第4章數(shù)字測(cè)量方法v24

本章重點(diǎn)介紹數(shù)字化測(cè)量方法，其特點(diǎn)是將模擬量通過(guò)各種變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并以數(shù)字形式顯示。其核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，基本組成是直流數(shù)字電壓表(DVM)。

另外，本章也詳細(xì)地?cái)⑹隽艘詳?shù)字化方法測(cè)量頻率、周期、時(shí)間和相位等參數(shù)的基本工作原理、以及測(cè)量過(guò)程中可能產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因和大小。當(dāng)前第1頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)數(shù)字電壓表

數(shù)字電壓表（DVM）是采用?！獢?shù)（A/D）轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來(lái)的一種電子測(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表的種類：按精確度這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分有，高精度(≤0.001％)、中精度(≤0.01%)、低精度（>0.01）。按測(cè)量速度這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分有，高速的(幾百～幾萬(wàn)次／s)、中速的(幾十～幾百次／s)、低速的(零點(diǎn)幾～十幾次／s)。按照數(shù)字顯示的位數(shù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分，可分為3位數(shù)的、4位數(shù)的、5位數(shù)等等。最常用的區(qū)別方法是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理分類：當(dāng)前第2頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)數(shù)字電壓表

最常用的區(qū)別方法是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理分類：（1）直接式轉(zhuǎn)換數(shù)字電壓表基本原理是將被測(cè)電壓與已知的基準(zhǔn)電壓直接進(jìn)行比較，從而將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，故又叫比較型數(shù)字電壓表。特點(diǎn)是測(cè)量精度高、速度快、但抗干擾能力差。當(dāng)前第3頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)數(shù)字電壓表

（2）積分型數(shù)字電壓表基本原理是利用積分原理將被測(cè)電壓首先轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。故積分型數(shù)字電壓表實(shí)質(zhì)上是將被測(cè)電壓與基準(zhǔn)電壓間接地進(jìn)行比較，故又叫間接比較型數(shù)字電壓表。特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、成本低，但測(cè)量速度較慢。（3）復(fù)合型數(shù)字電壓表基本原理是將比較型和積分型數(shù)字電壓表結(jié)合起來(lái)，各取其優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)用。特點(diǎn)成本較高，多用于高精度測(cè)量的場(chǎng)合。當(dāng)前第4頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.1電壓測(cè)量的數(shù)字化方法4.2直流數(shù)字電壓表4.3多用型數(shù)字電壓表4.4頻率的測(cè)量4.5時(shí)間的測(cè)量當(dāng)前第5頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.1電壓測(cè)量的數(shù)字化方法將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)字量，然后進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、顯示及打印等。數(shù)字化測(cè)量：轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第6頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.1.1數(shù)字電壓表組成原理模擬部分和數(shù)字部分。輸入電路：對(duì)輸入電壓衰減/放大、變換等。核心部件：A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，簡(jiǎn)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(shí)鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。一、DVM(DigitalVoltageMeter)的組成當(dāng)前第7頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)應(yīng)用范圍：直流或緩慢變化電壓信號(hào)的測(cè)量(采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器)通過(guò)AC-DC變換電路，也可測(cè)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(guò)電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測(cè)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，DigitalMulti-Meter）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(jì)算等）和通信接口(如GPIB)當(dāng)前第8頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)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19999二、主要性能指標(biāo)：1、顯示位數(shù)完整顯示位：能夠顯示0～9的數(shù)字。非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示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當(dāng)前第9頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)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、2000V等五檔量程。2、量程無(wú)衰減或放大時(shí)的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍確定。通過(guò)對(duì)輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展不同的量程基本量程：擴(kuò)展量程：二、主要性能指標(biāo)：當(dāng)前第10頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3、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。用每個(gè)字對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)表示，即V/字。

例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測(cè)量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字。用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無(wú)關(guān)，比較直觀。分辨率：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(wú)關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999，則分辨率為：二、主要性能指標(biāo)：當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字”

當(dāng)前第11頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4、測(cè)量精度取決于DVM的固有誤差和使用時(shí)的附加誤差（溫度等）固有誤差表達(dá)式：示值（讀數(shù)）相對(duì)誤差為：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(wú)關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。二、主要性能指標(biāo)：當(dāng)前第12頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)有時(shí)將等效為“±n字”的電壓量表示，即如某臺(tái)31/2位半DVM，說(shuō)明書(shū)給出基本量程為2V，=±（0.1%讀數(shù)+1字）“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.05%”的表示是完全等價(jià)的.

