電子測(cè)量原理課件第五章

電子測(cè)量原理課件第五章第1頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）電壓測(cè)量的重要性◆電壓測(cè)量是電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ),具體有：A電測(cè)量中，許多電量的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量：表征電信號(hào)能量的三個(gè)基本參數(shù)：電壓、電流、功率 其中：電流、功率——〉電壓，再進(jìn)行測(cè)量B電路工作狀態(tài)： 飽和與截止，線性度、失真度——〉電壓表征C非電測(cè)量中，物理量——〉電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量

如：溫度、壓力、振動(dòng)、（加）速度5.1概述5.1.1電壓測(cè)量的意義、特點(diǎn)第2頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）電壓測(cè)量的特點(diǎn)1.頻率范圍廣：零頻（直流）～109Hz

低頻：1MHz以下；高頻（射頻）：1MHz以上。2.測(cè)量范圍寬

微弱信號(hào):心電醫(yī)學(xué)信號(hào)、地震波等,納伏級(jí)(10-9V）；超高壓信號(hào)：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。3.電壓波形的多樣化

電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體。 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機(jī)噪聲。第3頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.阻抗匹配

被測(cè)信號(hào)接入電壓測(cè)量?jī)x器后，儀器等效輸入阻抗將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

直流測(cè)量中，輸入阻抗與被測(cè)信號(hào)源等效內(nèi)阻形成分壓，使測(cè)量結(jié)果偏小。 如：采用電壓表與電流表測(cè)量電阻， 當(dāng)測(cè)量小電阻時(shí)，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當(dāng)測(cè)量大電阻時(shí)，應(yīng)采用電流表串聯(lián)方案。

交流測(cè)量中，輸入阻抗的不匹配引起信號(hào)反射。第4頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.測(cè)量精度的要求差異很大 工業(yè)測(cè)控場(chǎng)合有時(shí)只是需要監(jiān)測(cè)電壓的大致范圍，其精度較低，高精度測(cè)量有時(shí)則要達(dá)到10-1至10-9精度。6.測(cè)量速度的要求差異很大 靜態(tài)測(cè)量：直流（慢變化信號(hào)）,幾次/秒;

動(dòng)態(tài)測(cè)量：高速瞬變信號(hào),數(shù)億次/秒(幾百M(fèi)Hz)精度與速度存在矛盾，應(yīng)根據(jù)需要而定。7.抗干擾性能 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，存在較大的干擾。電壓測(cè)量要特別重視抗干擾措施，提高測(cè)量?jī)x器的抗干擾能力。第5頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2電壓測(cè)量的方法和分類電壓測(cè)量方法的分類

·按對(duì)象：直流電壓測(cè)量；交流電壓測(cè)量

·按技術(shù)：模擬測(cè)量；數(shù)字測(cè)量1）交流電壓的模擬測(cè)量方法 表征交流電壓的三個(gè)基本參量：有效值、峰值和平均值。以有效值測(cè)量為主。 方法：交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電流--〉驅(qū)動(dòng)表頭--〉指示

——有效值、峰值和平均值電壓表，電平表等。第6頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）數(shù)字化直流電壓測(cè)量方法 模擬直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示（直觀）

——數(shù)字電壓表（DVM），數(shù)字多用表（DMM）。3）交流電壓的數(shù)字化測(cè)量 交流電壓（有效值、峰值和平均值）--〉直流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉數(shù)字量--〉數(shù)字顯示

——DVM（DMM）的擴(kuò)展功能。第7頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）基于采樣的交流電壓測(cè)量方法 交流電壓--〉A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器--〉瞬時(shí)采樣值u(k)--〉計(jì)算，如有效值 式中，N為u(t)的一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。5）示波測(cè)量方法 交流電壓--〉模擬或數(shù)字示波器--〉顯示波形--〉讀出結(jié)果第8頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．2電壓標(biāo)準(zhǔn)

5.2.1直流電壓標(biāo)準(zhǔn) 電壓和電阻是電磁學(xué)中的兩個(gè)基本量。 其他電磁量基準(zhǔn)可由電壓基準(zhǔn)和電阻基準(zhǔn)導(dǎo)出。電壓標(biāo)準(zhǔn)有： 標(biāo)準(zhǔn)電池（實(shí)物基準(zhǔn)，10-6）； 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)（固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，10-6）； 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)（量子化自然基準(zhǔn)，10-10）。電阻標(biāo)準(zhǔn)有： 精密線繞電阻（實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)）； 霍爾電阻基準(zhǔn)（量子化自然基準(zhǔn)，10-9）。第9頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1直流電壓標(biāo)準(zhǔn)1.標(biāo)準(zhǔn)電池

原理：利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動(dòng)勢(shì)（1.01860V）。有飽和型和不飽和型兩種類型。

