智能儀器原理及應(yīng)用

第5章智能型電壓測(cè)量?jī)x5.1智能型DVM的功能、

技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)5.2智能型DVM的原理5.3智能型DMM原理及應(yīng)用5.4電壓表的使用思考題與習(xí)題

5.1智能型DVM的功能、技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)

5.1.1智能型DVM的結(jié)構(gòu)智能型DVM是指以微處理器為核心的數(shù)字電壓表，典型結(jié)構(gòu)如圖5－1所示。其中，專用微機(jī)部分包括微處理器芯片、存放儀器監(jiān)控程序的存儲(chǔ)器ROM和存放測(cè)量及運(yùn)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器RAM等。用于測(cè)量的輸入輸出設(shè)備有：輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)、顯示器及標(biāo)準(zhǔn)儀用接口等。儀器內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，外部設(shè)備與總線相連。

圖5-1智能DVM的典型結(jié)構(gòu)

5.1.2智能型DVM的功能及主要技術(shù)指標(biāo)采用微處理器后，儀器在外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)思想等方面都發(fā)生了重大的變化。智能型DVM不但具有測(cè)量功能，同時(shí)還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，這些數(shù)據(jù)處理功能是通過(guò)按不同的按鍵，輸入相應(yīng)的常數(shù)以及調(diào)用相應(yīng)的處理程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同型號(hào)的智能型DVM設(shè)置的處理功能有所不同，相同的處理功能其表達(dá)方式也不一定相同，但一般可以用下列方式來(lái)表示。

1.標(biāo)定（Ax＋B）

R＝Ax＋B(5-1)

式中:R——最后的顯示結(jié)果；x——實(shí)際測(cè)量值；

A、B——由面板鍵盤(pán)輸入的常數(shù)。利用這一功能，可將傳感器輸出的測(cè)量值直接用實(shí)際的單位來(lái)顯示，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)度變換。

2.相對(duì)誤差（Δ%）

(5-2)

式中:n——由面板鍵盤(pán)輸入的標(biāo)稱值。利用這一功能，可把測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱值的差值以百分率偏差的形式顯示出來(lái)，適用于元件容差校驗(yàn)。

3.極限（LMT）利用這一功能可以了解被測(cè)量是否超越預(yù)置極限的情況。使用前，應(yīng)先通過(guò)面板鍵盤(pán)輸入上極限值H和下極限值L。測(cè)量時(shí)，在顯示測(cè)量值x的同時(shí)，還將顯示標(biāo)志H、L或P，表明測(cè)量結(jié)果超上限、超下限或通過(guò)。4.最大/最小利用此項(xiàng)功能可以對(duì)一組測(cè)量值進(jìn)行比較，求出其中的最大值和最小值并存儲(chǔ)起來(lái)。在程序運(yùn)行過(guò)程中一般只顯示現(xiàn)行值，在設(shè)定的一組測(cè)量進(jìn)行完畢之后，再顯示這組數(shù)據(jù)中的最大和最小值。

5.比例

式中:r——由面板鍵盤(pán)輸入的參考量。比例是指一個(gè)量與另一個(gè)量之間的相互關(guān)系，這里提供有三種形式。第一種為簡(jiǎn)單比例；第二種為對(duì)數(shù)比，單位為dB，這是電學(xué)、聲學(xué)常用的單位；第三種是將測(cè)量值平方后除以r，

其用途之一就是用W或mW為單位直接顯示負(fù)載電阻r上的功率。

6.統(tǒng)計(jì)

利用此項(xiàng)功能，可以直接顯示多次測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算結(jié)果。常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)有平均值、方差值、標(biāo)準(zhǔn)差值、均方值等。智能型DVM一般都具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)診斷等功能，并配有標(biāo)準(zhǔn)接口。這些功能在前幾章中已作過(guò)討論，這里不再贅述。智能型DVM除具有上述的數(shù)據(jù)處理能力和一些獨(dú)特的功能以外，還具有普通的DVM的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，其中主要技術(shù)指標(biāo)有7項(xiàng)：

