均值處理。進行平均值處理。 全波線性平均值全波線性平均值ACACDCDC轉換器轉換器二、二、 真有效值真有效值ACDC轉換器轉換器 平均值平均值ACDC轉換器電路簡單、成本低，廣泛應用于低精轉換器電路簡單、成本低，廣泛應用于低精度度DMM中。但由于采用平均值轉換器的電壓表是按正弦有效值中。但由于采用平均值轉換器的電壓表是按正弦有效值進行刻度的，所以，只有在測純凈的正弦電壓信號時，所顯示進行刻度的，所以，只有在測純凈的正弦電壓信號

56、時，所顯示的結果才是正確的。的結果才是正確的。 高精度高精度DMMDMM廣泛采用真有效值轉換器，很少采用平均值轉換廣泛采用真有效值轉換器，很少采用平均值轉換器。真有效值轉換器輸出直流電壓線性地正比于被測各種波形器。真有效值轉換器輸出直流電壓線性地正比于被測各種波形交流信號的有效值，基本上不受輸入波形失真度的影響。交流信號的有效值，基本上不受輸入波形失真度的影響。真有效值真有效值ACACDCDC轉換器有轉換器有熱電式熱電式和和運算式運算式等幾種形式。熱等幾種形式。熱電式具有精度高、頻帶寬的優(yōu)點，但過載能力差，結構復雜。電式具有精度高、頻帶寬的優(yōu)點，但過載能力差，結構復雜。目前高精度智能目前高精度

57、智能DMMDMM采用的主要是運算式。采用的主要是運算式。一、平均值轉換器一、平均值轉換器二、二、 真有效值真有效值ACDC轉換器轉換器 在數學上，有效值與均方根值是同義詞，可寫成在數學上，有效值與均方根值是同義詞，可寫成 運算式有運算式有直接運算式直接運算式和和隱含運算式隱含運算式兩種兩種直接運算式是按有效值表達式逐一按步驟運算的，其實現可直接運算式是按有效值表達式逐一按步驟運算的，其實現可用下圖所示的框圖來表示。用下圖所示的框圖來表示。 2i2iT0oudtuT1UCR平 方 電 路ui平 均 值 電 路開 方 電 路Uo2iu二、二、 真有效值真有效值ACDC轉換器轉換器 已知，則 隱含運

58、算式的原理是根據直接運算式推演而來的。隱含運算式的原理是根據直接運算式推演而來的。 2i2iT0oudtuT1U2i2ouUoioUuU2由上式可見，隱含運算式只需一只平方器除法器和一只由上式可見，隱含運算式只需一只平方器除法器和一只積分濾波器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，就能完成有效值轉換。積分濾波器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，就能完成有效值轉換。隱含運算式有利于電路集成化，美國隱含運算式有利于電路集成化，美國AD公司研制的公司研制的AD637就是按隱含運算而設計的一款真有效值轉換器芯片。就是按隱含運算而設計的一款真有效值轉換器芯片。 AD637精度優(yōu)于精度優(yōu)于0.1，是性能較好的集成真有效值轉換器芯片，是性能較好的

59、集成真有效值轉換器芯片 AD637AD637由絕對值電路、平方由絕對值電路、平方/ /除法器、低通濾波除法器、低通濾波/ /放大器和緩沖放大器和緩沖放大器組成。輸入放大器組成。輸入u ui i 經絕對值電路轉換成單極性電流經絕對值電路轉換成單極性電流I I1 1，加至平，加至平方方/ /除法器的一輸入端，平方除法器的一輸入端，平方/ /除法器另一輸入端的電流除法器另一輸入端的電流I I3 3由輸出由輸出電壓電壓U UO O提供，則平方提供，則平方/ /除法器的輸出為除法器的輸出為I I4 4I I1 12 2I I3 3。AD637精度優(yōu)于精度優(yōu)于0.1，是性能較好的集成真有效值轉換器芯片，是

60、性能較好的集成真有效值轉換器芯片 I I4 4再驅動低通濾波再驅動低通濾波/ /放大器，如果低通濾波器的放大器，如果低通濾波器的RCRC與輸入交流與輸入交流信號的周期相比足夠大，信號的周期相比足夠大，A A4 4的輸出電壓的輸出電壓U UO O正比于電流正比于電流I I4 4的平均值。的平均值。輸出電壓輸出電壓U UO O再經外部電路送到再經外部電路送到A A3 3的輸入端產生了電流的輸入端產生了電流I I3 3，I I3 3應與應與I I4 4的平均值相等。的平均值相等。I I3 3還要流入平方還要流入平方/ /除法器另一輸入端，完成下述隱除法器另一輸入端，完成下述隱含的有效值運算。即含的有