飽和型特點(diǎn)：電動(dòng)勢(shì)非常穩(wěn)定（年穩(wěn)定性可小于0.5μV，相當(dāng)于5×10-7），但溫度系數(shù)較大（約－40μV/℃）。用于計(jì)量部門恒溫條件下的電壓標(biāo)準(zhǔn)器。

不飽和型特點(diǎn)：溫度系數(shù)很?。s－4μV/℃），但穩(wěn)定性較差。用于一般工作量具，如實(shí)驗(yàn)室中常用的便攜式電位差計(jì)。第10頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月使用中應(yīng)注意：

1）不能傾倒；不能震動(dòng)、沖擊（不易運(yùn)輸）。

2）溫度修正（特別是對(duì)飽和型）。

“溫度—電動(dòng)勢(shì)”修正公式：

式中，Et、E20分別為t℃（使用時(shí)的溫度）和20℃（出廠檢定時(shí)溫度）時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)。

3）標(biāo)準(zhǔn)電池存在內(nèi)阻，儀表輸入電阻應(yīng)較大。第11頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)

原理 利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電子式電壓標(biāo)準(zhǔn)（也稱為固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)）。齊納管的穩(wěn)壓特性仍然存在受溫度漂移的影響，采用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部恒溫控制電路可使其溫度系數(shù)非常小。將齊納管與恒溫控制電路集成在一起的精密電壓基準(zhǔn)源，如LM199/299/399、REF系列。

第12頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為克服輸出電壓的波動(dòng)，還可將多個(gè)精密電壓基準(zhǔn)源并聯(lián)，得到它們的平均值。第13頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上圖中，假設(shè)運(yùn)放是理想的， 則流入運(yùn)放同相端電流I+=0，即

若R1=R2=R3=R4，則

而輸出電壓

第14頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)器整機(jī)輸出電壓有：

10V、1V和1.0186V。

10V輸出便于檢定和傳遞到高電壓，且運(yùn)輸、保存和使用方便。 如WUK7000系列直流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)：

10V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá)0.5×10-6

；

1V和1.018V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá)到2×10-6，溫度系數(shù)為0.05×10-6。第15頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)

原理基于約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)的量子電壓基準(zhǔn)約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森隧道結(jié)：在兩塊相互隔開（約10埃的絕緣層）的超導(dǎo)體之間，由于量子隧道效應(yīng)，超導(dǎo)電流（約mA量級(jí)）可以穿透該絕緣層，使兩塊超導(dǎo)體之間存在微弱耦合，這種超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（SIS）結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫森隧道結(jié)。約瑟夫森效應(yīng)：當(dāng)在約瑟夫森結(jié)兩邊加上電壓V時(shí)，將得到穿透絕緣層的超導(dǎo)電流，這是一種交變電流，這種現(xiàn)象稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。第16頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月約瑟夫森電壓基準(zhǔn)根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)，通過(guò)時(shí)間（頻率）單位得到量子化電壓基準(zhǔn)。由穩(wěn)定的頻率（f）—〉確定電壓V。 量子化電壓基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度可接近時(shí)間（頻率）準(zhǔn)確度。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的建議：從1990年1月1日開始，在世界范圍內(nèi)同時(shí)啟用了約瑟夫森電壓量子基準(zhǔn)（JJAVS，10-10）。第17頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月我國(guó)的約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)量子部建立。1993年底，1V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，測(cè)量不確定度達(dá)到6×10-9

；1999年底，10V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，合成不確定度為5.4×10-9(1σ)。應(yīng)用：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電池、固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞，高精度數(shù)字多用表等的計(jì)量檢定，測(cè)量不確定度為1×10-8)。第18頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2交流電壓標(biāo)準(zhǔn)原理由直流電壓標(biāo)準(zhǔn)建立。因而，需經(jīng)過(guò)交流-直流變換。測(cè)熱電阻橋式高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)基本原理：將高頻電壓通過(guò)一電阻（稱為測(cè)熱電阻，如熱敏電阻），該電阻由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化，再將一標(biāo)準(zhǔn)直流電壓同樣施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高頻電壓的有效值就等于該直流電壓。第19頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙測(cè)熱電阻電橋的原理圖

如圖：標(biāo)準(zhǔn)電阻(如R=200Ω)組成三個(gè)橋臂，兩個(gè)完全相同的測(cè)熱電阻RT（如RT=100Ω）組成一個(gè)橋臂。測(cè)量過(guò)程

