第七章電壓測(cè)量(下)

7.5高頻交流電壓測(cè)量測(cè)量電壓的頻率范圍主要取決于檢波器的頻率響應(yīng)。

由于放大器頻率特性的限制，測(cè)量高頻信號(hào)的電壓表不采用放大－檢波式，而采用檢波－放大式。好處是放大后的直流信號(hào)，其頻率特性不會(huì)影響整個(gè)電壓表的頻率響應(yīng)。

現(xiàn)在的高頻電壓表都把用特殊性能的高頻檢波二極管（如2AP31B等）構(gòu)成的檢波器放置在屏蔽良好的探頭（探極）內(nèi)，用探頭的探針直接接觸被測(cè)點(diǎn)，這樣可以大大減小高頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失并減小各種分布參數(shù)的影響．圖7.3-3檢波－放大式電壓表框圖第七章電壓測(cè)量1

7.5高頻交流電壓測(cè)量這種電壓表的頻率上限可達(dá)1000MHz。例如DA36型和AS2271型超高頻毫伏表，其測(cè)量電壓的頻率范圍都是10kHz～1GHz。在這類(lèi)檢波－放大式高頻毫伏表中，檢波器多采用峰值式檢波器。圖7.3-3檢波－放大式電壓表框圖第七章電壓測(cè)量2上圖是串聯(lián)式峰值檢波器原理電路及檢波波形，元件參數(shù)滿足充電放電式中Tmax、Tmin分別表示被測(cè)信號(hào)的最大周期和最小周期，Rd包括二極管正向?qū)娮杓氨粶y(cè)電壓的等效信號(hào)源內(nèi)阻。一.峰值檢波器1.串聯(lián)式單峰值檢波器圖7.5－1串聯(lián)峰值檢波電路及波形（7.5-1）第七章電壓測(cè)量3在被測(cè)電壓Ux的正半周，二極管D導(dǎo)通，由于充電時(shí)常數(shù)RdC非常小，電容C上電壓迅速達(dá)到Ux峰值Up。在Ux負(fù)半周，二極管D截止，由于放電時(shí)常RC很大，電容上電壓跌落很小，從而使得其平均值或始終接近Ux的峰值，即圖7.5-1串聯(lián)峰值檢波電路及波形第七章電壓測(cè)量一.峰值檢波器1.串聯(lián)式單峰值檢波器4如上圖（b）所示，實(shí)際上檢波器輸出電壓平均值略小于Up，用kd表示峰值檢波系數(shù)，有（7.5-2）顯然，kd

略小于1，由電路本身確定若把二極管D反接，則可測(cè)得ux的負(fù)峰值。圖7.5-1串聯(lián)峰值檢波電路及波形第七章電壓測(cè)量一.峰值檢波器1.串聯(lián)式單峰值檢波器52.雙峰值檢波器圖7.5-2雙峰值檢波電路圖7.5-3HFJ-8超高頻毫伏表檢波電路將兩個(gè)串聯(lián)式檢波電路結(jié)合在一起，構(gòu)成雙峰值檢波電路。C1或R1上的平均電壓近似于Ux的正峰值Up＋，C2或R2上的平均電壓近似于Ux的負(fù)峰值Up－，檢波器輸出電壓即輸出電壓近似等于被測(cè)電壓的峰－峰值。第七章電壓測(cè)量一.峰值檢波器63、并聯(lián)式檢波器元件參數(shù)仍然滿足式（7.5-1）條件。在ux正半周，ux通過(guò)二極管D迅速給電容C充電，ux負(fù)半周，電容C上電壓經(jīng)過(guò)電壓源和電阻R緩慢放電，電容C上電壓接近ux峰值，以因此電阻R的電壓如圖（b）中uR所示，濾除高頻分量，其平均值等于電容上平均電壓，近似等于ux峰值，即圖7.5-4并聯(lián)峰值檢波電路及波形第七章電壓測(cè)量一.峰值檢波器74．倍壓式峰值檢波器為了提高檢波器輸出電壓，還采用倍壓式峰值檢波器。在ux負(fù)半周，電壓源經(jīng)過(guò)D1向C1充電，uC1迅速達(dá)到ux的峰值。ux正半周，uC1和ux串聯(lián)后經(jīng)過(guò)D2向C2充電，C2上電壓uC2迅速達(dá)到（uC1+ux）的峰值，由于RC2>>Tmax，放電非常緩慢，R上電壓下降不大，近似等于ux峰值的兩倍，即，如圖（b）所示。圖7.5-5倍壓峰值檢波電路及波形第七章電壓測(cè)量一.峰值檢波器8二.誤差分析1.理論誤差由前面的分析可知，峰值檢波器輸出電壓的平均值略小于被測(cè)電壓的峰值，即式中的檢波器系數(shù)kd略小于1，實(shí)際數(shù)值與充電、放電時(shí)常數(shù)有關(guān)。對(duì)于正弦波，由數(shù)學(xué)分析可得到理論誤差為（7.5-3）第七章電壓測(cè)量92.頻率誤差低頻情況下，由于Tmax加大，放電時(shí)間較長(zhǎng)，下降較多，因而造成低頻誤差，理論分析得知低頻誤差為（7.5-4）雖然峰值檢波式電壓表比較適用于高頻測(cè)量，但由于高頻時(shí)分布參數(shù)的影響加大會(huì)帶來(lái)高頻誤差。模擬電壓表中的“頻率特性誤差”（也叫頻率影響誤差）反映了電壓表的頻率誤差，它定義為電壓表在工作范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)的電壓測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)頻率的電壓測(cè)量值的誤差：Uf0:基準(zhǔn)頻率上被測(cè)電壓示值。Ufx:其他頻率上被測(cè)電壓示值第七章電壓測(cè)量二.誤差分析103.波形誤差注意：峰值電壓表按正弦波有效值定度