（1）量程。為擴(kuò)大測(cè)量范圍，智能型DVM借助分壓器和輸入放大器分為若干個(gè)測(cè)量量程，其中既不放大也不衰減的量程稱為基本量程。（2）位數(shù)。智能型DVM的位數(shù)是以完整的顯示位（能夠顯示0～9這10個(gè)數(shù)碼的顯示位）來(lái)定義的。例如，最大顯示數(shù)為9999、19999、11999的DVM稱四位表。為區(qū)別起見(jiàn)，常常也把最大顯示數(shù)為19999、11999的DVM稱為位數(shù)字電壓表。位數(shù)是表征DVM性能的一個(gè)最基本的參量。

通常將高于5位數(shù)字的DVM稱為高精度DVM。

（3）測(cè)量準(zhǔn)確度。智能型DVM的測(cè)量準(zhǔn)確度常用絕對(duì)誤差的形式來(lái)表示，其表達(dá)式為

Δ=±a%Ux±b%Um（5-6）

式中:a——誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)；

b——誤差的固定項(xiàng)系數(shù)；

Ux——測(cè)量電壓的指示值；

Um——測(cè)量電壓的滿度值。（4）分辨率。分辨率即顯示輸入電壓最小增量的能力，通常以顯示器末位跳一個(gè)字所需輸入的最小電壓值來(lái)表示。分辨率與量程及位數(shù)有關(guān)，量程愈小，位數(shù)愈多，分辨率就愈高。DVM通常以其最小量程的分辨率來(lái)代表儀器的分辨率，例如，最小量程為1V的4位DVM的分辨率為100μV。

（5）輸入阻抗Zi。輸入阻抗Zi是指從DVM兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的等效電阻。輸入阻抗愈高，由儀表引入的誤差就愈小，同時(shí)儀器對(duì)被測(cè)電路的影響也就愈小。（6）輸入電流I0。輸入電流I0是指以其內(nèi)部產(chǎn)生并表現(xiàn)于輸入端的電流，它的大小隨溫度和濕度的不同而變化，與被測(cè)信號(hào)的大小無(wú)關(guān)，其方向是隨機(jī)的。這個(gè)電流將會(huì)通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻建立一個(gè)附加的電壓，以形成誤差電壓，所以輸入電流愈小愈好。（7）測(cè)量速率。測(cè)量速率以每秒的測(cè)量次數(shù)來(lái)表示，

或者以每次測(cè)量所需的時(shí)間來(lái)表示。

5.1.3智能型DVM的特點(diǎn)1.準(zhǔn)確度高由于DVM的測(cè)量準(zhǔn)確度與量程有關(guān)，而智能型DVM能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的大小很容易地實(shí)現(xiàn)測(cè)量量程的轉(zhuǎn)換，因而具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。此外，由于智能型DVM通常采用數(shù)字顯示，其顯示的位數(shù)較多，因此可使相對(duì)誤差達(dá)到很小。加之智能型DVM的靈敏度也比較高，最高分辨率可達(dá)1μV，這些顯然都是常規(guī)儀表無(wú)法達(dá)到的，所以智能型DVM在精密測(cè)量中是不可缺少的。

2.數(shù)字顯示

智能型DVM將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字量形式直接顯示，能保證讀數(shù)清晰準(zhǔn)確，從而消除了指針儀表的視覺(jué)誤差。智能型DVM的位數(shù)是以完整的顯示位（能夠顯示0～9這10個(gè)數(shù)碼的顯示位）來(lái)定義的。當(dāng)需要進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，可方便地采用多位數(shù)字顯示。

3.測(cè)量速度快由于沒(méi)有指針慣性，因此智能型DVM完成一次測(cè)量的時(shí)間只需幾到幾十毫秒，甚至快達(dá)幾十微秒。高質(zhì)量的DVM具有自動(dòng)判斷極性、自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)等功能，特別適用于自動(dòng)檢測(cè)。4.輸入阻抗高一般智能型DVM的輸入阻抗為10MΩ左右，最高可達(dá)104MΩ，對(duì)被測(cè)電路的影響極小。

5.便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化由于智能型DVM通常以單片機(jī)作為儀表的核心控制部件，而且大多數(shù)單片機(jī)都具有雙向可通信的串行口。因而，智能型DVM可以很方便地與其他儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化。

