電壓數(shù)字化測量

1、2.1.5 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法 序言序言 逐次逼近式逐次逼近式DVM的工作原理的工作原理 雙斜式積分雙斜式積分DVM 測量誤差測量誤差 工作特性工作特性要求：掌握逐次逼近式和雙斜式積分要求：掌握逐次逼近式和雙斜式積分DVM的工作原理、的工作原理、特點以及特點以及DVM的誤差表示方法，了解的誤差表示方法，了解DVM的工作特性。的工作特性。用時用時序言序言數(shù)字電壓表（數(shù)字電壓表（DVMDVM）近幾年來已發(fā)展成為準確度極高、）近幾年來已發(fā)展成為準確度極高、功能齊全、靈活多用功能齊全、靈活多用, ,而價格也在逐漸下降的電子儀器。而價格也在逐漸下降的電子儀器。它能很好地與其它數(shù)字儀

2、器（包括微計算機）相聯(lián)接，它能很好地與其它數(shù)字儀器（包括微計算機）相聯(lián)接，實現(xiàn)自動化測量實現(xiàn)自動化測量, ,因此在現(xiàn)代測量系統(tǒng)中正在逐步取代因此在現(xiàn)代測量系統(tǒng)中正在逐步取代模擬電壓表，并且占有越來越重要的地位。模擬電壓表，并且占有越來越重要的地位。A/DA/D變換通常有下列幾種形式：變換通常有下列幾種形式：DVMDVM的核心是的核心是A/DA/D變換器。各類變換器。各類DVMDVM之間最大的區(qū)別在于之間最大的區(qū)別在于A/DA/D變換的方法不同，變換的方法不同，而不同的而不同的A/DA/D變換方法還在很大程變換方法還在很大程度上決定了度上決定了DVMDVM的工作性能的優(yōu)劣。的工作性能的優(yōu)劣。 逐

3、次逼近式逐次逼近式DVMDVM的工作原理的工作原理逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SAR SAR 在時鐘脈沖作用下，從大到小依次在時鐘脈沖作用下，從大到小依次提供代表不同基準電壓的二進制基準碼。并經(jīng)過提供代表不同基準電壓的二進制基準碼。并經(jīng)過D/AD/A變換變換器變成相應(yīng)的模擬電壓器變成相應(yīng)的模擬電壓 ，把模擬電壓與被測電壓進行比，把模擬電壓與被測電壓進行比較。使較。使SARSAR輸出的基準碼不斷地逼近被測電壓的值。最后，輸出的基準碼不斷地逼近被測電壓的值。最后， SARSAR輸出的基準碼就成為被測電壓的量化結(jié)果。該數(shù)碼再輸出的基準碼就成為被測電壓的量化結(jié)果。該數(shù)碼再通過譯碼顯示器，在屏上以十進制

4、方式顯示出來。通過譯碼顯示器，在屏上以十進制方式顯示出來。比較器比較器逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器S A RS A R鐘脈沖鐘脈沖起始脈沖起始脈沖顯示器顯示器D/AD/A變換器變換器MSBMSBLSBLSBVx2 2-1-12 2-2-22 2-n-nV VREFREFV Vf f優(yōu)點：測量速率快，且能兼顧速度，精度和成本三個主優(yōu)點：測量速率快，且能兼顧速度，精度和成本三個主要方面的要求。要方面的要求。缺點：抗干擾能力較差，對串模干擾沒有抑制能力缺點：抗干擾能力較差，對串模干擾沒有抑制能力，這，這也是非積分式也是非積分式DVMDVM的一個共同缺點，的一個共同缺點，因為非積分式因為非積分式DVM

5、DVM都都是對被測電壓的瞬時值產(chǎn)生響應(yīng)。是對被測電壓的瞬時值產(chǎn)生響應(yīng)。 雙斜式積分雙斜式積分DVMDVMxttxomVRCTtVRCV1d )(121即即V Vomom正比于被測電壓正比于被測電壓V Vx x 的值。的值。工作原理：工作原理：分為采樣和比較兩個階段，在采樣階段，積分為采樣和比較兩個階段，在采樣階段，積分器對被測電壓的負值進行積分，經(jīng)過時間分器對被測電壓的負值進行積分，經(jīng)過時間T T1 1結(jié)束，積結(jié)束，積分器的輸出電壓充到分器的輸出電壓充到V Vom om 。積分器積分器比較器比較器時鐘時鐘主門主門十進制計數(shù)器十進制計數(shù)器邏輯控制電路邏輯控制電路19.9919.99R R+ +-

6、 -+- -C CVR-VxvoS1S2A1A212主門主門在比較階段，積分器對基準電壓積分，經(jīng)過時間在比較階段，積分器對基準電壓積分，經(jīng)過時間T T2 2結(jié)束，結(jié)束，此時此時V Vo o 下降到零。下降到零。xRVVTT12即時間即時間T T2 2正比于被測電壓正比于被測電壓VxVx，因此這種變換被稱為，因此這種變換被稱為V-TV-T變變換。換。積分式積分式A/DA/D變換器的共同特點是對被測電壓在采樣（積分）變換器的共同特點是對被測電壓在采樣（積分）時間內(nèi)的平均值產(chǎn)生響應(yīng)，而不是對瞬間值產(chǎn)生響應(yīng)。這時間內(nèi)的平均值產(chǎn)生響應(yīng)，而不是對瞬間值產(chǎn)生響應(yīng)。這樣，就可以平均掉疊加在被測電壓上的串模干擾