對(duì)于正弦波，電壓表示值即為其有效值，對(duì)于其他非正弦波，可利用表7.3-l給出的波峰系數(shù)進(jìn)行換算才能得到有效值，對(duì)于那些不能通過(guò)波峰系數(shù)進(jìn)行波形換算的被測(cè)信號(hào)，只好將電壓表示值作為其近似的有效值，這樣就帶來(lái)了波形誤差。此外，根據(jù)式，峰值檢波器的輸出與檢波系數(shù)kd

有關(guān)，不同波形的信號(hào)和正弦波相比，kd是有差異的，這也帶來(lái)了波形誤差。第七章電壓測(cè)量二.誤差分析11三.波形換算1.定度電壓表示值Ua與峰值檢波器輸出Up間滿足（7.5-6）

ka稱為定度系數(shù)。由于電壓表以正弦波有效值定度，所以（7.5-7）第七章電壓測(cè)量122.波形換算（7.5-8）再由表7.3-1給出得波峰因數(shù)kp＝Up/U

得到有效值（7.5-9）上式僅適用于峰值電壓表測(cè)試時(shí)。當(dāng)被測(cè)電壓為非正弦波時(shí)，應(yīng)進(jìn)行波形換算才能得到被測(cè)電壓的有效值。波形換算的原理是：示值Ua相等則峰值Up也相等，由式（7.5-6）和（7.5-7）得峰值第七章電壓測(cè)量三.波形換算137.6脈沖電壓測(cè)量?jī)煞N方法：示波器，脈沖電壓表示波器方便、直觀。可觀察和測(cè)量脈沖信號(hào)的波形和各有關(guān)參數(shù)，如脈沖峰值（幅值）、脈沖上沖、頂部跌落、脈沖寬度、占空系數(shù)等，又由于示波器已成為非常通用的電子測(cè)量?jī)x器，所以大多數(shù)情況下人們都是使用示波器測(cè)量脈沖信號(hào)。只有個(gè)別情況下（例如高壓脈沖測(cè)量、脈沖間隔實(shí)際很長(zhǎng)的脈沖信號(hào)測(cè)量），才使用脈沖電壓表。一般的脈沖波形不使用高頻峰值檢波器測(cè)量脈沖電壓，因?yàn)槠錅y(cè)量誤差過(guò)大。第七章電壓測(cè)量141.直接測(cè)量法（7.6－1）其中H是熒光屏上脈沖波形高度，d是Y軸總偏轉(zhuǎn)因數(shù)（V/cm或V/div）。要注意的是：探頭有無(wú)衰減，是否使用“倍率”，當(dāng)然信號(hào)接入時(shí)還應(yīng)將Y軸微調(diào)置“校正位”。直接測(cè)量法是最常用的方法。由于光跡較寬、視差及衰減器、放大器誤差等限制，測(cè)量誤差約為±5％。直接測(cè)量法也稱靈敏度換算法。它是將被測(cè)電壓信號(hào)接在示波器Y（垂直）通道，根據(jù)示波管熒光屏上電壓波形的高度及Y軸偏轉(zhuǎn)因數(shù)，直接計(jì)算出脈沖峰值第七章電壓測(cè)量一、示波器測(cè)量脈沖電壓用示波器測(cè)量信號(hào)電壓通常使用較多的是直接測(cè)量法和比較測(cè)量法。15[例1]

用SR-8示波器測(cè)量脈沖電壓。Y軸微調(diào)已置“校正位”，開(kāi)關(guān)“V/div”置0.2處，探頭衰減10倍，脈沖在熒光屏上高度H＝1.4div（格），求被測(cè)電壓峰值（實(shí)際上是峰峰值）。解：由于探極已將信號(hào)衰減10倍（為方便，寫(xiě)作k1=10）所以脈沖電壓的峰-峰值:

Up-p=k

×

H=k1×d

×H=0.2101.4=2.8(V)【例2］用SBM-14示波器測(cè)量脈沖電壓峰峰值。波形高度H＝3diV，開(kāi)關(guān)“V／div”置0.2處，探極衰減k1＝10，“倍頻”置×5位（k2＝5，信號(hào)放大5倍后接于Y偏轉(zhuǎn)系位），求被測(cè)電壓峰峰值。解：Up-p＝KH＝（k1／k2）d×H＝（10/5）0.2×3＝1.2（V）第七章電壓測(cè)量1.直接測(cè)量法一、示波器測(cè)量脈沖電壓162.比較測(cè)量法（7.6-2）比較測(cè)量法就是用已知電壓值（一般為峰峰值）的信號(hào)（一般為方波）與被測(cè)信號(hào)電壓波形比較而求得被測(cè)電壓值。設(shè)在保持輸入衰減和Y軸增益不變得情況下，被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在熒光屏上的高度分別為H1，H2，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的峰峰值為Usp-p，則被測(cè)電壓峰峰值為第七章電壓測(cè)量一、示波器測(cè)量脈沖電壓172.比較測(cè)量法以SR-8雙蹤示波器為例，機(jī)器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生1kHz的峰峰值為1V的矩形波。首先將被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)探極（設(shè)衰減為1）接至Ya通道，記下高度H1，然后用同軸電纜將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(校準(zhǔn)信號(hào))與Ya輸入端相連，記下矩形波標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的高度H2。即可測(cè)得被測(cè)信號(hào)的峰峰值。還可以首先用校準(zhǔn)信號(hào)將Ya、Yb兩通道偏轉(zhuǎn)靈敏度調(diào)至相等，然后將檢測(cè)電壓和校準(zhǔn)信號(hào)分別經(jīng)Ya、Yb通道輸入，比較其各自的高度，計(jì)算出被C測(cè)電壓值。由于比較測(cè)量法的測(cè)量準(zhǔn)確度主要決定于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電壓準(zhǔn)確度，而與Y通道增益無(wú)關(guān)，因而測(cè)量誤差比直接測(cè)量法小。第七章電壓測(cè)量一、示波器測(cè)量脈沖電壓18二、用脈沖電壓表測(cè)量脈沖電壓1.脈沖保持型電壓表峰值電壓表測(cè)量脈沖電壓的誤差：主要原因是在脈沖期間，由于充電時(shí)常數(shù)不夠小而使電容上電壓充不到脈沖峰值，而在脈沖休止期間又由于放電時(shí)常數(shù)不夠大而使原充電電壓降落過(guò)多，從而電容上電壓的平均值

小于脈沖峰值Up。如果能盡量減小充電時(shí)常數(shù)而增大放電時(shí)常數(shù)，使在脈沖存在期間能充電至脈沖幅值，脈沖休止期間電壓保持基本不變，那么就可以有效地減小測(cè)量誤差，下圖就是基于這種原理而構(gòu)造的脈沖保持電路。第七章電壓測(cè)量19圖7.6-1脈沖保持電路及波形

T1為射極跟隨器，作用之一是減小儀表對(duì)被測(cè)電路的影響，作用之二是射極跟隨器等效輸出電阻很小，即減小了充電電阻。被測(cè)信號(hào)Ux經(jīng)D1對(duì)C1充電，C1取值較小，T2、T3管都接成源極輸出電路，輸入電阻很大，因此在充電期間，C1上電壓可基本達(dá)到Ux峰值，但在脈沖休止期間Uc1降落仍然很大。第七章電壓測(cè)量1.脈沖保持型電壓表20圖7.6-1脈沖保持電路及波形將Uc1經(jīng)T2源極跟隨器對(duì)C2充電，由于源極跟隨器負(fù)載能力強(qiáng)，因此C2上電壓在充電期結(jié)束時(shí)，能接近Ux峰值Up。同時(shí)C2取值較大，在脈沖休止期間放電非常緩慢，從而就大大減小了其平均值Uc2與此Up間的誤差。圖（a）中按鈕P用于短接D2，以便在測(cè)量完畢時(shí)使C2迅速放電，以利下一次測(cè)量。第七章電壓測(cè)量1.脈沖保持型電壓表212.補(bǔ)償式脈沖電壓表原理如圖（a）所示：待測(cè)電壓ux經(jīng)二極管D給電容C充電至峰值Up，并輸入到直流差分放大器A端，B端加入可調(diào)的直流補(bǔ)償電壓U0，當(dāng)調(diào)整可調(diào)電壓使差分放大器輸出為0時(shí)，U0＝Up，用電壓表測(cè)出U0即得到了Up。圖7.6-2補(bǔ)償式脈沖電壓表第七章電壓測(cè)量22圖（b）是自動(dòng)補(bǔ)償式脈沖電壓表的原理。Ux經(jīng)D1對(duì)C1充電，C1上電壓uc1峰值為Up并在脈沖休止期間按指數(shù)規(guī)律下降。Uc1