5.1.4智能型DVM的分類

智能型DVM是利用模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，最終以數(shù)字形式顯示出來(lái)的一種測(cè)量?jī)x表。而各類智能型DVM的區(qū)別主要是模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換方式。A/D轉(zhuǎn)換包括對(duì)模擬量采樣，再將采樣值進(jìn)行量化處理，然后通過(guò)編碼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。因而，根據(jù)儀表內(nèi)部使用A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理的不同，

可構(gòu)成以下幾種不同類型的智能型DVM。

1.比較型DVM比較型DVM把被測(cè)電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以獲得被測(cè)電壓的量值，這是一種直接轉(zhuǎn)換方式。這種數(shù)字電壓表的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高、速度快，但抗干擾能力差。根據(jù)比較方式的不同，

又分為反饋比較式和無(wú)反饋比較式。

2.積分型DVM

積分型DVM是利用積分原理，首先把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的中間量——時(shí)間或頻率，再利用計(jì)數(shù)器測(cè)量該中間量，這是一種間接轉(zhuǎn)換方式。根據(jù)中間量的不同，積分型DVM又分為電壓—時(shí)間（U-t）式和電壓—頻率（U-f）式。這類數(shù)字電壓表的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，成本低，但測(cè)量速度慢。

3.復(fù)合型DVM

復(fù)合型DVM是將比較型和積分型結(jié)合起來(lái)的一類智能型DVM，它取上述兩種類型的優(yōu)點(diǎn)，兼顧精確度、速度和抗干擾能力，

從而適用于高精確度的測(cè)量。

5.2智能型DVM的原理

5.2.1輸入電路在圖5-1所示的智能型DVM典型結(jié)構(gòu)框圖中，常常將輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分電路合稱為模擬部分。DVM的許多技術(shù)指標(biāo)都是由模擬部分來(lái)決定的。無(wú)論一臺(tái)智能型DVM的功能有多么強(qiáng)大，其基本測(cè)量水平主要由模擬部分來(lái)決定。本節(jié)先討論輸入電路。輸入電路的主要作用是提高輸入阻抗和實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。下面以圖5-2所示的DATRON公司的1071智能型DVM輸入電路為例，

對(duì)輸入電路的組成原理進(jìn)行討論。

圖5-21071智能型DVM的輸入電路

1071智能型DVM輸入電路主要由輸入衰減器、輸入放大器A1、有源濾波器、輸入電流補(bǔ)償以及自舉電源等部分組成。有源濾波器是否接入由微處理器通過(guò)I/O接口電路進(jìn)行控制，該濾波器對(duì)50Hz的干擾有54dB的衰減。

自舉電源的參考點(diǎn)不是地，而是輸入信號(hào)。從圖5-2中可以看出，M32高阻抗緩沖放大器接在輸入放大器的反相輸入端，因此M32能精確地跟蹤輸入信號(hào)變化，從而控制M32的輸出。M32的輸出接另兩個(gè)放大器的輸入端，從而達(dá)到隨輸入信號(hào)變化而控制自舉電源的輸出端，產(chǎn)生一個(gè)浮動(dòng)的±12V電壓作為輸入放大器的電源電壓。這樣，輸入放大器工作點(diǎn)基本上不隨輸入信號(hào)的變化而變化，這對(duì)提高放大器的穩(wěn)定性及抗共模干擾能力等性能是很有益處的。例如，輸入電路通常采用二極管作過(guò)載保護(hù)，二極管跨接在輸入端與零電位之間，其漏電流對(duì)輸入阻抗有很大影響。若將二極管跨接在放大器輸入端和自舉電源公共零點(diǎn)上，由于公共零點(diǎn)隨輸入信號(hào)而浮動(dòng)，

因而消除了二極管漏電流的影響，保證了高輸入阻抗。

輸入電流補(bǔ)償電路的作用是減小輸入電流的影響，其補(bǔ)償原理可以用圖5-3（a）來(lái)說(shuō)明。在自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，在輸入端接入了一個(gè)10MΩ的電阻，輸入電流+Ib在該電阻上產(chǎn)生的壓降,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存入到非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)，作為輸入電流的校正量。在正常測(cè)量時(shí),微處理器根據(jù)校正量送出適當(dāng)?shù)臄?shù)字到D/A轉(zhuǎn)換器,并經(jīng)輸入電流補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)輸入電流+Ib大小相等、方向相反的電流-Ib，使兩者在放大器的輸入端相互抵消，如圖5-3（b）所示。這項(xiàng)措施可以使儀器的零輸入電流減小到1pA。