7、電壓。樣，就可以平均掉疊加在被測電壓上的串模干擾電壓。雙斜式積分的優(yōu)點雙斜式積分的優(yōu)點 具有抑制串模干擾的能力具有抑制串模干擾的能力（2 2）測量結(jié)果與積分器的積分元件）測量結(jié)果與積分器的積分元件RCRC無關(guān)無關(guān)因為二次積分都用同一個積分器和計數(shù)器，故積分器和因為二次積分都用同一個積分器和計數(shù)器，故積分器和時鐘源的不穩(wěn)定性可得到補償。因此，在這種時鐘源的不穩(wěn)定性可得到補償。因此，在這種DVMDVM中，中，對積分元件對積分元件RCRC以及時鐘源準確度和穩(wěn)定度的要求可以降以及時鐘源準確度和穩(wěn)定度的要求可以降低，這可以降低這種低，這可以降低這種DVMDVM的生產(chǎn)成本，有利于它的普及的生產(chǎn)成本，有利于

8、它的普及和推廣。和推廣。（3 3）對時鐘源的頻率準確度的要求不高）對時鐘源的頻率準確度的要求不高 測量誤差測量誤差測量誤差可分為固有誤差和附加誤差兩部分。測量誤差可分為固有誤差和附加誤差兩部分。1. 1. 固有誤差固有誤差mxVVV%式中右邊第一項式中右邊第一項 % %V Vx x 與讀數(shù)成正比，稱與讀數(shù)成正比，稱“讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差”；而第二項不隨讀數(shù)而變，叫而第二項不隨讀數(shù)而變，叫“滿度誤差滿度誤差”。讀數(shù)誤差包括刻度系數(shù)、非線性等產(chǎn)生的誤差。讀數(shù)誤差包括刻度系數(shù)、非線性等產(chǎn)生的誤差。滿度誤差包括量化、偏移、內(nèi)部噪聲等產(chǎn)生的誤差。滿度誤差包括量化、偏移、內(nèi)部噪聲等產(chǎn)生的誤差。2. 2. 附加

9、誤差附加誤差附加誤差包括由附加誤差包括由DVMDVM的輸入阻抗和輸入零電流引起的以及的輸入阻抗和輸入零電流引起的以及環(huán)境溫度變化引起的誤差。環(huán)境溫度變化引起的誤差。 工作特性工作特性1) 1) 量程量程模擬式電壓表利用量程就可表征其電壓測量范圍，但是，模擬式電壓表利用量程就可表征其電壓測量范圍，但是，對對DVMDVM來說，還要用顯示位數(shù)、超量程能力才能較全面地來說，還要用顯示位數(shù)、超量程能力才能較全面地反映它的測量范圍。反映它的測量范圍。1.1.測量范圍測量范圍2) 2) 顯示位數(shù)顯示位數(shù)DVMDVM的量程是的量程是以基本量程以基本量程（即（即A/DA/D變換器的電壓測量范圍）變換器的電壓測量

10、范圍）為為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)，借助于步進分壓器和前置放大器借助于步進分壓器和前置放大器向兩端擴展向兩端擴展，下限可，下限可低于低于nVnV級，上限為級，上限為 1kV1kV上下。上下。DVMDVM的基本量程多半為的基本量程多半為1V1V或或10V10V，也有也有2V2V或或5V5V等。量程轉(zhuǎn)換除手動外，等。量程轉(zhuǎn)換除手動外，一般都可自動轉(zhuǎn)換。一般都可自動轉(zhuǎn)換。DVMDVM的位數(shù)是指完整顯示位，即能夠顯示的位數(shù)是指完整顯示位，即能夠顯示0909十個數(shù)碼十個數(shù)碼的那些位。的那些位。不能完整顯示十個數(shù)碼的位叫做不能完整顯示十個數(shù)碼的位叫做半位半位。3.3.測量速率測量速率測量速率是指每秒鐘對被測電壓的測量次

11、數(shù)，或一次測量測量速率是指每秒鐘對被測電壓的測量次數(shù)，或一次測量全過程所需的時間，它主要取決于全過程所需的時間，它主要取決于A/DA/D變換器的變換速率。變換器的變換速率。積分式積分式DVMDVM的測量速率較低，每秒鐘只有數(shù)次。逐次逼近的測量速率較低，每秒鐘只有數(shù)次。逐次逼近式式DVMDVM的測量速率每秒可達的測量速率每秒可達10105 5次以上。次以上。 3) 3) 超量程能力超量程能力2. 2. 分辨力分辨力分辨力是分辨力是DVMDVM能夠顯示出被測量能夠顯示出被測量V Vx x的最小變化值，即顯示的最小變化值，即顯示器末位跳一個字所需的最小輸入電壓值。器末位跳一個字所需的最小輸入電壓值。在最小量程上在最小量程上DVMDVM具有最高的分辨