放大后經(jīng)D2對(duì)C2充電（C2>>C1），uc2經(jīng)反饋電阻Rf加至電容C1上作補(bǔ)償電壓。適當(dāng)選擇時(shí)常數(shù)R2C2，使脈沖休止期間C2上放電很少。隨著輸入脈沖增多，uc2逐漸增大，當(dāng)時(shí)，不再增加，由后面的直流電壓表測(cè)出2.補(bǔ)償式脈沖電壓表圖7.6-2補(bǔ)償式脈沖電壓表第七章電壓測(cè)量233、高壓脈沖電壓表圖中D為高壓硅堆，經(jīng)限流電阻R1和電容C1構(gòu)成脈沖峰值檢波電路。R2為微安表可用來(lái)直接指示被測(cè)脈沖峰值。R3為標(biāo)準(zhǔn)電阻，阻值遠(yuǎn)小于R2，其上電壓為毫伏級(jí)，C2是旁路電容，該電壓可送直流電壓表（數(shù)字電壓表）顯示。開(kāi)關(guān)K在測(cè)量時(shí)閉合，測(cè)量后斷開(kāi)，以保護(hù)電壓表。圖7.6-3用充放電法測(cè)高壓脈沖當(dāng)正向脈沖輸入時(shí)，D導(dǎo)通，C1充電。脈沖休止期D截止，C1放電，由電表讀出脈沖電壓峰值。第七章電壓測(cè)量24（1）準(zhǔn)確度高：高檔的準(zhǔn)確度可達(dá)10-7量級(jí)，測(cè)量靈敏度（分辨力）達(dá)lμV。（2）數(shù)字顯示：測(cè)量結(jié)果以十進(jìn)制數(shù)字顯示，消除了指針式儀表的讀書(shū)誤差。（3）輸入阻抗高：負(fù)載效應(yīng)幾乎可以忽略。（4）測(cè)量速度快，自動(dòng)化程度高：（5）功能多樣：現(xiàn)在的數(shù)字式儀表一般都具有多種功能。

數(shù)字式電壓表的缺點(diǎn)是交流測(cè)量時(shí)的頻率范圍不夠?qū)挘话闵舷揞l率在1MHZ以下。第七章電壓測(cè)量7.7電壓的數(shù)字式測(cè)量一.概述25二、數(shù)字式電壓表（DVM）的組成原理1．直流數(shù)字式電壓表圖中模擬部分包括輸入電路（如阻抗變換，放大電路、量程控制）和A/D變換器，A/D完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)如準(zhǔn)確度、分辨力等主要取決于這一部電路。數(shù)字部分完成邏輯控制，譯碼（比如將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字）和顯示等功能。圖7.7-1直流數(shù)字電壓表組成原理第七章電壓測(cè)量262.數(shù)字多用表（DMM）圖7.7-2數(shù)字式多用表組成原理在數(shù)字直流電壓表前端配接交流－直流轉(zhuǎn)換器（AC/DC）、電流－電壓轉(zhuǎn)換電路（I/V）、電阻－電壓轉(zhuǎn)換電路（Ω/V）等，就構(gòu)成了數(shù)字多用表，但其核心是數(shù)字直流電壓表。第七章電壓測(cè)量二、數(shù)字式電壓表（DVM）的組成原理272.數(shù)字多用表（DMM）圖7.7-2數(shù)字式多用表組成原理

由于直流數(shù)字電壓表是線性化顯示儀器，因此要求其前端配接的AC／DC、I／V、Ω／V等變換器也必須是線性變換器。而前面介紹的有效值檢波器的輸出（流過(guò)直流微安表電流）I和電壓有效值U之間不是線性關(guān)系，因而那種有效值檢波器不是線性AC／DC變換器。第七章電壓測(cè)量二、數(shù)字式電壓表（DVM）的組成原理28（1）線性AC/DC變換器圖7.7-3線性檢波原理數(shù)字多用表中的線性AC/DC變換器主要有平均值A(chǔ)C/DC和有效值A(chǔ)C/DC。有效值A(chǔ)C/DC用熱偶變換式和模擬計(jì)算式。平均值A(chǔ)C/DC利用負(fù)反饋原理以克服檢波器二極管的非線性，以實(shí)現(xiàn)線性AC/DC轉(zhuǎn)換。第七章電壓測(cè)量2.數(shù)字多用表（DMM）(a)+-+-1R2Rxuiuouk(b)1D2DAdkttouxupU29（1）線性AC/DC變換器圖（a）半波線性檢波的原理。對(duì)理想的反向放大器，設(shè)其運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益為k，并假設(shè)其輸入阻抗足夠高（實(shí)際的運(yùn)放一般能滿足這一假設(shè)），則圖7.7-3線性檢波原理（7.7-1）第七章電壓測(cè)量2.數(shù)字多用表（DMM）(a)+-+-1R2Rxuiuouk(b)1D2DAdkttouxupU30解得（7.7-2）一般k>>1（通常k在105