圖5-3輸入電流補(bǔ)償電路原理框圖

圖5-4量程標(biāo)定電路原理

輸入電路的核心是由輸入衰減器和放大器組成的量程標(biāo)定電路，如圖5-4所示。S為繼電器開(kāi)關(guān)，控制100∶1衰減器是否接入。V5～V10是場(chǎng)效應(yīng)管模擬開(kāi)關(guān)，控制放大器不同的增益。繼電器開(kāi)關(guān)S、V5～V10在微機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)的控制下，形成不同的通、斷組合，構(gòu)成0.1V、1V、10V、100V和1000V五個(gè)量程以及自動(dòng)測(cè)試狀態(tài)。各種組合分析如下：(1)0.1V量程。V8、V6導(dǎo)通，放大電路被接成電壓負(fù)反饋放大器，其放大倍數(shù)Af及最大輸出電壓Uomax分別為(2)1V量程。V8、V10導(dǎo)通，此時(shí)放大電路被接成串聯(lián)負(fù)反饋放大器，其放大倍數(shù)Af及最大輸出電壓Uomax分別為

(3)10V量程。Ｖ7、V9導(dǎo)通，放大電路被接成跟隨器，放大倍數(shù)為1，然后輸出經(jīng)分壓，此時(shí)(4)100V量程。V8、V10導(dǎo)通，放大電路仍為串聯(lián)負(fù)反饋放大器，同時(shí)繼電器開(kāi)關(guān)S吸合，使100∶1衰減器接入，此時(shí)(5)1000V量程。繼電器開(kāi)關(guān)S吸合，使100∶1衰減器接入，同時(shí)V7、V9導(dǎo)通，放大電路被接成跟隨器，并使輸出再經(jīng)分壓，此時(shí)

由上述計(jì)算可見(jiàn)，送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入規(guī)范電壓為0～3.16V，同時(shí)，由于電路被接成串聯(lián)負(fù)反饋形式并且采用自舉電源，因此0.1V、1V和10V三擋量程的輸入電阻高達(dá)10000MΩ。10V和1000V擋量程由于接入衰減器，輸入阻抗降為10MΩ。當(dāng)V5、V6和V8導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)S吸合時(shí)，電路組態(tài)為自測(cè)試狀態(tài)。此時(shí)放大器的輸出應(yīng)為-3.12V。儀器在自診斷時(shí)測(cè)量該電壓，并與存儲(chǔ)的數(shù)值相比較。若兩者之差在6%以內(nèi)，即認(rèn)為放大器工作正常；

否則視為故障，

必須排除。

5.2.2智能型DVM中的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)

1.多斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器多斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器是在雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，在采用零點(diǎn)校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)的前提下，其轉(zhuǎn)換精度也可以做得很高，但顯著的不足之處是轉(zhuǎn)換速度較慢，并且分辨率要求愈高，其轉(zhuǎn)換速度也就愈慢。由于比較器帶寬有限，因此不能簡(jiǎn)單地通過(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)加快轉(zhuǎn)換速度。如果采用軟件計(jì)數(shù)，則時(shí)鐘頻率的提高更是有限度的。除此之外，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器還存在著“零區(qū)”等問(wèn)題。圖5-5為多斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形圖。

圖5-5多斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形圖(a)三斜積分式；(b)四斜積分式

采用三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以較好地改善轉(zhuǎn)換速度慢這個(gè)弱點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)換速率分辨率乘積可以比傳統(tǒng)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形是將雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的反向積分階段T2分為如圖5-5（a）所示的T21和T22兩部分。在T21期間，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行積分，放電速度較快；在T22期間，積分器改為對(duì)較小的基準(zhǔn)電壓UR/2m進(jìn)行積分，放電速度較慢。在計(jì)數(shù)時(shí)，把計(jì)數(shù)器也分成兩段進(jìn)行計(jì)數(shù)。在T21期間，從計(jì)數(shù)器的高位（2m位）開(kāi)始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為N1；在T22期間，從計(jì)數(shù)器的低位（20位）開(kāi)始計(jì)數(shù)，設(shè)其計(jì)數(shù)值為N2。則計(jì)數(shù)器中最后的讀數(shù)為N＝N1