1.電橋置于“DC”（直流）。調(diào)節(jié)直流電壓源到V0，使電橋平衡，則測(cè)熱電阻2RT=R。

2.置于“RF”（射頻，即高頻電壓，設(shè)有效值為VRF）。此時(shí)，測(cè)熱電阻上同時(shí)施加有交流和直流功率，兩測(cè)熱電阻RT對(duì)交流為并聯(lián)，對(duì)直流為串聯(lián)。再次調(diào)節(jié)直流電壓源到V1，使電橋平衡。由兩次電橋平衡的功率關(guān)系，有：高頻電壓有效值為：第20頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)上述電路的要求1兩個(gè)測(cè)熱電阻的一致性好(阻值和溫度特性相同)；2檢流計(jì)要非常靈敏(特別是測(cè)量小的高頻電壓時(shí))；3隔直電容C應(yīng)保證滿足：，使交流功率在電容C上的損耗可以忽略。測(cè)熱電阻電橋的缺點(diǎn)測(cè)熱電阻對(duì)環(huán)境溫度敏感，操作較復(fù)雜；一般不能直接讀數(shù)（需換算）。準(zhǔn)確度：若直流電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度為10-5，則得到的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度可達(dá)10-3

。應(yīng)用：對(duì)模擬電壓表檢定。第21頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．3交流電壓的測(cè)量

5．3．1表征交流電壓的基本參量峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。1峰值以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示）。 注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）。第22頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2平均值（均值）數(shù)學(xué)上定義為：相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。交流電壓測(cè)量中，平均值通常指經(jīng)過(guò)全波或半波整流后的波形（一般若無(wú)特指，均為全波整流）：對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T第23頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3有效值定義：交流電壓u(t)在一個(gè)周期T內(nèi)，通過(guò)某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。表達(dá)式： 直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT=

交流電壓u(t)在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q~=

由Q_=Q~得，有效值第24頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有效值意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T

第25頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4波峰因數(shù)和波形因數(shù)波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(ωt)，若ω=2π/T第26頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表(P188)得到： 如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波：Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp=，KF=，為脈沖寬度，T為周期

白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。第27頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．3．2交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析

模擬電壓表的交流電壓測(cè)量原理：

交流電壓--〉直流電壓（有效值、峰值和平均值）

--〉直流電流驅(qū)動(dòng)表頭--〉指示。交流電壓--〉有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為檢波或AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實(shí)現(xiàn)。一、交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理第28頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）峰值檢波原理 由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。如下圖。二極管峰值檢波電路(a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形)第29頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二極管峰值檢波電路工作原理通過(guò)二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時(shí)“保持”該峰值。 為此，要求：

即滿足電容C上的快速充電和慢速放電的需求

式中，Rs和rd分別為等效信號(hào)源u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮?，C為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負(fù)載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動(dòng)，其平均值略小于實(shí)際峰值。第30頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)平均值檢波原理由二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測(cè)輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無(wú)關(guān)）。（電容C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動(dòng)）第31頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以全波整流電路為例，I0的平均值為式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度）。于是，I0的平均值與u(t)的平均值成正比。

第32頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)有效值檢波原理方法1：利用二極管平方律伏安特性檢波檢波原理：根據(jù)為得到有效值,首先需對(duì)u(t)平方。小信號(hào)時(shí)二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。缺點(diǎn)：精度低且動(dòng)態(tài)范圍小。第33頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方法2：利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波原理圖通過(guò)多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn) 模擬乘法器（平方）—〉積分—〉開方—〉比例運(yùn)算。單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。第34頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方法3：利用熱電偶有效值檢波熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。熱電效應(yīng)原理圖當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)（即T≠T0），則存在熱電動(dòng)勢(shì)，且熱電動(dòng)勢(shì)的大小與溫差ΔT=T-T0成正比。第35頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對(duì)熱電偶（簡(jiǎn)稱熱偶）。熱電偶溫度測(cè)量原理：若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過(guò)熱電動(dòng)勢(shì)就可得到熱端（被測(cè)溫度點(diǎn)）的溫度。熱電偶有效值檢波原理： 若通過(guò)被測(cè)交流電壓對(duì)熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動(dòng)勢(shì)將反映該交流電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。第36頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值V的關(guān)系：電流I∝?zé)犭妱?dòng)勢(shì)∝?zé)岫伺c冷端的溫差，而熱端溫度∝u(t)功率∝u(t)的有效值U的平方，故，

I和U的關(guān)系為非線性，不利于檢波。熱電偶有效值檢波原理圖2IUμ第37頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表頭刻度線性化處理：采用兩對(duì)相同的熱電偶，分別稱為測(cè)量熱電偶和平衡熱電偶，形成一個(gè)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。Ex=k1U2

；Ef=k2Uo2

；假如兩對(duì)熱偶具有相同特性，即k1=k2=k，==〉則差放輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(U2-Uo2)放大器增益足夠大則有Vi=0,=〉Uo=U