當(dāng)被測(cè)量（讀數(shù)值）很小時(shí)，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測(cè)量較大時(shí)，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(cè)量大于滿量程的2/3以上。二、主要性能指標(biāo)：當(dāng)前第13頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)5、輸入阻抗輸入阻抗取決于輸入電路結(jié)構(gòu)（并與量程有關(guān)）。輸入阻抗（電阻和電容）宜越大越好，否則將影響測(cè)量精度。

對(duì)于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10MΩ～1000MΩ之間

對(duì)于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十～幾百pF之間。6、測(cè)量速度每秒鐘完成的測(cè)量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度一般低速高精度的DVM測(cè)量速度在幾次/秒～幾十次/秒二、主要性能指標(biāo)：當(dāng)前第14頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)7.抗干擾能力強(qiáng)(1)串模干擾當(dāng)前第15頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)串模抑制比串模抑制比：串模干擾電壓波形Usmp為串模干擾電壓的峰值，ΔUmax為由干擾電壓源Usm引起的最大顯示誤差。當(dāng)前第16頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)(2)共模干擾共模抑制比：Ucmp為共模干擾電壓的峰值，ΔUmax為由共模干擾引起的最大顯示誤差。當(dāng)前第17頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)數(shù)字電壓表（DVM）對(duì)模擬電壓表數(shù)字顯示準(zhǔn)確度高測(cè)量范圍分辨力高測(cè)量速度快輸入阻抗高抗干擾能力強(qiáng)當(dāng)前第18頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.1.2數(shù)字電壓表DVM的主要類型各類DVM的區(qū)別主要是A/D轉(zhuǎn)換方式比較型積分型比較型A/D轉(zhuǎn)換器是采用對(duì)輸入模擬電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的方法。積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接轉(zhuǎn)換形式。首先對(duì)輸入的模擬電壓通過(guò)積分器變成時(shí)間T或頻率f等中間量，再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。逐次比較型、并行比較型、快速流水線型雙積分型、三斜積分型、脈沖調(diào)寬（PWM）型、電壓-頻率（V-F）變換型等。當(dāng)前第19頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)一、逐次比較型DVM的工作原理將被測(cè)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(cè)電壓。即采用一種“對(duì)分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。基本原理：逐次比較型DVM原理框圖當(dāng)前第20頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)一、逐次比較型DVM的工作原理

假設(shè)基準(zhǔn)電壓為Vr=10V，為便于對(duì)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：

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(wú)限逼近，當(dāng)只取有限項(xiàng)時(shí)，則項(xiàng)數(shù)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。當(dāng)前第21頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

現(xiàn)假設(shè)有一被測(cè)電壓Vx＝8.5V，若用上面表示Vr的4項(xiàng)5V、2.5V、1.25V、0.625V來(lái)“湊試”逼近Vx，逼近過(guò)程如下：首先取5V項(xiàng)，由于5V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’1’再取2.5V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’11’再取1.25V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V+1.25V>8.5V，則應(yīng)去掉該項(xiàng)，記為數(shù)字’110’再取0.625V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V+0.625V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’1101’得到最后逼近結(jié)果:5V+2.5V+0.625V=8.125V

總結(jié)上面的逐次逼近過(guò)程可知，從大到小逐次取出Vr的各分項(xiàng)值，按照“大者去，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’當(dāng)前第22頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

顯然，當(dāng)Vx＝(7.8125V～8.4375V)之間時(shí)，采用上面Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近的結(jié)果相同，均為8.125V，其誤差為:ΔVx＝(－0.3125V～＋0.3125V)，最大誤差限相當(dāng)于Vr最后一個(gè)分項(xiàng)的一半。上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V－8.5V＝－0.375V。

上述逐次逼近比較過(guò)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(guò)程，Vr的各分項(xiàng)相當(dāng)于提供的有限“電子砝碼”，而Vx是被稱量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過(guò)程完全類同于稱重中的加減法碼的過(guò)程，而稱重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。當(dāng)前第23頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖當(dāng)前第24頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有N--A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，n--A/D位數(shù)，Vr--參考電壓，Vx--A/D輸入電壓上式還可寫成：Vx=eNe=Vr/2nA/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

