第五章 電壓測(cè)量

第五章電壓測(cè)量本章要點(diǎn)：·電壓測(cè)量的重要性，對(duì)電壓測(cè)量的要求和分類(lèi)·交流電壓的測(cè)量·數(shù)字電壓表組成原理、工作特性和分類(lèi)·積分式和比較式A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字多用表的組成原理與特點(diǎn)·數(shù)字電壓表的誤差與干擾5.1

概述5.1.1

電壓測(cè)量的重要性電壓是電子測(cè)量的一個(gè)主要參數(shù)。電參量的基礎(chǔ)：U=IRI=U/RR=U/IP=IU=U2/R=I2R電壓的派生量，例如，調(diào)幅度，波形的非線性失真系數(shù)等等。在非電量測(cè)量中，大多數(shù)物理量（如溫度、壓力、振動(dòng)、速度等）的傳感器大多是電壓作輸出的。因此，電壓測(cè)量是其它許多電參量、非電參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)。5.1.2

對(duì)電壓測(cè)量的基本要求1.應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍nV→μV→mV→V→→kV2.應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍交流電壓的頻率范圍約從幾Hz到幾百M(fèi)Hz，甚至達(dá)GHz量級(jí)。目前，模擬電壓表可測(cè)量的頻率范圍要比數(shù)字表高得多。例如，92C型模擬射頻電壓表頻率上限達(dá)1.2GHz，而DP100型數(shù)字多用表只能達(dá)25MHz。3.應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度可達(dá)±(0.0005％Ux十0.0001％Um)，即可達(dá)10-6量級(jí)4.應(yīng)有足夠高的輸入阻抗5.應(yīng)具有高的抗干擾能力5.1.3

電壓測(cè)量?jī)x器的分類(lèi)1.模擬式電壓表指針式電壓表：用磁電式電流表作為指示器模擬示波器：刻度比較2.數(shù)字式電壓表經(jīng)A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)各有千秋模擬表----駕駛臺(tái)儀表多，一目了然；高頻電壓表數(shù)字表----精度高，輸入阻抗高，便于與計(jì)算機(jī)連接5.3

交流電壓的測(cè)量5.3.1

交流電壓的表征交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)以及波峰系數(shù)來(lái)表征。數(shù)學(xué)定義：均方根值物理定義：能量等效tUUPUPtU峰值平均值直接平均為零；半波均值全波均值tU有效值Urms圖5.9交流電壓的峰值u(t)u(t)tt00U0U0Um+（a）（b）－＋＋＋＋＋＋＋－－Up+Up_Um-UPPUm-Um+－峰峰值峰值t00全波平均值t0正半波平均值t負(fù)半波平均值通常，在未特別注明時(shí)，平均值即指全波平均值而言。3.有效值若某一交流電壓u（t）在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)純阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓U在同樣情況下產(chǎn)生的熱量相等，則U的數(shù)值即為u(t)的有效值，U和u(t)的數(shù)學(xué)關(guān)系為實(shí)際中，有效值是最廣泛應(yīng)用的參數(shù)。例如，電壓表的讀數(shù)除特殊情況外，幾乎都是按正弦波有效值進(jìn)行定度的。有效值獲得廣泛應(yīng)用的原因，一方面是它直接反應(yīng)出交流信號(hào)能量的大小，這對(duì)于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉(zhuǎn)換等是十分重要的；另一方面，則是它具有十分簡(jiǎn)單的疊加性質(zhì)，計(jì)算起來(lái)極為方便。

4.波形因數(shù)交流電壓的波形因數(shù)的定義為該電壓的有效值與平均值之比，即5.波峰因數(shù)

交流電壓的波峰因數(shù)的定義為該電壓的峰值與其有效值之比，即

正弦波三角波方波波形因數(shù)KF1.111.151波峰因數(shù)KP1AtAttA正弦波半波整流波名稱(chēng)波形峰值有效值Urms平均值U波形因數(shù)KF波峰因數(shù)KPAAA全波整流波P153