即輸出電壓等于u(t)有效值U，從而實(shí)現(xiàn)了有效值電壓表的線性化刻度，有效值電壓表的讀數(shù)為被測(cè)電壓的有效值。U0第38頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有效值電壓表的特點(diǎn)1理論上不存在波形誤差，因此也稱真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無(wú)關(guān)）。對(duì)非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，若其有效值分別為V1,V2,V3、……，則讀數(shù)2但實(shí)際有效值電壓表，下面兩種情況使讀數(shù)偏?。?對(duì)于波峰因數(shù)較大的交流電壓波形，由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)“削波”；高于電壓表有效帶寬的波形分量將被抑制。它們都將損失有效值分量。3缺點(diǎn)：受環(huán)境溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。*實(shí)際應(yīng)用中，常采用峰值或均值電壓表測(cè)有效值。第39頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析

原理峰值響應(yīng)，即：u(t)峰值檢波放大驅(qū)動(dòng)表頭刻度特性表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。

對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)α換算出峰值和有效值。第40頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刻度特性由讀數(shù)α換算出峰值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即第二步，將V~轉(zhuǎn)換為該純正弦波的峰值第三步，假設(shè)峰值等于Vp~的被測(cè)波形（任意波）輸入，即 注：“對(duì)于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等”。第四步，由，再根據(jù)該波形的波峰因數(shù)（查表可得），其有效值~Va=~V第41頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上述過(guò)程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：該式表明：對(duì)任意波形，欲從讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。第42頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刻度特性綜上所述，對(duì)于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)α沒有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，α為峰值電壓表讀數(shù)，Kp為波峰因數(shù)。波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差：第43頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析

原理均值響應(yīng)，即：u(t)放大均值檢波驅(qū)動(dòng)表頭刻度特性表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此： 當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)α即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的均值）。

對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)α換算出均值和有效值。第44頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由讀數(shù)α換算出均值和有效值的換算步驟如下：第一步，把讀數(shù)α想象為有效值等于α的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即第二步，由計(jì)算該純正弦波均值第三步，假設(shè)均值等于的被測(cè)波形（任意波）輸入，即 注：“對(duì)于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等”。第四步，由，再根據(jù)該波形的波形因數(shù)（查表可得），其有效值第45頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上述過(guò)程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下：上式表明，對(duì)任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)α得到有效值，需將α乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)α即為正弦波的有效值）。

第46頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述，對(duì)于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)α沒有直接意義，由讀數(shù)α到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，α為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形因數(shù)。波形誤差。若將讀數(shù)α直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差第47頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）實(shí)例分析

[例1]用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問(wèn)如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？[解]根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)α=1.0V， 第一步,假設(shè)電壓表有一正弦波輸入,其有效值=1.0V； 第二步,該正弦波的峰值=1.4V； 第三步,將方波電壓引入電壓表輸入,其峰值Vp=1.4V； 第四步，查表可知，方波的波峰因數(shù)Kp=1，則該方波的有效值為： V=Vp/Kp=1.4V。 波形誤差為：(可見若不換算，波形誤差是很大的)第48頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[例2]用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問(wèn)該方波電壓的有效值為多少？[解]根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)α=1.0V， 第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入， 其有效值=1.0V； 第二步，該正弦波的均值=0.9α=0.9V； 第三步，將方波電壓引入電壓表輸入， 其均值0.9V； 第四步，查表可知，方波的波形因數(shù)=1，則該方波的有效值為: 0.9V。 波形誤差為 第49頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．3．3模擬式交流電壓表模擬電壓表組成方案檢波器是實(shí)現(xiàn)交流電壓測(cè)量（AC-DC變換）的核心部件，同時(shí)，為了測(cè)量小信號(hào)電壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件。組成方案有兩種類型： 一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式； 一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。模擬電壓表的兩個(gè)重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)第50頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）檢波-放大式電壓表a.組成框圖;b.提高靈敏度措施檢波器決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。峰值電壓表常用這種類型。第51頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一檢波器為提高頻率范圍，采用超高頻二極管檢波，其頻率范圍可從直流到幾百兆赫，并具有較高的輸入阻抗。檢波二極管的正向壓降限制了其測(cè)量小信號(hào)電壓的能力（即靈敏度限制）,同時(shí)，檢波二極管的反向擊穿電壓對(duì)電壓測(cè)量的上限有所限制。為減小高頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失，通常將峰值檢波器直接設(shè)計(jì)在探頭中。二放大器采用橋式直流放大器，它具有較高的增益。直流放大器的零點(diǎn)漂移也將影響電壓表的靈敏度。第52頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三主要指標(biāo)：檢波-放大式電壓表常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表”。如國(guó)產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10kHz～1000MHz，電壓范圍（不加分壓器）1mV～10V。國(guó)產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表（調(diào)制式），最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。