～108間），因此上式簡(jiǎn)化為（7.7-3）即由于反饋電阻R2的負(fù)反饋?zhàn)饔?，放大器的輸出和輸入間成線性關(guān)系，而與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益無(wú)關(guān)。第七章電壓測(cè)量（1）線性AC/DC變換器2.數(shù)字多用表（DMM）31分析圖（a）電路的特性：①在Ux負(fù)半周，A點(diǎn)電壓UA為正值，D1導(dǎo)通，設(shè)D1檢波增益為kd，則U0／Ui

＝－kkd，由于k值很大，因而kkd值也很大，引入圖(a)分析結(jié)論，此負(fù)半周出輸出滿足而與kd變化基本無(wú)關(guān)，這就大大削弱了D1伏安特性的非線性失真，而使輸出U0線性正比于被測(cè)電壓Ux。(a)+-+-1R2Rxuiuouk(b)1D2DAdkttouxupU第七章電壓測(cè)量（1）線性AC/DC變換器2.數(shù)字多用表（DMM）圖7.7-3線性檢波原理32②在Ux正半周，UA為負(fù)值，D2導(dǎo)通，D1截止，考慮運(yùn)放的“虛短路”特性，U0被牽位在0伏。這樣，圖（a）就構(gòu)成了線性半波檢波器，輸入輸出波形如圖（b）所示。(a)+-+-1R2Rxuiuouk(b)1D2DAdkttouxupU第七章電壓測(cè)量（1）線性AC/DC變換器2.數(shù)字多用表（DMM）33圖7.7-4線性平均值A(chǔ)C/DC原理③為了提高檢波靈敏度，圖（a）也可使用全波檢波電路。為了增加檢波器輸入阻抗，可在前面加接一級(jí)同相放大器（源級(jí)跟隨器，射級(jí)跟隨器），輸出端加接有源低通濾波器濾除交流成分后就可得到平均值輸出。從而構(gòu)成線性平均值A(chǔ)C/DC變換器。(a)+-+-1R2Rxuiuouk(b)1D2DAdkttouxupU第七章電壓測(cè)量（1）線性AC/DC變換器2.數(shù)字多用表（DMM）34（2）I/V變換器把直流電流變?yōu)橹绷麟妷鹤詈?jiǎn)單的方法就是讓該電流流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs，根據(jù)歐姆定律，Rs上端電壓URx＝Rs·Ix，從而完成了I／V線性轉(zhuǎn)換。為了減小對(duì)被測(cè)電路的影響，電阻Rs的取值應(yīng)盡可能小，下圖是兩種I／V線性變換的原理圖。圖（a）采用高輸入阻抗同相運(yùn)算放大器，不難算出輸出電壓U0與被測(cè)電流Ix之間滿足：（7.7-4）+-+-sRxIoUA(b)R+-+-1R2RxIoUA(a)sRB圖7.7-5I/V變換器第七章電壓測(cè)量2.數(shù)字多用表（DMM）35（2）I/V變換器當(dāng)被測(cè)電流較小時(shí)（Ix小于幾個(gè)毫安），采用圖（b）轉(zhuǎn)換電路，忽略運(yùn)放輸入端漏電流，輸出電壓U0與被測(cè)電流Ix間滿足：（7.7-5）+-+-sRxIoUA(b)R+-+-1R2RxIoUA(a)sRB圖7.7-5I/V變換器第七章電壓測(cè)量2.數(shù)字多用表（DMM）36（3）Ω/V變換器實(shí)現(xiàn)Ω/V變換的方法有多種，下圖是恒流法Ω/V變換器原理圖。圖中Rx為待測(cè)電阻，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Us為基準(zhǔn)電壓源，該圖實(shí)質(zhì)上是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)反饋電路，利用前面的分析方法，可以得到（7.7-6）即輸出電壓與被測(cè)電阻成正比，Us/Rs實(shí)質(zhì)上構(gòu)成了恒流源，改變Rs，可以改變Rx的量程。+-+-RxUsoUARs圖7.7-6恒流法Ω/V變換器第七章電壓測(cè)量2.數(shù)字多用表（DMM）37

比較型A/D轉(zhuǎn)換器是采用將輸入模擬電壓與離散標(biāo)準(zhǔn)電壓相比較的方法，典型的是具有閉環(huán)反饋系統(tǒng)的逐次比較式。三.DVM的主要類(lèi)型除了將DVM分成直流DVM和交流DVM外，還可以根據(jù)A/D變換的基本原理進(jìn)行分類(lèi)。

積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接轉(zhuǎn)換形式。它對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分并轉(zhuǎn)換成中間量時(shí)間T或頻率F，再通過(guò)計(jì)數(shù)器等將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。第七章電壓測(cè)量38