×2m＋N2

在一次測(cè)量過(guò)程中，

積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，

則

其中：

將上式加以整理，

可得

將上式進(jìn)一步整理，可得三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本關(guān)系式為

(5-7)上式中，如果取m=7，時(shí)鐘脈沖周期T0＝120μs，基準(zhǔn)電壓UR＝10V，并希望把12V被測(cè)電壓變換為N＝120000碼讀數(shù)時(shí)，由上式可以計(jì)算出T1＝100ms,而傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器在相同的條件下所需要的積分時(shí)間T1＝15.36s，可見(jiàn)三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以使測(cè)量速度大幅度提高。圖5-6示出了四斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。積分器的輸入端經(jīng)6個(gè)開(kāi)關(guān)分別與被測(cè)電壓、各種基準(zhǔn)電壓和模擬地相接，由6個(gè)D觸發(fā)器組成的輸出口實(shí)施對(duì)這些開(kāi)關(guān)的控制。微處理器通過(guò)執(zhí)行輸出指令將不同的數(shù)據(jù)送往該輸出口，

就可以使不同的開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)。

圖5-6四斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

圖5-7示出了四斜積分式A/D轉(zhuǎn)換的控制流程圖。首先接通開(kāi)關(guān)S0，使積分器對(duì)被測(cè)電壓Ux進(jìn)行積分，接著進(jìn)入延時(shí)程序Ⅰ，使S0接通時(shí)間達(dá)到準(zhǔn)確的T1＝100ms。這段時(shí)間為定時(shí)積分。

圖5-7四斜積分式A/D轉(zhuǎn)換控制流程圖

2.脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器是Solartron公司的專利，它也是在雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器主要克服了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的不足之處。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的不足之處為：積分器輸出斜波電壓的線性度有限，使雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的精度很難高于0.01%；積分器式A/D轉(zhuǎn)換器采樣是間斷的，

不能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖5-8脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

假定T1和T2分別代表在一個(gè)周期T內(nèi)正負(fù)基準(zhǔn)接入的時(shí)間，根據(jù)電荷平衡原理，則有若R1＝R2，則

（5-8）

5.2.3典型智能DVM產(chǎn)品介紹HG-1850DVM是在吸取了諸多智能型DVM某些特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)具體情況自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。它采用了Intel8080ACPU、多斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，量程可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換，最大顯示數(shù)為112200，可用于測(cè)量10v～1000V的直流電壓，主要性能技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5-1。

表5-1HG-1850DVM主要性能技術(shù)指標(biāo)

5.3智能型DMM的原理及應(yīng)用

5.3.1智能型DMM的工作原理數(shù)字化多用表（DMM）是指除能測(cè)量直流電壓外，同時(shí)還能測(cè)量交流電壓、電流和電阻等參數(shù)的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。其組成框圖見(jiàn)圖5-9。

圖5-9智能型DMM框圖

1.交/直流（AC/DC）電壓轉(zhuǎn)換器1）平均值轉(zhuǎn)換器由于直流數(shù)字式電壓表的讀數(shù)與被測(cè)電壓呈線性關(guān)系，因此要求同它配用的交/直流電壓轉(zhuǎn)換器也應(yīng)具有線性轉(zhuǎn)換特性，即其輸出的直流電壓值要與輸入的被測(cè)交流電壓成線性關(guān)系。為此，在數(shù)字多用表中常采用電子式線性檢波器。這里只介紹過(guò)去常用的全波平均值線性檢波器的工作原理。

圖5-10線性檢波原理框圖

在深度負(fù)反饋條件下，

閉環(huán)放大倍數(shù)

(5-9)

式中，A1、A2分別是放大器和整流電路的傳輸系數(shù)，F(xiàn)是反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)?？梢?jiàn)，當(dāng)A1A2F>>1時(shí)，Uo與Ui的關(guān)系只取決于反饋系數(shù)F,而與檢波電路的傳輸性質(zhì)基本無(wú)關(guān)，