第53頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）放大-檢波式電壓表組成框圖

特點(diǎn)：先放大再檢波，因此靈敏度很高。均值電壓表常用這種方式。放大器：為寬帶交流放大器，決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表”。這種電壓表具有較高靈敏度，但仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。第54頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）分貝測(cè)量及寬頻電平表

分貝聲學(xué)中，分貝是表示音量強(qiáng)弱的一個(gè)單位。通信系統(tǒng)中，也常用分貝表示電平或功率。當(dāng)用分貝表示功率時(shí)，定義為：當(dāng)用分貝表示電壓時(shí)，由功率與電壓的關(guān)系：和當(dāng)R1=R2時(shí)，有第55頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)上式，分貝是一個(gè)用對(duì)數(shù)表示的相對(duì)量值（記作dB），如果相對(duì)于一個(gè)確定的參考基準(zhǔn)量，此時(shí)的分貝值則表示了一個(gè)絕對(duì)電平。若P2=P0（基準(zhǔn)量），并取P0=1mW；P1=被測(cè)功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標(biāo)m指示以mW為單位表示被測(cè)功率絕對(duì)值）。則功率電平：

顯然，當(dāng)Px=P0=1mW為0dBm時(shí)，若Px>1mW，分貝值為正，若Px<1mW，分貝值為負(fù)。第56頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)于電壓電平：以600Ω電阻上吸收P0=1mW的基準(zhǔn)功率時(shí)電壓的有效值為參考基準(zhǔn)量V0。由于

因此，取基準(zhǔn)量V0=0.775V，其分貝值用dB或dBV表示（下標(biāo)V指示以V為單位表示被測(cè)電壓絕對(duì)值）。對(duì)于任意被測(cè)電壓Vx，其電壓電平定義為和Vx(v)∽Pv（dBv）之間可換算或查表。第57頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月寬頻電平表具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為“寬頻電平表”。在均值電壓表（放大-檢波式）基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。組成框圖：第58頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輸入衰減器上用dB表示“輸入電平”選擇，衰減步進(jìn)為10dB，相當(dāng)于衰減倍,（）。輸入衰減器可用標(biāo)準(zhǔn)電平振蕩器校準(zhǔn)?？筛鶕?jù)測(cè)量時(shí)的阻抗匹配原則選擇“輸入阻抗”（一般有75Ω/150Ω/600Ω/高阻共4檔）。寬帶放大器上還有“電平校準(zhǔn)”旋鈕，用于調(diào)節(jié)放大器增益。表頭刻度為dB，可以是dBV（測(cè)量電壓電平）或dBm（測(cè)量功率電平）兩者之一，也可以是兩者兼容。第59頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月寬頻電平表刻度特性及dB值的讀出:

電壓電平測(cè)量：表頭標(biāo)定時(shí)選擇輸入阻抗600Ω，則對(duì)應(yīng)的0dB電壓為0.775V（有效值）。通常0dB約在表頭指針滿刻度的2/3左右，0dB的左邊為-dB（<0.775V）,0dB的右邊為+dB（>0.775V）。表頭讀數(shù)只能表示輸入無(wú)衰減且交流放大器增益為1時(shí)被測(cè)電壓的分貝值。當(dāng)引入衰減和放大后，被測(cè)電壓的dB值應(yīng)為： 衰減器讀數(shù)＋表頭讀數(shù)。第60頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

功率電平的測(cè)量：實(shí)際上是對(duì)阻抗兩端電壓電平的測(cè)量。

“零刻度基準(zhǔn)阻抗”：與1mW基準(zhǔn)功率對(duì)應(yīng)的阻抗Z0

，取為600Ω。此時(shí)表頭的功率電平刻度與電壓電平刻度一致（實(shí)際表頭的功率電平刻度就是按600Ω“零刻度基準(zhǔn)阻抗”定度的）。若選擇輸入阻抗Zi＝600Ω，就可直接從表頭讀出功率電平值。當(dāng)Zi≠600Ω時(shí)，則應(yīng)根據(jù)讀出的電壓電平換算出功率電平，其換算公式為：第61頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4電壓表的使用了解不同電壓表的性能特點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合加以選用。1）峰值電壓表特點(diǎn)：檢波-放大式。峰值響應(yīng)、頻率范圍較寬（達(dá)1000MHz）但靈敏度低（mV級(jí)）。讀數(shù)的換算：根據(jù)波峰因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值（或峰值）。需注意：測(cè)量波峰因數(shù)大的非正弦波時(shí)，由于削波可能產(chǎn)生誤差。第62頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）均值電壓表放大-檢波式。均值響應(yīng)、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較?。?lt;10MHz），主要用于低頻和視頻場(chǎng)合。讀數(shù)的換算：根據(jù)波形因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值（或均值）。3）有效值電壓表可以直接讀出有效值，非常方便。由于削波和帶寬限制，將可能損失一部分被測(cè)信號(hào)的有效值，帶來(lái)負(fù)的測(cè)量誤差。較為復(fù)雜，價(jià)格較貴。第63頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）寬頻電平表以分貝表示的功率電平和電壓電平。電壓電平：步進(jìn)衰減器讀數(shù)＋表頭讀數(shù)。功率電平：當(dāng)輸入阻抗等于表頭標(biāo)定時(shí)采用的零刻度基準(zhǔn)阻抗600Ω時(shí)，功率電平與電壓電平具有相同的表頭刻度。否則，需用進(jìn)行修正。第64頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．4直流電壓的數(shù)字化測(cè)量及A/D轉(zhuǎn)換原理