比較型和積分型是A/D變換的基本類(lèi)型。由比較型A/D構(gòu)成的DVM測(cè)量速度快（最高可達(dá)每秒100萬(wàn)次以上），電路比較簡(jiǎn)單，但抗干擾能力差。積分型A/D構(gòu)成的DVM突出優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，主要不足是測(cè)量速度慢。三.DVM的主要類(lèi)型復(fù)合型DVM是將積分型與比較型結(jié)合起來(lái)的一種類(lèi)型。第七章電壓測(cè)量39表7.7-1三類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)形式比較式閉環(huán)反饋比較式逐次比較、計(jì)數(shù)比較、跟蹤比較、再循環(huán)比較開(kāi)環(huán)反饋比較式串聯(lián)比較、并聯(lián)比較、串并聯(lián)比較積分式V/T轉(zhuǎn)換式斜波式、雙斜積分式、三斜式、四斜式、多斜式V/F轉(zhuǎn)換式電荷平衡式、復(fù)零式、交替積分式復(fù)合式V/T轉(zhuǎn)換式兩次取樣式、三次取樣式、電流擴(kuò)展式V/F轉(zhuǎn)換式兩次取樣式第七章電壓測(cè)量401、主要電路單元逐次比較式A/D主要電路單元有比較器、控制器、逐次逼近寄存器SAR、緩沖寄存器、譯碼器和模/數(shù)（D/A）轉(zhuǎn)換器。比較器是一種特殊設(shè)計(jì)的高速高增益運(yùn)算放大器，它完成輸入端兩電壓的比較運(yùn)算。模擬輸入電壓Ux、反饋電壓U0分別作用在比較器輸入端，若U0>Ux，則比較器輸出Qc＝0（邏輯低電平），若U0≤Ux，則Qc＝1（邏輯高電平）。第七章電壓測(cè)量四.逐次比較型DVM

+-比較器Ux基準(zhǔn)電壓源D/A轉(zhuǎn)換器（8位）Q7～Q0逐次逼近寄存器SAR緩沖寄存器譯碼顯示a7～a0控制電路時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電源CLK啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)束模擬量輸入cQ0U反饋電壓41控制器發(fā)出一系列的節(jié)拍脈沖，并根據(jù)Qc值控制寄存器各位的輸出狀態(tài)。SAR是一組雙穩(wěn)觸發(fā)器，如果是二進(jìn)制n位A/D，則SAR中就有n個(gè)雙穩(wěn)觸發(fā)器，各位的輸出由控制器控制，并送往緩沖寄存器鎖存和送往D/A變換成模擬量U0。第七章電壓測(cè)量四.逐次比較型DVM

1、主要電路單元+-比較器xU基準(zhǔn)電壓源D/A轉(zhuǎn)換器（8位）Q7～Q0逐次逼近寄存器SAR緩沖寄存器譯碼顯示a7～a0控制電路時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電源CLK啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)束模擬量輸入cQ0U反饋電壓42下圖是權(quán)電阻D/A變換原理，其中K0～K7是電子開(kāi)關(guān)，其通斷對(duì)應(yīng)于相應(yīng)位ai的取值，若ai＝1，則ki通，若ai＝0，則ki斷。圖7.7-8權(quán)電阻D/A變換原理

D/A包括基準(zhǔn)電壓源、電子開(kāi)關(guān)電路和由分壓分流電路組成的解碼網(wǎng)絡(luò)，其功能是將二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。第七章電壓測(cè)量四.逐次比較型DVM

1、主要電路單元43對(duì)于運(yùn)算放大器理想模型，不難得出：當(dāng)K0閉合（通）（對(duì)應(yīng)n位二進(jìn)制數(shù)最低位（LSB）a0＝1）時(shí)（7.7-7）此時(shí)若K1～K7均斷開(kāi)，則輸出電壓:（7.7-8）當(dāng)D/A輸入為任意二進(jìn)制數(shù)字量a7a6…a2a1a0時(shí)，輸出電壓(ai=1或ai＝0)（7.7-9）第七章電壓測(cè)量四.逐次比較型DVM

1、主要電路單元44圖7.7-9T型電路A/D變換原理圖7.7-9（a）所示的T型解碼電路雖然電阻個(gè)數(shù)較多，但電阻值僅為兩種，很適宜集成制造工藝。第七章電壓測(cè)量四.逐次比較型DVM