表5.1

5.3.2交流電壓的測(cè)量交流電壓直流電壓均值、峰值和有效值A(chǔ)C/DC1.均值電壓表

1)均值電壓表的組成

阻抗變換器可變量程衰減器平均值檢波器寬帶放大器微安表u(t)圖5.11均值電壓表的一般組成mV量級(jí)20Hz～10MHz均值表視頻毫伏表放大―檢波式2)均值檢波器

ui(t)CVD1VD2ui(t)VD1VD2VD3VD4UttUPU對(duì)于全波均值檢波器：

流過(guò)電表的平均電流

與被測(cè)電壓的平均值成正比，而與波形無(wú)關(guān)。靈敏度

提高靈敏度，就應(yīng)減小Rd和rm的值，為提高輸入阻抗檢波前要加放大器輸入阻抗3)刻度特性下標(biāo)“～”表示正弦波

K——定度系數(shù)，或稱(chēng)為刻度系數(shù)。由于正弦波及有效值的實(shí)際意義，電壓表的讀數(shù)都用正弦有效值進(jìn)行定度。

這里為何等于1.11？對(duì)正弦波正好是其波形因數(shù)KF

證明：因此,均值電壓表測(cè)的平均值,讀數(shù)是正弦波有效值（假有效值）正弦波UP

=U

對(duì)于非正弦波，KF

≠1.11，直接讀數(shù)無(wú)物理意義，要通過(guò)換算求得有效值。例5.l用平均值電壓表測(cè)量一個(gè)三角波電壓，讀得測(cè)量值為

10V，試求有效值為多少伏？解:對(duì)于均值表，讀數(shù)（5.17）先求出均值，再通過(guò)KF換算成有效值。三角波的均值為查P160

表5.1，得三角波KF=l.15，故被測(cè)三角波的有效值為4)波形誤差因讀數(shù)是按標(biāo)準(zhǔn)無(wú)失真正弦波有效值定度的，而實(shí)際正弦波和非正弦波則會(huì)有誤差。定義：讀數(shù)與實(shí)際有效值之間的相對(duì)誤差為波形誤差

用均值電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，其讀數(shù)應(yīng)作修正。

求例5.1中波形誤差：三角波KF=1.15典型產(chǎn)品：TH2172型：頻率范圍5Hz～2MHz，測(cè)量范圍1mV~300V。DA16型：頻率范圍20Hz～2MHz，測(cè)量范圍100μV～300V。最小量程1mV，誤差±3%，輸入電阻1.5MΩ。指針式萬(wàn)用表：交流電壓測(cè)量檔采用了半波均值檢波器，并以正弦有效值刻度，由于它依據(jù)直接測(cè)量原理，且靈敏度低，因此，指針式萬(wàn)用表主要用于工頻（50Hz）及要求不高的低頻（一般為幾到幾十kHz以下）電壓的測(cè)量中。TH2172500型2.峰值電壓表峰值電壓表的工作頻率范圍寬、輸入阻抗較高，有較高的靈敏度，但存在非線性失真。1)峰值電壓表組成峰值電壓表，簡(jiǎn)稱(chēng)峰值表，屬檢波―放大式電子電壓表，又稱(chēng)為超高頻毫伏表。它由峰值檢波器（置于機(jī)箱外探頭中）、分壓器、直流放大器和微安表等組成（置于電壓表機(jī)箱中）。圖5.13峰值電壓表峰值檢波器直流放大器分壓器電壓表機(jī)箱探頭2)峰值檢波器Rsu(t)VDRLC+圖5.14峰值檢波器充放u(t)uctT最后輸出的平均電壓迫近峰值

條件：沖得快，放得慢3)刻度特性峰值電壓表響應(yīng)被測(cè)電壓的峰值UP，讀數(shù)α為

K——定度系數(shù)，（1）對(duì)正弦波，讀數(shù)α就是有效值（2）非正弦波，讀數(shù)α無(wú)物理意義，要通過(guò)：求出峰值，再由峰值因數(shù)KP求出有效值U例5.2用峰值電壓表測(cè)量一個(gè)三角波電壓，讀得測(cè)量值為10V，試求有效值為多少伏？解：對(duì)于峰值表，讀數(shù)乘以在就等于被測(cè)電壓的峰值。因此，三角波的峰值為由表5.1查得三角波故被測(cè)三角波的有效值為4)波形誤差由于峰值電壓表的讀數(shù)沒(méi)有直接的物理意義，測(cè)量非正弦波時(shí)，如果不進(jìn)行換算，將產(chǎn)生波形誤差。其定義為即