如上面Vx＝8.5V，Vr＝10V，當(dāng)用Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近時(shí)（相當(dāng)于4位A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為N＝（1101）2＝13，即

單片集成逐次比較式ADC。常見(jiàn)的產(chǎn)品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等當(dāng)前第25頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)TypesofA-DConverterSuccessiveApproximationConverter 逐次比較型

IntegratingConverter積分型當(dāng)前第26頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Analoguein(Continuousfunction)A-DIntegratingtypeA-DconverterVoltage Time Digits電壓時(shí)間數(shù)字Digitalout(Discretefunction)Analoguetodigitalconversion積分當(dāng)前第27頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2時(shí)鐘分頻器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器鎖存當(dāng)前第28頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2ClockCircuitRamp&ComparatorCounterCircuit當(dāng)前第29頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Relay繼電器當(dāng)前第30頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2timetimetimeGCRelayClosedOpenOpen當(dāng)前第31頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)CVrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2RelayClosedOpenOpenCVrampXVin+-Length=K*Vintimetime-+當(dāng)前第32頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)CVrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2+-YXCLength=K*Vin-+當(dāng)前第33頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+當(dāng)前第34頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1000000Numberofinputpulses=0Flip-flop翻轉(zhuǎn)CKCKCKCKCK當(dāng)前第35頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1100000Numberofinputpulses=0QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK翻轉(zhuǎn)當(dāng)前第36頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1010000Numberofinputpulses=1QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第37頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1110000Numberofinputpulses=1QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第38頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1000001Numberofinputpulses=2QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第39頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1100001Numberofinputpulses=2QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第40頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1010001Numberofinputpulses=3QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第41頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1110001Numberofinputpulses=3QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第42頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1000010Numberofinputpulses=4QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第43頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1100010Numberofinputpulses=4QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第44頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Q0Q4Q3Q2Q1010010Numberofinputpulses=5QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK當(dāng)前第45頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+當(dāng)前第46頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LatchInputOutputEnableMemoryelement10當(dāng)前第47頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)InputOutputEnable10111Latch當(dāng)前第48頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)InputOutputEnable1001100Latch當(dāng)前第49頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)InputOutputEnable1011100Latch當(dāng)前第50頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+當(dāng)前第51頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.510-+-+當(dāng)前第52頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.510000001101-+-+當(dāng)前第53頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.5100000011010100011-+-+當(dāng)前第54頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2timetimetimeGCRelayClosedOpenOpenSamplingtime采樣時(shí)間當(dāng)前第55頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)AnaloguetodigitalconversionAnaloguein(Continuousfunction)A-DRamptypeA-Dconverter……Voltage Time DigitsDigitalout(Discretefunction)當(dāng)前第56頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Range范圍ofbinarynumbersMaximumvalueofnumber=2N-1N=Numberofdigits=NumberoflinesForN=2,maximumvalue=112=3ForN=8,maximumvalue=111111112 =255ForN=10,maxvalue=11111111112 =1023當(dāng)前第57頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Designprinciple設(shè)計(jì)原理Maximuminputvoltage(analogue)correspondstoMaximumbinaryoutputvalue(digital)ActualbinaryoutputActualinputvoltageMaxbinaryoutputMaxinputvoltage=Actualbinaryoutput= Vin*(2N–1) Vmax當(dāng)前第58頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)ExampleVoltmeter:8bits=8linesoutofA-DWheninput=10Vbinaryoutputismax.Forinput=4Vwhatisbinaryoutput?