1、主要電路單元45對(duì)節(jié)點(diǎn)I，左、右兩側(cè)的等效電阻均為2R，因此其節(jié)點(diǎn)電位（ai＝1時(shí)）（7.7-10）I節(jié)點(diǎn)電位向輸出端傳送時(shí)，要經(jīng)過(guò)多節(jié)衰減，每節(jié)衰減數(shù)均為1/2，如“0”節(jié)點(diǎn)電位傳送到輸出端時(shí)，要經(jīng)過(guò)七節(jié)衰減，則輸出端的電壓為（7.7-11）根據(jù)迭加原理，對(duì)于任意二進(jìn)制數(shù)a7a6···a2a1a0，輸出電壓為：第七章電壓測(cè)量1、主要電路單元462、逐次比較A/D工作原理現(xiàn)以一個(gè)簡(jiǎn)單的3比特（3位二進(jìn)制數(shù)）逐次比較過(guò)程說(shuō)明其原理。設(shè)基準(zhǔn)電壓Us＝8V，輸入電壓Ux＝5V，3比特SAR的輸出為Q2Q1Q0。逐次比較A/D的工作原理類(lèi)似于天平稱質(zhì)量過(guò)程,它利用對(duì)分搜索原理，依次按二進(jìn)制遞減規(guī)律減小，從數(shù)字碼的最高位（LMB或MSB，相當(dāng)于滿度值FS的一半）開(kāi)始，逐次比較到低位，使U0逐次逼近Ux。第七章電壓測(cè)量四.逐次比較型DVM

47初始化Q2Q1Q0=100加最大碼置Q2=1U0>Ux?置Q2=0加次大碼置Q1=1YN留碼去碼U0>Ux?置Q1=0加最小碼置Q0=1YN留碼去碼U0>Us?置Q0=0結(jié)束YN留碼去碼設(shè)基準(zhǔn)電壓Us＝8V，輸入電壓Ux＝5V，3比特SAR的輸出為Q2Q1Q0?？刂齐娐肥紫戎肧AR的Q2Q1Q0＝100，即從最高位MSB開(kāi)始比較，100經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換成U0＝（l／2）Us＝4V，加至比較器，Ux≥U0，比較器輸出Qc＝1，使Q2維持“1”（留碼）。在此基礎(chǔ)上再令Q1＝1，即Q2Q1Q0＝110，加至D／A，使輸出U0＝6V，因?yàn)閁x<U0，比較器Qc＝0，使得剛加上的碼Q1＝1改為Q1＝0（去碼）。圖7.7-10三位逐次比較流程圖第七章電壓測(cè)量2、逐次比較A/D工作原理48初始化Q2Q1Q0=100加最大碼置Q2=1U0>Ux?置Q2=0加次大碼置Q1=1YN留碼去碼U0>Ux?置Q1=0加最小碼置Q0=1YN留碼去碼U0>Us?置Q0=0結(jié)束YN留碼去碼接著再令Q0＝1,即Q2Q1Q0＝101，加至D/A,使U0＝5V，因?yàn)閁x≥U0，比較器Qc＝1，使Q0維持1，至此，三位碼都已順序加過(guò)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。最終SAR的輸出Q2Q1Q0＝101，即為輸入電壓Ux的數(shù)字碼，經(jīng)緩沖寄存器輸出至譯碼電路，顯示出十進(jìn)制數(shù)5V。圖7.7-10三位逐次比較流程圖第七章電壓測(cè)量2、逐次比較A/D工作原理49其工作過(guò)程如下：

準(zhǔn)備階段（t0～t1）：控制邏輯使K4接地，K1～K3斷開(kāi)，使積分器輸入、輸出為零，作為初始狀態(tài)。圖7.7-12雙積分型DVM框圖圖7.7-13雙積分A/D原理第七章電壓測(cè)量五.雙積分型DVM

50取樣階段（t1～t2）：t1時(shí)刻，控制邏輯發(fā)出取樣指令，接通K1，斷開(kāi)K2～K4，被測(cè)電壓（－Ux）加到積分器，U0線性上升，一旦U0>0，零比較器輸出由低電平跳變到高電平，打開(kāi)計(jì)數(shù)閘門(mén)，時(shí)鐘脈沖通過(guò)閘門(mén)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始減法計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)預(yù)置時(shí)間T1（對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器預(yù)置初值N1），到達(dá)t2時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，并復(fù)零。此時(shí)積分器輸出達(dá)到最大值：（7.7-13）圖7.7-12雙積分型DVM框圖圖7.7-13雙積分A/D原理第七章電壓測(cè)量五.雙積分型DVM

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比較階段（t2～t3）：在取樣結(jié)束，計(jì)數(shù)器復(fù)零時(shí)，控制邏輯斷開(kāi)K1，接通正基準(zhǔn)電壓Us，Us接到積分器進(jìn)行反向積分，輸出U0線性下降。圖7.7-12雙積分型DVM框圖圖7.7-13雙積分A/D原理第七章電壓測(cè)量五.雙積分型DVM

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比較階段（t2～t3）：與此同時(shí)，計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始加法計(jì)數(shù)。到達(dá)t3時(shí)刻，積分器輸出U0＝0，零比較器由高電平跳到低電平，閘門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)，設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器值為N2，則反向積分時(shí)間T2＝t3－t2＝N2T0。比較階段積分器輸出電壓為（7.7-14）圖7.7-12雙積分型DVM框圖圖7.7-13雙積分A/D原理第七章電壓測(cè)量五.雙積分型DVM