對(duì)于例5.2可見(jiàn)，用峰值表測(cè)量失真的正弦電壓或非正弦電壓時(shí)，若將讀數(shù)當(dāng)成輸入電壓的有效值，就會(huì)產(chǎn)生波形誤差。而且，峰值電壓表的波形失真較大。超高頻毫伏表都是峰值電壓表。典型產(chǎn)品DA－l型：頻率范圍10kHz～1000MHz，測(cè)量范圍0.3mV～3V，誤差優(yōu)于±l%（3mV檔）。HFJ—8型頻率范圍5kHz～300MHz，測(cè)量范圍lmV～3V。HFJ一8A型頻率范圍5Hz～1GHz，測(cè)量范圍lmV～3V，可擴(kuò)展到300V。HFJ-8B3.有效值電壓表以上均值表、峰值表測(cè)的不是有效值，只是按有效值讀數(shù)，故實(shí)為偽有效值。而有效值電壓表，直接獲得有效值，是真有效值表。原理有效值的物理定義----熱電偶式有效值的數(shù)學(xué)定義----計(jì)算式1)熱電偶式：不同金屬界面逸出功不同，冷、熱端形成電位差電勢(shì)E=kU2電勢(shì)正比輸入功率，可作微波功率計(jì)。鐵康銅熱電偶真空管u(t)RIμAEU寬放u(t)10MHzVT2EfE1Uo∞++T1+-+A圖5.17熱偶式有效值電壓表Ui電路平衡時(shí)‖‖‖典型產(chǎn)品：DA30型，頻率范圍10Hz~10MHz，量程范圍1mV~300V2)計(jì)算式硬件實(shí)現(xiàn)------有專(zhuān)用IC，如AD637軟件實(shí)現(xiàn)------用計(jì)算機(jī)完成運(yùn)算∫√表5.2三種電子電壓表主要特性比較電壓表組成原理主要適用場(chǎng)合實(shí)測(cè)讀數(shù)α讀數(shù)α的物理意義對(duì)正弦波非正弦波均值放大-均檢低頻信號(hào)視頻信號(hào)有效值Urms峰值峰檢-放大高頻信號(hào)峰值UP0.707UP有效值UrmsUrms=UP/KP有效值熱電偶式計(jì)算式非正弦信號(hào)有效值UrmsUrms真有效值Urms均值

1.11Urms=KF

5.4數(shù)字電壓表概述5.4.1

數(shù)字電壓表組成原理數(shù)字電壓表(DVM—DigitalVoltmeter)圖5.24直流數(shù)字電壓表的基本方框圖輸入模擬部分?jǐn)?shù)字部分電源輸入電路轉(zhuǎn)換器A-D計(jì)數(shù)器顯示器邏輯控制電路5.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性1.測(cè)量范圍1）量程---借助于分壓器和輸入放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)量程分基本量程-----不經(jīng)衰減和放大的量程，誤差最小手動(dòng)量程-----手控?fù)Q的量程,例:200mV,2V,20V,200V自動(dòng)量程-----程序控制的量程2)位數(shù)顯示位數(shù)：通常為3?位～8?位。判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：①

能顯示從0～9所有數(shù)字的位是整數(shù)值；②

分?jǐn)?shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿量程時(shí)最高位數(shù)字做分母。例如，1999≈2000，31/2三位半

39999≈40000，43/4四又四分之三位499999≈500000，54/5五又五分之四位3)超量程能力在臨界量程處，不會(huì)降低精度和分辨力。測(cè)量：10.006V10V檔：9.999V（只能顯示0.006）溢出1100V檔：

99.99V（只能顯示10.00）丟失6199999910002000‖‖超量程100%（優(yōu)秀設(shè)計(jì)只要加個(gè)數(shù)碼管）

數(shù)字電壓表在最小量程上末位1個(gè)字所代表的電壓值，稱(chēng)做儀表的分辨率。例如，3?、4?位、8?位DVM在2V量程的分辨率別為1mV、100μV、1nV。1.999999V：量程/最大顯示值=2/1999999=2/2000000V=10-6V=1μVVmVμV分辨率：也可用百分比表示。例如，3?位DVM的分辨率為1/1999≈0.05％。2.分辨率3.測(cè)量誤差1）絕對(duì)誤差：ΔU=±(a％Ux十b％Um)=±(a％Ux十n字)=±(appmUx十bppmUm)例：DS-14基本量程5V，44/5位ΔU=±(0.006％Ux十0.002％Um)=±(0.00006Ux十0.00002*5)=±(60*10-6Ux+0.0001V)=±(60ppmUx十1個(gè)字)