5．4．1DVM的組成原理及主要性能指標(biāo)1）DVM的組成數(shù)字電壓表（DigitalVoltageMeter，簡(jiǎn)稱DVM）。組成框圖第65頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(duì)輸入電壓衰減/放大、變換等。核心部件是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。第66頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用直流或慢變化電壓信號(hào)的測(cè)量（通常采用高精度低速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，DigitalMultiMeter）。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)。第67頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）主要性能指標(biāo)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)：在最高位上只能顯示0和1。

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。第68頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月量程基本量程：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)展其他量程。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。第69頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分辨力指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。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(cè)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(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字”）。第70頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用百分?jǐn)?shù)表示分辨率：與量程無(wú)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：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。第71頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(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：式中,Vx:被測(cè)電壓的讀數(shù)；Vm:該量程的滿度值；：誤差的相對(duì)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(wú)關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。第72頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

注意：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。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(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。第73頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2A/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、零平衡式）等。第74頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）逐次逼近比較式ADC基本原理：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。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：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(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。第75頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如只取前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(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：第76頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Vx＝5V（首先，取5V項(xiàng)，由于5V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’1’）

+2.5V（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’1’）

+0V （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’0’）

+0.625V（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’1’）≈8.125V（得到最后逼近結(jié)果）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’。第77頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為

8.125V－8.5V＝-0.375V。顯然，當(dāng)Vx＝(8.125V～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。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。第78頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月逐次逼近比較式ADC原理框圖圖中，SAR為逐次逼近移位寄存器，SAR在時(shí)鐘CLK作用下，對(duì)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。第79頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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，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=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。第80頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如上面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。常見的產(chǎn)品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。

第81頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）單斜式ADC斜波發(fā)生器產(chǎn)生斜波電壓與輸入比較器（Vx）和接地（0V）比較器比較。比較器的輸出觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到時(shí)間為T的門控信號(hào)。在門控時(shí)間T內(nèi)，計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，即T=NT0，T0為時(shí)鐘信號(hào)周期。計(jì)數(shù)結(jié)果N即表示了A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果。

(式中，k為斜波電壓的斜率，單位為V/秒)第82頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月波形圖第83頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作原理斜波發(fā)生器：通常由積分器對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓Vr積分產(chǎn)生，斜率為：(式中RC為積分電阻和電容)

將代入得，式中， 為定值，于是，即，可用計(jì)數(shù)結(jié)果的數(shù)字量N表示輸入電壓Vx。特點(diǎn)、應(yīng)用線路簡(jiǎn)單，成本低。轉(zhuǎn)換速度：門控時(shí)間T即為單斜式ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間，取決于斜波電壓的斜率，并與被測(cè)電壓值有關(guān)，在滿量程時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)，即轉(zhuǎn)換速度最慢?？蓱?yīng)用于精度和速度要求不高的DVM中。第84頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[例]設(shè)一臺(tái)基于單斜A/D轉(zhuǎn)換器的4位DVM，基本量程為10V，斜波發(fā)生器的斜率為10V/100ms，試計(jì)算時(shí)鐘信號(hào)頻率。若計(jì)數(shù)值N=5123，則被測(cè)電壓值是多少？[解]4位DVM即具有4位數(shù)字顯示，亦即計(jì)數(shù)器的最大值為9999。滿量程10V,斜波發(fā)生器的斜率為10V/100ms，則10V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間即門控時(shí)間為100ms。即在100ms內(nèi)計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為10000（最大計(jì)數(shù)值為9999）。于是，時(shí)鐘信號(hào)頻率為若計(jì)數(shù)值N=5123，則門控時(shí)間為又由斜率k=10V/100ms，即可得被測(cè)電壓為顯然，計(jì)數(shù)值即表示了被測(cè)電壓的數(shù)值，而顯示的小數(shù)點(diǎn)位置與選用的量程有關(guān)。第85頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）雙積分式ADC

基本原理：通過(guò)兩次積分過(guò)程(“對(duì)被測(cè)電壓的定時(shí)積分和對(duì)參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測(cè)電壓值。原理框圖包括積分器、過(guò)零比較器、計(jì)數(shù)器及邏輯控制電路。下圖a.原理框圖，b.工作波形圖。