從而實(shí)現(xiàn)了線性化。

圖5-11是全波線性檢波器的原理框圖。圖中運(yùn)算放大器A1是輸入級(jí)，用于提高靈敏度和轉(zhuǎn)換量程；A2及V1、V2組成并聯(lián)負(fù)反饋；A3組成有源低通濾波器，以減小輸出紋波電壓。已知被測(cè)電壓為正弦波，則M點(diǎn)的電壓也是正弦波。設(shè)Um（t）=Umsinωt,當(dāng)Um為負(fù)半周時(shí)，A2輸出正電壓，V2導(dǎo)通，V1截止，在R7上得到正半周電壓，并通過(guò)R8送入A3濾波器的入口P點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)R5反饋至A2的輸入端；當(dāng)Um為正半周時(shí)，A2輸出負(fù)電壓，V1導(dǎo)通，在R6上的壓降通過(guò)R4反饋至A2輸入端，使得A2在整個(gè)周期內(nèi)獲得反饋電壓。這時(shí)V2是截止的，R6上的壓降不能加到N點(diǎn)，但是M點(diǎn)的正半周電壓通過(guò)R10引至P點(diǎn)（實(shí)際上M點(diǎn)的負(fù)半周電壓也送至P點(diǎn)），與前半周R7送來(lái)的正半周電壓構(gòu)成全波整流，經(jīng)A3濾波后變成平滑的直流電壓U0，從而實(shí)現(xiàn)了交流直流轉(zhuǎn)換。圖5-11全波線性檢波器原理框圖

2）真有效值轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在高精度DMM很少再采用平均值轉(zhuǎn)換器，而代之發(fā)展并廣泛采用的是真有效值轉(zhuǎn)換器。真有效值轉(zhuǎn)換器輸出的是直流電壓，線性地正比于被測(cè)各種波形交流信號(hào)的有效值，基本上不受輸入波形失真度的影響。真有效值轉(zhuǎn)換器有熱電式和運(yùn)算式等幾種形式。熱電式具有精度高、頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)載能力差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前，高精度智能型DMM采用的主要是運(yùn)算式，下面介紹運(yùn)算式的原理。

在數(shù)學(xué)上，有效值的概念與均方根值是同義詞，

可寫(xiě)成

(5-10)圖5-12直接運(yùn)算式有效值轉(zhuǎn)換器

隱含運(yùn)算式的原理是根據(jù)直接運(yùn)算式推演而來(lái)的。

已知：

則

(5-11)由式（5-11）可見(jiàn)，隱含運(yùn)算式只需一個(gè)平方器/除法器和一個(gè)積分濾波器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，

就能完成有效值的轉(zhuǎn)換。

2.直流電流/電壓（I/U）轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換的基本方案是令被測(cè)電流Ix流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻RN，再用DVM測(cè)量電阻上的電壓，即可實(shí)現(xiàn)I/U轉(zhuǎn)換。圖5-13就是運(yùn)放I/U轉(zhuǎn)換器原理框圖。

圖5-13運(yùn)放I/U轉(zhuǎn)換器原理框圖

3.電阻/直流電壓（R/U）轉(zhuǎn)換器這里僅介紹一種比較簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換電路。如圖5-14所示,被測(cè)電阻Rx接在反饋回路上，標(biāo)準(zhǔn)電阻RN接在輸入回路上，UR是基準(zhǔn)電壓，由圖可知I=UR/RN。

式中:UR——基準(zhǔn)電壓；RN——標(biāo)準(zhǔn)電阻。顯然Uo與Rx成正比，從而實(shí)現(xiàn)了R/U轉(zhuǎn)換。改變RN即可改變量程。

圖5-14電阻/直流電壓(R/U)轉(zhuǎn)換器

5.3.2典型智能DMM實(shí)例介紹1.概述

1)基本型192表的操作功能基本型192表的操作功能包括：（1）前面板程序。192表的內(nèi)部微處理器的程序可通過(guò)前面板進(jìn)行操作使用。(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)前面板操作程序，可使基本型192表存儲(chǔ)100個(gè)數(shù)據(jù)，并具有檢測(cè)最大值、最小值的功能。