當(dāng)前第59頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)A-DConverterExample1.DrawthewaveformsforVrampandthe voltagesatGandX,showingtime valuesclearly.2.Calculatethebinarynumberproduced onpinsQ0toQ9(tenbits).3.Whatisthemaximuminputvoltagefor whichtheconverterwilloperate correctly?當(dāng)前第60頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+--+當(dāng)前第61頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+--+GCVintimeVrampX當(dāng)前第62頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.5當(dāng)前第63頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515當(dāng)前第64頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37ms當(dāng)前第65頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37ms當(dāng)前第66頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37ms當(dāng)前第67頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Trythefollowing:A-DConverterQuestion1.DrawthewaveformsforVrampandthe voltagesatGandX,showingtime valuesclearly.2.Calculatethebinarynumberproduced onpinsQ0toQ9(tenbits).3.Whatisthemaximuminputvoltagefor whichtheconverterwilloperate correctly?當(dāng)前第68頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+--+當(dāng)前第69頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2當(dāng)前第70頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms212當(dāng)前第71頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms當(dāng)前第72頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms當(dāng)前第73頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms當(dāng)前第74頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)二、雙斜積分型DVM的工作原理當(dāng)前第75頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)二、雙積分型DVM的工作原理固定不變當(dāng)前第76頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)tt0u0t1u01Uomt2t3T1N1T2N2u02當(dāng)前第77頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)固定值若在數(shù)值上取UN=N1（mV），則：UX=N2（mV）當(dāng)前第78頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)雙積分式ADC特點(diǎn)：基于V-T變換的比較測(cè)量原理

一次測(cè)量包括3個(gè)連續(xù)過(guò)程，所需時(shí)間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測(cè)電壓Vx有關(guān)，Vx愈大T2愈大。一般轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十ms至幾百ms，（轉(zhuǎn)換速度為幾次/秒～幾十次/秒），其速度是較低的，常用于高精度慢速測(cè)量的場(chǎng)合。

積分器的R、C元件對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，因而對(duì)元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。

參考電壓VN的精度和穩(wěn)定性對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精密基準(zhǔn)電壓源。（例如，一個(gè)16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率1LSB=1/216=1/65536≈15×10-6，那么，要求基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬(wàn)分之15））當(dāng)前第79頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時(shí)間分辨力（響應(yīng)帶寬）。

如一個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度時(shí)積分器輸出電壓為10V，則ADC的1LSB=10V/216=0.15mV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于0.15mV。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時(shí)響應(yīng)積分器輸出信號(hào)快速（斜率較陡峭）過(guò)零時(shí)的能力。積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力DVM的最大干擾來(lái)自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時(shí)間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號(hào)vsm的平均值為零。雙積分式ADC特點(diǎn)：當(dāng)前第80頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)三、U-F積分型DVM的工作原理被測(cè)電壓通過(guò)積分以后輸出一線性變化的電壓，控制一個(gè)振蕩器，產(chǎn)生與被測(cè)電壓成正比的頻率值，再用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)出電路的頻率值。電壓-頻率（U-F）轉(zhuǎn)換器，由于其電路簡(jiǎn)單，工作可靠，且測(cè)量的是輸入電壓的平均值，所以抑干擾能力強(qiáng)。電壓反饋式U-F轉(zhuǎn)換器的原理框圖當(dāng)前第81頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)U-F轉(zhuǎn)換電路組成原理框圖當(dāng)前第82頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3.U-F轉(zhuǎn)換器實(shí)用電路(1)恢復(fù)型U-F轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第83頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)當(dāng)前第84頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)(2)由單片集成電路構(gòu)成的10kHzU-F轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第85頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.1.3DVM的測(cè)量誤差當(dāng)不在接近滿量程顯示時(shí)，誤差是很大的，為此，當(dāng)測(cè)量小電壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)用較小的量程。當(dāng)前第86頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)當(dāng)前第87頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)DigitalInstrumentsAnaloguevoltageSignalscalingA-DconversionDigitaldisplayTheDigitalVoltmeter數(shù)字電壓表數(shù)字顯示當(dāng)前第88頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)7-SegmentDisplays七段碼顯示當(dāng)前第89頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)7-SegmentDisplays七段碼顯示當(dāng)前第90頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)GND+CommonAnodeConnectionAnodes陽(yáng)極+abcdefg當(dāng)前第91頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)GND+CommonCathodeConnectionCathodes陰極GNDabcdefg當(dāng)前第92頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Whichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?IntegratedCircuitsSmallcurrentout(mA)Largecurrentin(mA)74008051單片機(jī)當(dāng)前第93頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)IntegratedCircuitsWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?5GND74008051單片機(jī)當(dāng)前第94頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)IntegratedCircuitsWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?0+74008051單片機(jī)CommonAnodeisusuallybetter當(dāng)前第95頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Numbers0to9require4bitsUseaDecoder譯碼器tochangefrom4bitsto7lines0=000025=010129=100127-segmenthas7lines當(dāng)前第96頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Binaryvalue譯碼器當(dāng)前第97頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Binaryvalue000000000010當(dāng)前第98頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Binaryvalue011100011117當(dāng)前第99頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)7segmentsdisplaysactuallyhave8segmentsDecimalpoint當(dāng)前第100頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LiquidCrystalDisplays(LCDs)液晶顯示器當(dāng)前第101頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LCDDisplayModuleHitachiHD44780UController控制器RSRWEData當(dāng)前第102頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)HD44780UcontrollerDisplay顯示module當(dāng)前第103頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)固體液晶液體當(dāng)前第104頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Nematic向列態(tài)