第86頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主門計(jì)數(shù)器邏輯控制電路數(shù)字輸出時(shí)鐘S1S2CRVx-VrVr積分器比較器-+-+S1S2Vot0t1復(fù)零t2t3VoVomT1T2N1N2t積分波形計(jì)數(shù)器輸入a.b.清零T’0f0T’011T0第87頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作過(guò)程

(1)復(fù)零階段（t0~t1）。開關(guān)S2接通T0時(shí)間，積分電容C短接，使積分器輸出電壓Vo回到零（Vo=0）。(2)對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分(t1~t2)。接入被測(cè)電壓（設(shè)Vx為正），則積分器輸出Vo從零開始線性地負(fù)向增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間T1，Vo達(dá)到最大Vom，

(3)對(duì)參考電壓反向定值積分(t2~t3)。接入?yún)⒖茧妷?若Vx為正，則接入-Vr)，積分器輸出Vo從Vom開始線性地正向增長(zhǎng)(與Vx的積分方向相反)直至零。第88頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月或

式中，為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（“V/字”）?？梢娪?jì)數(shù)結(jié)果N2（數(shù)字量）即可表示被測(cè)電壓Vx，N2即為雙積分A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。此時(shí)，過(guò)零比較器翻轉(zhuǎn)。經(jīng)歷的反向積分時(shí)間為T2，則有：將Vom代入可得：由于T1、T2是通過(guò)對(duì)同一時(shí)鐘信號(hào)（設(shè)周期T0）計(jì)數(shù)得到（設(shè)計(jì)數(shù)值分別為N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是第89頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙積分式ADC特點(diǎn)：

1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。

2參考電壓Vr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））。

3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。如輸入電壓vx=Vx+vsm，則T1階段結(jié)束時(shí)積分器的輸出為第90頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．5電流、電壓、阻抗變換技術(shù)

及數(shù)字多用表5．5．1電流、電壓、阻抗變換技術(shù)AC/DC變換將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V變換基于歐姆定律，將被測(cè)電流通過(guò)一個(gè)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。第91頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖，假如變換后采用的電壓量程為200mV，則通過(guò)量程開關(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。第92頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Z/V變換同樣基于歐姆定律。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。而對(duì)于電感、電容參數(shù)的測(cè)量，則需采用交流參考電壓，并將實(shí)部和虛部分離后分別測(cè)量得到。(第六章介紹)

第93頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a.實(shí)現(xiàn)R/V變換的簡(jiǎn)單原理b.通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量的R/V變換如圖，直接通過(guò)恒流源Ir流過(guò)被測(cè)電阻Rx，并對(duì)Rx兩端的電壓放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)不同量程電阻的測(cè)量，要求恒流源可調(diào)。

圖a對(duì)于大電阻的測(cè)量不利，因?yàn)橐蟮暮懔髟措娏鱅r很小，對(duì)測(cè)量精度影響較大。第94頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖b中，將被測(cè)電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過(guò)一個(gè)已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr如圖，放大器輸出,于是如果將Vo作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即可實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量。恒流源(可調(diào))A/D-+AmpIrVrR1Rx精密電阻VoVr第95頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．5．2數(shù)字多用表組成框圖數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)DVM的功能擴(kuò)展。DMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測(cè)量。測(cè)量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)3位半-8位半。第96頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn)一般內(nèi)置有微處理器?？蓪?shí)現(xiàn)開機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動(dòng)測(cè)量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)字多用表的使用(測(cè)電阻)二端法和四端法測(cè)電阻。如下圖（圖中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4為等效導(dǎo)線電阻和接觸電阻）。第97頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

a.二端法 b.四端法圖a中，實(shí)際測(cè)量得到的電阻值為Rx+Rl1+Rl2（即包含了引線電阻和接觸電阻），使測(cè)量值偏大。適合測(cè)量大電阻。圖b中，為了提高小電阻測(cè)量精度，采用四端法。第98頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．6數(shù)字電壓表誤差分析及自動(dòng)化技術(shù)5．6．1DVM的誤差分析1DVM的整體誤差包括固有誤差和附加誤差。（需誤差合成）。

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)。

附加誤差指測(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。第99頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)固有誤差用或表示。

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；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。

轉(zhuǎn)換誤差表示了從輸入衰減/放大器（設(shè)傳遞系數(shù)分別為k1和k2）、模擬開關(guān)（傳遞系數(shù)k3）到A/D轉(zhuǎn)換器（傳遞系數(shù)k4）的轉(zhuǎn)換特性。將DVM的輸入Vx到最終轉(zhuǎn)換結(jié)果N視為一個(gè)由k1~k4的多級(jí)級(jí)連系統(tǒng)，則