4.9999V

末位跳1個(gè)字100μV滿度誤差決定量化誤差、內(nèi)部噪聲讀數(shù)誤差決定轉(zhuǎn)換系數(shù)、非線性

任一讀數(shù)下的相對(duì)誤差為（5.40）可見(jiàn)，隨讀數(shù)Ux減小而增加。故在測(cè)量小電壓時(shí)，宜換用較小的量程檔，以提高測(cè)量精度。此結(jié)果與模擬電壓表是一致的。2）相對(duì)誤差分辨率準(zhǔn)確度（誤差）≠分辨率與準(zhǔn)確度屬于兩個(gè)不同的概念。前者表征儀表的“靈敏性”，即對(duì)微小電壓的“識(shí)別”能力；后者反映測(cè)量的“準(zhǔn)確性”，即測(cè)量結(jié)果與真值的一致程度。二者無(wú)必然的聯(lián)系。因此，任意增加顯示位數(shù)來(lái)提高儀表分辨率的方案是不可取的。例選用分辨率為24位的A/D，并不能保證實(shí)現(xiàn)24位的準(zhǔn)確度。在設(shè)計(jì)上通常，分辨率應(yīng)高于準(zhǔn)確度，保證分辨率不會(huì)制約可獲得的準(zhǔn)確度，以保證從讀數(shù)中檢測(cè)出小的變化量。例：用4?位sx1842DVM測(cè)1.5V電壓，分別用2V檔和200檔測(cè)量，已知：2V檔固有誤差：±0.025%Ux±1個(gè)字，200V檔固有誤差：±0.03%Ux±1個(gè)字問(wèn)：兩種情況下由固有誤差引起的測(cè)量誤差各為多少？解：因4?位DVM最大顯示為19999，所以2v和200v檔的±1個(gè)字分別代表：結(jié)論：1.不同量程“±1個(gè)字”誤差對(duì)測(cè)結(jié)果不一樣，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量選擇合適的量程。同模擬電壓表結(jié)論一致。

2.雖然DVM有4?位分辨率，但不正確使用，則達(dá)不到應(yīng)有的準(zhǔn)確度。故分辨率高不等于準(zhǔn)確度高。4.測(cè)量速率

測(cè)量速率是每秒鐘對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù)或測(cè)量一次所需的時(shí)間，它主要取決于DVM中所采用的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。

5.輸入阻抗與輸入電流目前，多數(shù)數(shù)字電壓表的輸入級(jí)用場(chǎng)效應(yīng)管組成，在小量程上，其輸入阻抗可高達(dá)104MΩ以上，在大量程時(shí)(如100V、1000V等)，由于使用了分壓器，輸入阻抗一般為10MΩ。

6.響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是DVM跟蹤輸入電壓突變所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間與量程有關(guān)，故可按量程分別規(guī)定或規(guī)定最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間分為三種。

7.抗干擾能力——串模抑制比和共模抑制比

數(shù)字電壓表的內(nèi)部干擾有漂移及噪聲，外部干擾有串模干擾及共模干擾。

5.4.3數(shù)字電壓表的分類(lèi)

1.按結(jié)構(gòu)形式分1)臺(tái)式通常5以上2)便攜式通常3及4位數(shù)3)面板表也稱(chēng)數(shù)字表頭。多為3～4直流電壓表，只有一個(gè)基本量程，如0~5V，用于機(jī)器面板上，取代原來(lái)模擬指針式表頭。2.按A/D轉(zhuǎn)換器原理A/D變換積分式比較式雙斜式、多斜式脈沖調(diào)寬式電壓反饋型V-F變換式反饋比較式逐次比較式余數(shù)循環(huán)比較式直接比較式并聯(lián)比較式分級(jí)式（流水線式）各種數(shù)字面板表5.5積分式A/D轉(zhuǎn)換原理1.工作原理Ui-Ur+UrK1K1K2K2K3K3K4K4ARC+--+比較器積分器CD發(fā)生器時(shí)鐘顯示器數(shù)字輯電路控制邏計(jì)數(shù)器過(guò)程：三階段準(zhǔn)備期----復(fù)零，K4接通取樣期----第一次積分，K1接通