liquidcrystalsMolecule分子V旋轉(zhuǎn)當(dāng)前第105頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)NematicliquidcrystalsTwistangleVoltage旋轉(zhuǎn)當(dāng)前第106頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Polariser起偏振器Polariser起偏振器Transparentconductor透明導(dǎo)體TransparentconductorVLCDprinciple當(dāng)前第107頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Lighttransmission光傳播VoltageLight%當(dāng)前第108頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)LCDstructureGlass玻璃LiquidcrystalPolariserConductorsGlass當(dāng)前第109頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)RSRWEDataI/OpinsDB0-DB7RegisterSelectRead/WriteEnablepulse當(dāng)前第110頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)ERWRSDB7DB08051mC=Microcontroller單片機(jī)當(dāng)前第111頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Memoryaddresses內(nèi)存地址intheLCD(16x2type)Position10CursorAddress=4Ah當(dāng)前第112頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Command04hDecrement減少addressShift移動(dòng)=OFFDereliCursorDirection光標(biāo)方向當(dāng)前第113頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)CursorDirection光標(biāo)方向Command05hDecrement減少addressShift移動(dòng)=ONHakan當(dāng)前第114頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Command06hIncrementaddressShift移動(dòng)=OFFDereliCursorDirection光標(biāo)方向當(dāng)前第115頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)Command07hIncrementaddressShift移動(dòng)=ONHakanCursorDirection光標(biāo)方向當(dāng)前第116頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1.單片CMOS雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

7106,7107,7116,MC14433,71352.由A/D轉(zhuǎn)換器為主體構(gòu)成的數(shù)字電壓表4.2直流數(shù)字電壓表3位半數(shù)字電壓表原理框圖當(dāng)前第117頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)電路圖7106型A/D轉(zhuǎn)換器，采用異或門輸出，能驅(qū)動(dòng)液晶LCD，整機(jī)功耗小，成本低，缺點(diǎn)是顯示亮度較低，適宜制作袖珍式數(shù)字電壓表。當(dāng)前第118頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)原理圖時(shí)鐘脈沖發(fā)生器分頻器計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼器異或門相位驅(qū)動(dòng)器邏輯控制器LCD顯示器當(dāng)前第119頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)邏輯及驅(qū)動(dòng)電路圖液晶顯示器采用交流供電的方式當(dāng)前第120頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)雙積分式AD轉(zhuǎn)換器測(cè)量周期三個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零、信號(hào)積分、反向積分199.9當(dāng)前第121頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)邏輯控制器的作用：1.識(shí)別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)，使各模擬開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)，A/D轉(zhuǎn)換能循環(huán)進(jìn)行；2.識(shí)別輸入電壓的極性，同時(shí)控制LCD顯示器的負(fù)號(hào)顯示；3.當(dāng)輸入超量程時(shí)，使千位數(shù)顯示“1”，其他位上的數(shù)碼全部消隱。當(dāng)前第122頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.3多用型數(shù)字電壓表

數(shù)字萬(wàn)用表和普通萬(wàn)用表一樣，它的基本測(cè)量方法是以測(cè)直流電壓的DVM為基礎(chǔ)，通過(guò)各種參數(shù)變換器將其它參數(shù)變換為等效的直流電壓U，通過(guò)測(cè)量U的值來(lái)獲得所測(cè)參數(shù)的數(shù)值。多用型數(shù)字電壓表的轉(zhuǎn)換原理當(dāng)前第123頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1．交流電壓－直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第124頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1．交流電壓－直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換器運(yùn)放式半波檢波原理框圖AC-DC變換電路原理圖當(dāng)前第125頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2．精密全波整流電路精密全波檢波電路原理圖當(dāng)前第126頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3．電阻－直流電壓轉(zhuǎn)換器（R-DCV)