53如果被測(cè)電壓為正Ux，只需在比較開(kāi)始時(shí)將基準(zhǔn)電壓－Us接入即可。由式（7.7-16）以看到，計(jì)數(shù)結(jié)果與R、C元件無(wú)關(guān)，對(duì)積分元件的精度要求不高。取樣和比較階段都是使用同一時(shí)鐘源脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)時(shí)鐘源要求也不高。第七章電壓測(cè)量圖7.7-12雙積分型DVM框圖圖7.7-13雙積分A/D原理五.雙積分型DVM

在t3時(shí)刻，U0＝0，因此將式（7.7-14）代入上式得（7.7-15）（7.7-16）54六.DVM的技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)量范圍：包括顯示位數(shù)、量程劃分和超量程能力，還可包括量程選擇方式是手動(dòng)、自動(dòng)或遠(yuǎn)控等。DVM的量程是以基本量程（即A／D變換器的電壓范圍）為基礎(chǔ)，通過(guò)步進(jìn)分壓器或前置放大器向高低兩端擴(kuò)展?；玖砍掏ǔ?V或10V，也有2V或5V。第七章電壓測(cè)量55六.DVM的技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)量范圍：DVM的位數(shù)，是指能顯示0～9的十個(gè)數(shù)碼的位數(shù)。通常術(shù)語(yǔ)中3?位、4?位或5?位中的1／2位，指最高位只能取“1”或“0”。l／2位和基本量程結(jié)合起來(lái)，能說(shuō)明DVM有無(wú)超量程能力。如某3?位DVM基本量程為1v，那么該DVM具有超量程能力，因?yàn)樵?V檔上它的最大顯示1.999V。對(duì)于基本量程為2V的DVM，不具備超量程能力，因?yàn)樗?V檔上的最大顯示仍是1.999V。第七章電壓測(cè)量56六.DVM的技術(shù)指標(biāo)1、測(cè)量范圍：例如被測(cè)電壓為13.04V，如果所用三位DVM無(wú)超量程能力，則須使用100V量程檔，顯示13.0V。如果三位DVM有超量程能力（實(shí)際上成為三位半DVM），則仍可使用10V檔測(cè)量，顯示結(jié)果為13.04V。顯然，后者沒(méi)有降低測(cè)量精度和分辨力。第七章電壓測(cè)量572、分辨力：指DVM能夠顯示被測(cè)電壓的最小變化值，即最小量程時(shí)顯示器末位跳變一個(gè)字所需得最小輸入電壓。例如，SX1842DVM，最小量程20mV，最大顯示數(shù)為19999，所以其分辨力為20mV／19999即1μV．第七章電壓測(cè)量六.DVM的技術(shù)指標(biāo)58

3、測(cè)量速度：指每秒鐘能完成的測(cè)量次數(shù)，它組要取決于DVM所使用的A/D。積分型DVM速度較低。一般在幾次／秒～幾百次／秒之間，逐次比較型DW可達(dá)每秒一百萬(wàn)次以上。第七章電壓測(cè)量六.DVM的技術(shù)指標(biāo)594．輸入阻抗：在直流測(cè)量時(shí)，DVM輸入阻抗用輸入電阻Ri表示，量程不一樣，Ri也有差別，大體在10MΩ到1000MΩ之間。交流測(cè)量時(shí)，DVM輸入阻抗用輸入電阻Ri并聯(lián)輸入電容Ci表示，Ci一般在幾十～幾百pF之間。第七章電壓測(cè)量六.DVM的技術(shù)指標(biāo)60

5．固有誤差或工作誤差：

DVM得固有誤差通常用絕對(duì)誤差表示（7.7-17）其中Ux為測(cè)量示值，Um為該量程滿度值，a％Ux稱為讀數(shù)誤差。b％Um稱為滿度誤差。它與被測(cè)電壓大小無(wú)關(guān)，而與所取量程有關(guān)。當(dāng)量程選定后，顯示結(jié)果末位1個(gè)字所代表的角壓值也就一定，因此滿度誤差通常用正負(fù)幾個(gè)字表示．第七章電壓測(cè)量六.DVM的技術(shù)指標(biāo)616．抗干擾能力：

由于DVM的靈敏度很高，因而對(duì)外部干擾的抑制能力就成為保證它的高精度測(cè)量能力的重要因素。外部干擾可分為串模干擾和共模干擾兩種。第七章電壓測(cè)量六.DVM的技術(shù)指標(biāo)62圖7.7-14串模干擾示意圖（1）串模干擾：串模干擾是指干擾電壓usm以串聯(lián)形式與被測(cè)電壓Ux迭加后加到DVM輸入端。圖（a）表示串模干擾來(lái)自被測(cè)信號(hào)源內(nèi)部，圖（b）表示串模干擾是由于測(cè)量引線受外界電磁場(chǎng)感應(yīng)所引起的。第七章電壓測(cè)量六.DVM的技術(shù)指標(biāo)6