特點(diǎn)：定時(shí)積分T1固定，

UO1∞(正比)于Ui比較期----第二次積分，K2/K3接通

特點(diǎn)：定值積分（反向）

N2∞UO1∞UI5.5.1

雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器BK1K2K3斷斷斷斷斷斷通通通通積分器輸入A00UiUr(定值)t1t2t1t2t3積分器輸出B計(jì)數(shù)器比較器輸出C輸入DT1T2(定時(shí))Uo1N2T0N1T0N2T0T0(b)N2U022.關(guān)系式

1)數(shù)學(xué)推導(dǎo)

（5.45）T1=N1ToT2=N2To（5.46）

（5.47）t1t2t3U01令e——刻度系數(shù)（伏/字）。例如，Ur=10V，N1=10000，則e=Ur/N1=1mV/字。2)面積相等S1=T1Ui，

S2=T2Ur相等，則S1=S2，故3)電荷相等

T1期間充電電荷Q1=(Ui/R1)T1與T2期間放電電荷Q2=(Ur/R2)T2相等。則Q1=Q2，故（5.48）式（5.48）當(dāng)充放電電路中限流電阻不等時(shí)，應(yīng)用很方便。當(dāng)R1=R2時(shí)，則與（5.45）的結(jié)果相同。與（5.45）結(jié)果一樣。S1S23.雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)1)抗串模干擾能力強(qiáng)輸入電壓積分器輸出輸入電壓積分器輸出工頻干擾Ui0T1T2T1T2’000tttt尖峰干擾Ui有干擾無(wú)干擾DVMUiUn(a)(b)(c)圖5.28雙斜式電壓－數(shù)字轉(zhuǎn)換器所謂串模干擾是指與被測(cè)信號(hào)相串聯(lián)地加到DVM輸入端的干擾信號(hào)，如果取T1=n×T~=n×20mSn=1,2,3,…。對(duì)脈沖性質(zhì)的干擾信號(hào)，雙斜積分式A/D也有一定的平均作用。2)對(duì)積分元件及時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度要求大為降低因?yàn)?，在采樣和比較測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段內(nèi)使用的是同一積分器和時(shí)鐘信號(hào)，其影響可以相互抵消。對(duì)它們只要求有足夠的短期穩(wěn)定性即可。3)測(cè)量靈敏度較高雙積分式DVM有效地解決干擾問(wèn)題，只要適當(dāng)選擇R、C、T1，積分放大器可以得到很高的增益(A＝T1／RC)，可測(cè)mV級(jí)電壓。4)測(cè)量速度慢是其主要缺點(diǎn)為了抑制電源50Hz工頻干擾，一般T1取20~l00ms，再加上T2等時(shí)間，故測(cè)量速率一般只有5~30次／s左右。5)積分器、比較器中運(yùn)放的零點(diǎn)漂移會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換誤差4.單片雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器圖5.327106構(gòu)成的3位基本表電路127106是把模擬電路與數(shù)字邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模CMOS集成電路，其工作原理與ICL7126、ICL7135基本一致。7106是目前在各種數(shù)顯表和萬(wàn)用表中使用較多的一種芯片。5.5.5積分式A/D的發(fā)展1.雙斜積分ADC的不足⑴精確度不夠高，自動(dòng)校零后也僅做到3~4位，若要提高到5~4怎么辦呢？⑵轉(zhuǎn)換速度低，因?yàn)槊看螠y(cè)量要經(jīng)歷復(fù)零、采樣、比較三個(gè)階段，尤其采樣階段T1按n倍工頻周期設(shè)計(jì)，測(cè)量速率一般只有5~30次／s左右。若要提高到500~1000次/s要采用什么措施？當(dāng)前積分式DVM精度已達(dá)8，測(cè)量速率高的可達(dá)1000次/s。在高精度、高速度的DVM產(chǎn)品中，各廠商都有自己的專(zhuān)利技術(shù)，不會(huì)公開(kāi)其關(guān)鍵技術(shù)與工藝?，F(xiàn)介紹改進(jìn)的基本思路。2.改進(jìn)的基本途徑⑴放棄T1=nT~的設(shè)計(jì)原則，改用對(duì)工頻干擾進(jìn)行濾波、屏蔽等措施，從而縮短T1采樣期。故比較期分兩步：（先用大刻度系數(shù)e提高速度，后用小e保證分辨率）為放電快→Ur↑→e↑→分辨率↓討論：如何提高速度？UXT1T2T2tUX小UX大大e小e設(shè)法使T2↓（應(yīng)加速放電）：時(shí)鐘N1N2N3uo0E1T1T2T3u1RCErRC--Er/2nRCtui