對(duì)于純電阻，可用一個(gè)恒流源流過(guò)被測(cè)電阻，測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電阻阻值。R-U轉(zhuǎn)換器電路原理圖不適合測(cè)小電阻當(dāng)前第127頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)R-U轉(zhuǎn)換器改進(jìn)電路原理圖是一個(gè)恒定電流，可以測(cè)小電阻當(dāng)前第128頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)I-U轉(zhuǎn)換器原理電路原理圖讓被測(cè)電流流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻，再用直流DVM測(cè)量電阻上的電壓。4．直流電流－直流電壓（I-U）轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第129頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4．直流電流－直流電壓（I-U）轉(zhuǎn)換器

基于歐姆定律，將被測(cè)電流通過(guò)已知的取樣電阻，測(cè)量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電流。

為實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測(cè)量，可以選擇不同的取樣電阻。

若采用的電壓量程為200mV，則通過(guò)量程開(kāi)關(guān)選擇取樣電阻分別為1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可測(cè)量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的滿量程電流。當(dāng)前第130頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)多用型數(shù)字電壓表的工作原理框圖當(dāng)前第131頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)二、數(shù)字電壓表的誤差分析DVM的整體誤差：包括固有誤差和附加誤差

讀數(shù)誤差與被測(cè)電壓大小有關(guān)，它包括轉(zhuǎn)換誤差（或稱為刻度誤差）和非線性誤差；1、固有誤差表示在一定測(cè)量條件下DVM本身所固有的誤差，它反映了DVM的性能指標(biāo)。

滿度誤差與被測(cè)電壓大小無(wú)關(guān)，主要由系統(tǒng)漂移引起。當(dāng)前第132頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

指測(cè)量環(huán)境的變化（如溫度漂移）和測(cè)量條件（如被測(cè)電壓的等效信號(hào)源內(nèi)阻）所引起的測(cè)量誤差2、附加誤差由DVM輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起。Rs為輸入電壓Vx的等效信號(hào)源內(nèi)阻，Ri和I0分別為DVM的等效輸入電阻和輸入零電流溫度漂移引起的附加誤差：℃或溫度系數(shù)ppm（百萬(wàn)分之一）表示。當(dāng)前第133頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)[例]一臺(tái)3位半的DVM給出的精度為:±(0.1%讀數(shù)+1字)，如用該DVM的0～20VDC的基本量程分別測(cè)量5.00V和15.00V的電源電壓，試計(jì)算DVM測(cè)量的固有誤差。[解]首先，計(jì)算出“1字”對(duì)應(yīng)的滿度誤差在0～20V量程上，3位半的DVM對(duì)應(yīng)的刻度系數(shù)為0.01V/字，因而滿度誤差“1字”相當(dāng)于0.01V當(dāng)Vx=5.00V時(shí)，固有誤差和相對(duì)誤差分別為：ΔVx＝±(0.1%×5.00V＋0.01V)＝±0.015V當(dāng)Vx=15.00V時(shí)，固有誤差和相對(duì)誤差分別為：ΔVx＝±(0.1%×15.00V＋0.01V)＝±0.025V可見(jiàn)，被測(cè)電壓愈接近滿度電壓，測(cè)量的（相對(duì)）誤差愈小當(dāng)前第134頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)三、電壓測(cè)量的干擾及抑制技術(shù)

干擾是對(duì)有用被測(cè)信號(hào)的擾動(dòng)，特別是當(dāng)被測(cè)信號(hào)較?。ɑ蛭⑷酰r(shí)，干擾的影響顯得更為嚴(yán)重。

因此，必須提高電壓測(cè)量的抗干擾能力，特別是對(duì)于高分辨力高精度的數(shù)字電壓表更為重要。1、干擾的來(lái)源及分類串摸干擾和共摸干擾串摸干擾是指干擾信號(hào)以串聯(lián)疊加的形式對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的干擾；共摸干擾是指干擾信號(hào)同時(shí)作用于DVM的兩個(gè)測(cè)量輸入端。當(dāng)前第135頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)串模干擾起因及特性：⑴可能來(lái)自于被測(cè)信號(hào)源本身（例如，直流穩(wěn)壓電源輸出就存在紋波干擾）；⑵也可能從測(cè)量引線感應(yīng)進(jìn)來(lái)的工頻（50Hz）或高頻干擾(如雷電或無(wú)線電發(fā)射引起的空中電磁干擾)。