式中，即為DVM的“轉(zhuǎn)換系數(shù)”，它是刻度系數(shù)e（V/字）的倒數(shù)。理論上，轉(zhuǎn)換系數(shù)k應(yīng)為常數(shù)，但由于各部件的非理想性，必然存在誤差。第100頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由,轉(zhuǎn)換系數(shù)k的相對(duì)誤差為各k1、k2、k3、k4的相對(duì)誤差之和。若不考慮非線性誤差，則k%即為讀數(shù)誤差項(xiàng)系數(shù)（α%）。即滿度誤差

滿度誤差是由級(jí)連系統(tǒng)中各部件的漂移引起的，與輸入電壓無(wú)關(guān)。

設(shè)各部件的輸出電壓分別為Vo1,Vo2,Vo3和Vo4，輸出電壓的誤差量分別為ΔVo1,ΔVo2,ΔVo3,ΔVo4，則折合到總輸入端（相對(duì)于被測(cè)量）的誤差量為則滿度誤差項(xiàng)系數(shù)為：第101頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DVM存在讀數(shù)誤差和滿度誤差時(shí)的轉(zhuǎn)換特性如下圖所示（圖中粗線為實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線）。第102頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)附加誤差由DVM輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起。

DVM的輸入等效電路：圖中，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。

第103頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由Ri和I0引入的附加誤差為：典型DVM的輸入放大器的輸入電阻為1000MΩ(接入分壓器時(shí)輸入電阻為10MΩ),輸入零電流約為0.5nA。溫度漂移引起的附加誤差：用℃或溫度系數(shù)ppm(百萬(wàn)分之一)表示。第104頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[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，被測(cè)電壓愈接近滿度電壓，測(cè)量的（相對(duì)）誤差愈?。ㄟ@也是在使用DVM時(shí)應(yīng)注意的）。第105頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DVM中各部件的誤差分析以雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的DVM為例，考慮由輸入通道電路和A/D轉(zhuǎn)換器各組成部件的非理想而引入的誤差及相應(yīng)的誤差表達(dá)式。這些誤差包括：積分器誤差；比較器誤差；模擬開關(guān)誤差；基準(zhǔn)電壓源誤差；輸入衰減/放大器誤差；A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差。第106頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1)積分器誤差：積分器的輸入失調(diào)電壓Uos和輸入偏置電流IB引起的誤差。

采用積分器動(dòng)態(tài)校零技術(shù)可消除Uos和IB影響。2)比較器誤差：比較器的靈敏度(電壓分辨力)和響應(yīng)帶寬(時(shí)間分辨力)不足將對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生影響。第107頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)基準(zhǔn)電壓源誤差：基準(zhǔn)電壓（參考電壓）的精度和穩(wěn)定性也將直接影響到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。4)模擬開關(guān)誤差：實(shí)際的模擬開關(guān)總存在一定的導(dǎo)通電阻（接通時(shí)）及漏電流（斷開時(shí)），因此，對(duì)后續(xù)電路產(chǎn)生影響。為減小模擬開關(guān)誤差，可在模擬開關(guān)到積分器的積分電阻之間加入一級(jí)跟隨器。5)輸入衰減/放大器誤差：非理想的輸入衰減/放大器的零點(diǎn)漂移、增益誤差、響應(yīng)帶寬的影響，以及輸入阻抗與輸入信號(hào)源的等效內(nèi)阻對(duì)輸入信號(hào)的影響，輸出阻抗對(duì)后續(xù)電路的影響等，都將引入DVM的測(cè)量誤差。6)A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差：A/D轉(zhuǎn)換器用有限位數(shù)的數(shù)字量來(lái)表示模擬電壓（等分2n個(gè)階梯）。量化誤差最大為

(1LSB相當(dāng)于一個(gè)量化階梯)。第108頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．6．2DVM中的自動(dòng)校正技術(shù)1滿度誤差與自動(dòng)校零技術(shù)滿度誤差主要由輸入放大器和積分器的Uos和IB引起。放大器輸入端的零點(diǎn)漂移Uos--〉輸出端為AUos。圖a。為減小Uos的影響，可在放大器同相或反相輸入端采用一個(gè)保持電容，用以抵消該漂移電壓。下圖b。

a.放大器的Uos引起輸出變化AUosb.自動(dòng)校零原理（并聯(lián)式）Uos+-AViVo=A(Vi+Uos)Uos+-AViVo=AVi+Uos+-+-K1K2K3+-C0A1+AosU第109頁(yè)，課件共123頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滿度誤差自動(dòng)校零原理在A/D轉(zhuǎn)換之前，插入一個(gè)“零采樣期”（放大器成為一個(gè)“零點(diǎn)電壓跟隨