輸入

K1K2K3R1R2R3-Er＋－-Er-Er/2nR－＋比較器積分器C

uiABAABBK1K2K3比較器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器寄存器寄存器高位輸出低位輸出時(shí)鐘發(fā)生器控制邏輯電路圖5.41三斜式A/D轉(zhuǎn)換器的原理⑵三斜積分---比較期T2分步進(jìn)行。看出，為了保證分辨率，刻度系數(shù)e要小，則基準(zhǔn)電壓Ur不能太大，則比較期對(duì)積分電容反向充電速度慢。若將雙斜式改為三斜式，將比較期分為兩步：多斜積分--邊采樣邊比較ui充電Er放電Ec(+10V)Et(+0.2V)(a)(b)ui大Ui小T1T2T3Er/2n放電tctctctcT1T2tftsT3tdtdtdtRtRTc15.6比較式A/D轉(zhuǎn)換器分為:比較式A/D反饋比較式直接比較式逐次比較式

余數(shù)循環(huán)比較式A/D并聯(lián)比較式

分級(jí)式（流水線式）5.6.1逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器1.物理思想：對(duì)分搜索圖5.45天平示意圖8盤(pán)1未知重量Wx盤(pán)2指示標(biāo)尺214砝碼圖5.46對(duì)分搜索過(guò)程示意圖0棄棄留留110846W2.電路實(shí)現(xiàn)：（與天平秤對(duì)應(yīng)）0110棄棄留留846UQ2Q0Q1Q3UoUx+－+Go啟動(dòng)復(fù)位置位D/ASAR1閉0開(kāi)Q3Q2Q1Q0URCPΔU=UX—U010置位復(fù)位10000100011101100110D/A轉(zhuǎn)換器圖5.48D/A轉(zhuǎn)換原理圖R1000→8V10Kd1_R2R4R8RUo+Urd2d3d40100→4VK4K1K2K3D輸入數(shù)字寄存器......數(shù)字位模擬開(kāi)關(guān)基準(zhǔn)電壓源權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)放圖5.49D/A轉(zhuǎn)換原理框圖U0與原理電路對(duì)應(yīng)得一般性原理框圖

（5.58）例如，設(shè)UFS=16v，當(dāng)輸入數(shù)碼為“0110”時(shí)，輸出電壓為

（5.59）型號(hào)位數(shù)建立時(shí)間線性度功耗DAC083281μS<0.2200mW5G752010500μS<0.0550mWMX7541120.6μS450mWDAC7644EB1610μS15mW表5.9常用的逐次逼近比較式A／D變換器型號(hào)位數(shù)通道數(shù)輸入電壓范圍轉(zhuǎn)換時(shí)間功耗ADC0809880~5V100μS15mWADC08168160~5V100μSAD5741210~5V15μSADS78051610~5V100μS100mW逐次逼近，只能逼近，不能完全與被測(cè)電壓相等。若要減小誤差，只有增加位數(shù)。但位數(shù)增加，電路復(fù)雜，成本提高，關(guān)鍵是末位比較電壓太小易受干擾噪聲影響以至無(wú)法工作。

能否不要很多位（如只有1位），逐次比較一遍，將相差的余數(shù)(剩余誤差)存下來(lái)，放大10倍再又比較一遍，又將余數(shù)存下來(lái)，放大后又再比較一遍，這樣反復(fù)循環(huán)下去，則可以用較少的位數(shù)實(shí)現(xiàn)非常精確的逼近。這就是下面介紹的余數(shù)循環(huán)式A/D。5.6.2