就干擾源的頻率來(lái)說(shuō)，可從直流、低頻到超高頻；干擾信號(hào)的波形可以是周期性的或非周期性的，可以是正弦波或非正弦波（如瞬間的尖峰脈沖干擾），甚至完全是隨機(jī)的。各種干擾信號(hào)中，50Hz的工頻干擾是最主要的干擾源。當(dāng)前第136頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

被測(cè)電壓本身就存在共模電壓（被測(cè)電壓是一個(gè)浮置電壓）。如測(cè)量一個(gè)直流電橋的輸出。

當(dāng)被測(cè)電壓與DVM相距較遠(yuǎn)，被測(cè)電壓與DVM的參考地電位不相等，將引起測(cè)量時(shí)的共模干擾。

共模干擾電壓也分直流電壓和交流電壓兩類。共模干擾電壓可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模干擾起因及特性：當(dāng)前第137頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2、串模干擾的誤差分析以積分式DVM為例。設(shè)在被測(cè)電壓Vx上疊加有平均值為零的串模干擾信號(hào)un，即對(duì)輸入電壓定時(shí)(T1)積分結(jié)束時(shí)：tt0u0t1u01Uomt2t3T1N1T2N2當(dāng)前第138頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)為使=0， 由=0，==〉

由=0，==〉因此，只要滿足上面兩個(gè)條件之一，就可使=0

它們是串模干擾抑制的理論依據(jù)。串模抑制比（SMR）。用于定量表示DVM抑制串模干擾的能力。的最大值為：(Un為干擾信號(hào)的幅度)當(dāng)前第139頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)定義SMR：可見(jiàn)，SMR與干擾信號(hào)周期（頻率）有關(guān)。當(dāng)滿足T1=kTn（k為正整數(shù)）時(shí)，SMR=∞(干擾被完全抑制)；

當(dāng)T1一定時(shí)，若Tn愈小（干擾信號(hào)頻率愈高），則SMR愈大；反之，則SMR愈??；

因此，串模干擾的最大危險(xiǎn)在低頻，而50Hz的工頻干擾最為嚴(yán)重。當(dāng)前第140頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3、共模干擾的抑制方法共模干擾電壓Ucm通過(guò)環(huán)路電流I1和I2同時(shí)作用于DVM的H、L端,但是他們對(duì)H、L端的影響量并不相等，從而造成測(cè)量誤差。因此，抑制共模干擾的基本原理是：(1)減小兩路環(huán)路電流；(2)或使共模干擾對(duì)H、L端的影響能互相削弱或抵消。Z1>>Z2當(dāng)前第141頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)由于，故

共模電壓為直流時(shí)（Z2表現(xiàn)為純電阻）,CMR較高;而當(dāng)共模電壓為交流時(shí)(有容抗的并聯(lián)作用，Z2比純電阻時(shí)減小),CMR會(huì)有所降低.3、共模干擾的抑制方法共模抑制比CMR：當(dāng)前第142頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.4頻率的測(cè)量時(shí)間和頻率的定義時(shí)間有兩個(gè)含義：“時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生；“時(shí)間間隔”：即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次頻率的定義：f＝N/T時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。當(dāng)前第143頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.4.1時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)天文時(shí)標(biāo)：世界時(shí)（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級(jí)。歷書(shū)時(shí)（ET）：以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31556925.9747分之一為1秒。參考點(diǎn)為1900年1月1日0時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1×10－9

。于1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)?；谔煳挠^測(cè)的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試計(jì)量中的不足：設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；準(zhǔn)確度有限。當(dāng)前第144頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)原子時(shí)標(biāo)（AT）原子（分子）在能級(jí)躍遷中將吸收(低能級(jí)到高能級(jí))或輻射（高能級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。hfn-m=En-Em式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個(gè)能級(jí)，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。1967年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射的9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。

秒的定義由天文標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了4～5個(gè)量級(jí)，達(dá)5×10-14(相當(dāng)于62萬(wàn)年±1秒)，并仍在提高。當(dāng)前第145頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法頻率的測(cè)量方法可以分為：

各種測(cè)量方法有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。當(dāng)前第146頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.4.2電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率1、電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理：頻率的定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間(1秒)內(nèi)周期性事件重復(fù)的次數(shù)，記為f。若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則該信號(hào)的頻率為：fx=N/T

