直流電壓的數(shù)字化測量及AD轉(zhuǎn)換原理 課件資料

1、ADC部分這部分只作了解，只要知道DC90中AD轉(zhuǎn)換無非是這幾種方式，大概知道這么回事，原理不要求掌握54 直流電壓的數(shù)字化測量及A/D轉(zhuǎn)換原理 541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)1）DVM的組成數(shù)字電壓表（Digital Voltage Meter，簡稱DVM）。組成框圖541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)1）DVM的組成組成框圖包括模擬和數(shù)字兩部分。輸入電路：對輸入電壓衰減/放大、變換等。核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，簡稱ADC），實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。邏輯控制電路：在統(tǒng)一時鐘作用下，完成內(nèi)

2、部電路的協(xié)調(diào)有序工作。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)應(yīng)用直流或慢變化電壓信號的測量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器）。通過AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。 通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能?；谖⑻幚砥鞯闹悄芑疍VM稱為數(shù)字多用表（DMM，Digital MultiMeter）。DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計算等）和通信接口(如GPIB)。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)2）主要性能指標(biāo)顯示位數(shù)完整顯示位：能夠顯示09的數(shù)字。非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯

3、示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999 。而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999 。量程基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展其他量程。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)如基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程；基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。分辨力指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。用每

4、個字對應(yīng)的電壓值來表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個字” ）。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)分辨力分辨率：用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無關(guān)，比較直觀。如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個字），則分辨率為測量速度每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于A/

5、D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒幾十次/秒。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)測量精度取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差（溫度等）。固有誤差表達(dá)式：示值（讀數(shù)）相對誤差為：式中，Vx被測電壓的讀數(shù)；Vm該量程的滿度值（Full Scale, FS）； 誤差的相對項(xiàng)系數(shù)； 誤差的固定項(xiàng)系數(shù)。固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。讀數(shù)誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。滿度誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)無關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)測量精度有時將 等效為“n字”的電壓量表示，即 如某臺3位半DVM，說明書

6、給出基本量程為2V， =（0.01%讀數(shù)+1字）。則在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%，即表達(dá)式中“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.005%”的表示是完全等價的： 當(dāng)被測量（讀數(shù)值）很小時，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測量較大時，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測量大于滿量程的2/3以上。541 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)輸入阻抗輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關(guān)）。輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測量精度。 對于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10M1000M之間。對于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電

7、容值一般在幾十幾百pF之間。542 A/D轉(zhuǎn)換原理A/D轉(zhuǎn)換器分類積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。非積分式：斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、比較式（逐次逼近式、并行式）等。 1）逐次逼近比較式ADC基本原理：將被測電壓和一可變的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種“對分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。假設(shè)基準(zhǔn)電壓為Vr=10V，為便于對分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標(biāo)準(zhǔn)值。 Vr可分解為：1）逐次逼近比較式ADC上式表示，若把Vr不斷細(xì)分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無限逼近，當(dāng)只取有限項(xiàng)時，則項(xiàng)數(shù)

8、決定了其逼近的程度。如只取前4項(xiàng)，則其逼近的最大誤差為9.375V-10V =-0.625V，相當(dāng)于最后一項(xiàng)的值?，F(xiàn)假設(shè)有一被測電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項(xiàng)5V、2.5V、1.25V、0.625V來“湊試”逼近Vx，逼近過程如下：1）逐次逼近比較式ADCVx5V（首先，取5V項(xiàng)，由于5V8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字1） +2.5V（再取2.5V項(xiàng)，此時5V+2.5V8.5V，則應(yīng)去掉該項(xiàng)， 記為數(shù)字0） +0.625V（再取0.625V項(xiàng)，此時5V+2.5V+0.625V8.5V，則保留該項(xiàng)， 記為數(shù)字1）8.125V（得到最后逼近結(jié)果）總結(jié)上面的逐次逼近過程可知，從大到小逐次取

9、出Vr的各分項(xiàng)值，按照“大者棄，小者留”的原則，直至得到最后逼近結(jié)果，其數(shù)字表示為1101。1）逐次逼近比較式ADC上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V8.5V0.375V。顯然，當(dāng)Vx(8.125V8.75V)之間時，采用上面Vr的4個分項(xiàng)逼近的結(jié)果相同，均為8.125V，其誤差為Vx(0.625V0.625V)，最大誤差限相當(dāng)于Vr最后一個分項(xiàng)，即最低位數(shù)字量對應(yīng)的電壓值，用1LSB表示，即：1LSB=0.625V。這種用有限數(shù)字量表示模擬量形成的“截斷誤差”稱為“量化誤差”。上述逐次逼近比較過程表示了該類A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。它類似天平稱重的過程，Vr的各分項(xiàng)相當(dāng)于提供的有限“電

10、子砝碼”，而Vx是被稱量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過程完全類同于稱重中的加減法碼的過程，而稱重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。1）逐次逼近比較式ADC原理框圖1）逐次逼近比較式ADC圖中，SAR（Successive Approximation Register）為逐次逼近移位寄存器，SAR在時鐘CLK作用下，對比較器的輸出（0或1）每次進(jìn)行一次移位，移位輸出將送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果再與Vx比較。SAR的最后輸出即是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，用數(shù)字量N表示。最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有式中， NA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，nA/D位數(shù)，Vr參考電壓，VxA/D輸入電壓上式還可寫成：Vx=eN，e=Vr/2n稱為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，單位為“V/字”，表示了A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力。1）逐次逼近比較式ADC刻度系數(shù)也表示