余數(shù)循環(huán)比較式A/D123S1S2C1C2uiS/H2u22A2D/A±usCS/H11u1A1+_uD+_ui'極性檢測(cè)及控制電路圖5.50余數(shù)循環(huán)比較式A/D原理圖放大器減法器采樣保持電路序號(hào)輸入電壓或余數(shù)存儲(chǔ)電壓(V)極性判別數(shù)據(jù)判別8421D/A輸出余數(shù)電壓(V)余數(shù)存儲(chǔ)電壓(V)1+7.9053+01117+0.9053+9.05329.053+100190.0530.5330.53+000000.535.345.3+010150.33.053+0011300表5.10余數(shù)循環(huán)比較過(guò)程(3)具有自動(dòng)糾錯(cuò)能力，即使在轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)某些判別錯(cuò)誤，最后也能給出正確結(jié)果。余數(shù)循環(huán)式A/D的特點(diǎn)如下：(1)分辨力高目前余數(shù)循環(huán)比較式A/D的分辨力還僅限于

10-6～10-7量級(jí)。(2)轉(zhuǎn)換速度快完成一次22bit轉(zhuǎn)換約需1.6ms時(shí)間，美國(guó)FLUKE公司的DMM以余數(shù)循環(huán)比較式A/D著稱(chēng)，該公司的8520A型DMM在進(jìn)行直流電壓測(cè)量時(shí)，最高分辨力達(dá)1μV，讀數(shù)速率為500次/秒。表5.13各類(lèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較類(lèi)型并行比較型分級(jí)型逐次逼近型∑－Δ型積分型VFC型主要特點(diǎn)超高速高速速度精度價(jià)格等綜合性?xún)r(jià)比較高高分辨率高精度高精度低成本高抗干擾能力低成本高分辨率分辨率(位)6～108～168～1616～2412～168～16轉(zhuǎn)換時(shí)間幾十nS幾十～幾百nS幾～幾十μS幾～幾十mS幾十～幾百mS幾十～幾百mS采樣頻率幾十MSps幾MSps幾十～幾百kSps幾十kSps幾～幾十Sps幾～幾十Sps價(jià)格高高中中低低主要用途超高速視頻處理視頻處理高速數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集工業(yè)控制音頻處理數(shù)字儀表數(shù)字儀表數(shù)字儀表簡(jiǎn)易ADC5.7數(shù)字多用表DMM數(shù)字多用表DMM(DigitalMultiMeter)是具有測(cè)量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻等多種功能的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。直流數(shù)字電壓表AC－DCI－VDCΩ－VDCUmIxRxU∽圖5.55數(shù)字多用表方框圖5.7.1

交流—直流(AC—DC)轉(zhuǎn)換器被測(cè)信號(hào)ui送入到X、Y輸入端，從XY／Z端輸出的電壓經(jīng)平均值電路(有源低通濾波器)再送回Z輸入端，故直流輸出電壓為+XYXY/ZZRC－Uoui2ui2uiUoUo圖5.56均方根法的AC-DC轉(zhuǎn)換器

（5.63）真有效值5.7.2

電流-電壓（I-U）轉(zhuǎn)換器

Ix=Uo/RS

R1R2R3Rsuo－+ixRf+－ixuo圖5.57大信號(hào)電流－電壓轉(zhuǎn)換電路圖5.58基本電流－電壓轉(zhuǎn)換電路（5.64）5.7.3

電阻—電壓(Ω—V)轉(zhuǎn)換器當(dāng)在被測(cè)的未知電阻Rx中流過(guò)已知的恒定電流IS時(shí)，在RX上產(chǎn)生的電壓降為U＝RxIs，故通過(guò)恒定電流可實(shí)現(xiàn)Ω—V轉(zhuǎn)換。ErRsRxuo－+AIs5.7.4

數(shù)字多用表的發(fā)展簡(jiǎn)況臺(tái)式DMM的位數(shù)較多，精度及自動(dòng)化程度較高。各廠家都有自己的專(zhuān)利技術(shù)，近年已做到8位的極限精度。表5.16列出了幾種具有代表性的臺(tái)式DMM的主要性能。表5.16幾種臺(tái)式的DMM主要性能型號(hào)公司位數(shù)精度方案帶微處理機(jī)接口8500A/8503AFluke(美)5,6c0.001%+6誤差加減型再循環(huán)余方式有1.IEE-4882.RS-232B/C3.比特并行7065SOCLARTRON(英)60.001%±4脈沖寬度調(diào)制式有1.GP-IB2.RS-232C比特3.比特并行3455AHP(美)5,6c±0.005%多斜式有HP-IB5900RACALDANA(美、英)5±0.001%延時(shí)式雙積分有GB-IB2002KEITHELY81/2