因此，對(duì)頻率的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)重復(fù)變化的次數(shù)累加計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)值為N，根據(jù)定義可得到被測(cè)信號(hào)頻率值：fx=N/TT=NTx當(dāng)前第147頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.4.2電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率取樣時(shí)間基準(zhǔn)T的產(chǎn)生：一般選用頻率穩(wěn)定度良好的石英晶體諧振器來(lái)產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)．它在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度可以達(dá)到10-9量級(jí)。T=N0T0當(dāng)前第148頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)與門TxTTxTABCNfx或門TxTTxTfxBCNA這種測(cè)量方法又稱為門控計(jì)數(shù)法。

將被測(cè)的周期性信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后形成的同周期的脈沖序列fx，通過(guò)一個(gè)“閘門”送入計(jì)數(shù)器，并由一個(gè)“門控”信號(hào)控制閘門的開(kāi)啟（計(jì)數(shù)允許）與關(guān)閉（計(jì)數(shù)停止）。4.4.2電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率當(dāng)前第149頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)TxuxuaubucTxTxTuxfxfc計(jì)數(shù)式頻率計(jì)組成框圖主要由：輸入電路、時(shí)基電路、計(jì)數(shù)顯示電路和控制電路4部分組成。當(dāng)前第150頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)電子計(jì)數(shù)器是指能完成頻率測(cè)量、時(shí)間測(cè)量、計(jì)數(shù)等功能的所有電子測(cè)量?jī)x器的通稱。最基本的測(cè)量功能：測(cè)頻、測(cè)周和測(cè)時(shí)間間隔當(dāng)前第151頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1.頻率測(cè)量原理頻率測(cè)量原理圖當(dāng)前第152頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2.周期測(cè)量原理周期測(cè)量原理圖當(dāng)前第153頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

由頻率測(cè)量表達(dá)式：fx=N/T，計(jì)數(shù)法測(cè)頻的誤差主要由兩項(xiàng)組成：即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)誤差和閘門時(shí)間誤差兩部分。據(jù)誤差傳遞公式，即:4.4.3電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率誤差分析當(dāng)前第154頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1、量化誤差(±1誤差):

由于主門開(kāi)啟時(shí)刻的不同引起的計(jì)數(shù)值N多1個(gè)或少1個(gè)的±1誤差,是對(duì)頻率量化時(shí)帶來(lái)的誤差，故成為量化誤差或±1誤差。當(dāng)前第155頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)量化誤差分析:當(dāng)前第156頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)①②③④

可以看出，閘門時(shí)間相對(duì)誤差在數(shù)值上等于晶體振蕩器振蕩頻率的相對(duì)誤差，故稱標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差或時(shí)基誤差。

閘門時(shí)間T由內(nèi)部晶體振蕩器（標(biāo)準(zhǔn)頻率源）分頻后產(chǎn)生。因此，晶體振蕩器振蕩頻率的準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響測(cè)量結(jié)果。2閘門時(shí)間誤差(標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)當(dāng)前第157頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3誤差表達(dá)式:當(dāng)前第158頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)[例]被測(cè)頻率fx＝1MHz，選擇閘門時(shí)間Ts＝1s，則由±1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差(不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)為：若Ts增加為10s，則計(jì)數(shù)值增加10倍，相應(yīng)的測(cè)頻誤差也降低10倍，為±1×10－7，但測(cè)量時(shí)間將延長(zhǎng)10倍。注意：該例中，當(dāng)選擇閘門時(shí)間Ts＝1s時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于±1×10－7（即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級(jí)），否則，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測(cè)量誤差中不能忽略。當(dāng)前第159頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4結(jié)論：提高頻率測(cè)量精度的措施：⑴提高晶振頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以減少閘門時(shí)間誤差；⑵擴(kuò)大閘門時(shí)間T或倍頻被測(cè)信號(hào)以減少量化誤差；⑶被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，可采用測(cè)周期的方法測(cè)量。

但需注意：增大閘門時(shí)間將降低測(cè)量速度，并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無(wú)法顯示）。例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999，當(dāng)用T=1s的閘門測(cè)量fx=1MHz時(shí),應(yīng)顯示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,顯然溢出當(dāng)前第160頁(yè)\共有181頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)4.4.4用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)量頻率比據(jù)此，若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比（假設(shè)fA>fB