(3)多路輸入。多路輸入可使直流電壓及歐姆測(cè)量端子同時(shí)引入，這為轉(zhuǎn)換被測(cè)參數(shù)提供了方便。(4)單按鈕清零。將輸入端子短接，在前面板上只需按一下清零鍵，包括傳輸線在內(nèi)的測(cè)量回路的影響便可隨時(shí)被消除，

并且在切換到其他量程時(shí)，

零位失調(diào)會(huì)自動(dòng)再標(biāo)定，

不必再進(jìn)行清零。

2)基本型192表的其他功能擴(kuò)充部件除了基本的直流電壓、歐姆的測(cè)量功能外，通過(guò)附加其他功能的擴(kuò)充部件，基本型192表可以成為具備更多種參數(shù)測(cè)量功能的數(shù)字多用表。這些部件以選購(gòu)件的形式提供，安裝方便，它們包括：(1)交流電壓選擇件。附加上交流電壓選擇件后，192表可具有測(cè)量10μV~1000V交流電壓有效值的功能。

(3)電流選擇件。附加電流選擇件后，192表可測(cè)量1nA～2000mA的直流電流。若表中原已附加了交流電壓選擇件，電流選擇件還可使192表測(cè)量10nA～2000mA的交流電流。(4)IEEE488總線接口。附加IEEE488總線接口后，192表可通過(guò)該接口掛接到IEEE488總線上，成為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的一部分。192表通過(guò)接口可向總線發(fā)送或從總線接收數(shù)據(jù)，還可提供狀態(tài)輸出及后面板外觸發(fā)器接點(diǎn)。

(5)各種形狀的探針、測(cè)線及分流器。應(yīng)用這些附件，192表可方便地使用在各種檢測(cè)場(chǎng)合，

并可測(cè)量大電壓及大電流等。

2.192表的工作方式1)本地工作方式在本地工作方式下，192表的顯示分辨率被標(biāo)定在位，被測(cè)量(如直流電壓、交流電壓及歐姆值)可由5路接線柱分別引入。用戶可采用清零鍵（ZERO）消除包括引線在內(nèi)的測(cè)量回路的附加影響，并通過(guò)功能按鍵選擇所需要的測(cè)量功能。通過(guò)前面板中部的6個(gè)輕觸按鍵可選擇合適的量程，也可采用自動(dòng)量程（按下AUTO鍵）進(jìn)行測(cè)量，指示燈亮表示該鍵已被選擇。

5.3.2典型智能DMM實(shí)例介紹1.概述192型智能數(shù)字多用表是一種具有自動(dòng)量程的快速測(cè)量智能化儀表。其基本型192表具有直流電壓及歐姆測(cè)量?jī)煞N功能，整個(gè)192表的基準(zhǔn)也設(shè)置在這兩擋。192表的最高顯示位數(shù)為位，最大顯示值為1999999（六個(gè)整位加一個(gè)半位），但基本型被標(biāo)定為位顯示方式。直流電壓的最低量程為0.2V，測(cè)量最高分辨率為1μV，最高可測(cè)直流電壓為1200V。歐姆測(cè)量可采用二端測(cè)量法或四端測(cè)量法的任一種方式，最低量程為0.2kΩ，最高分辨率為1mΩ，最高量程為20MΩ。在增加了某些擴(kuò)充部件（如IEEE488接口），并使儀表工作在本地程序工作方式時(shí)，可使192表顯示分辨率提高一位，顯示位數(shù)增加到位，即直流電壓和歐姆測(cè)量分辨率可分別提高到0.1μV及0.1mΩ。

1)基本型192表的操作功能基本型192表的操作功能包括：（1）前面板程序。192表的內(nèi)部微處理器的程序可通過(guò)前面板進(jìn)行操作使用。(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)前面板操作程序，可使基本型192表存儲(chǔ)100個(gè)數(shù)據(jù)，并具有檢測(cè)最大值、最小值的功能。

(3)多路輸入。多路輸入可使直流電壓及歐姆測(cè)量端子同時(shí)引入，這為轉(zhuǎn)換被測(cè)參數(shù)提供了方便。(4)單按鈕清零。將輸入端子短接，在前面板上只需按一下清零鍵，包括傳輸線在內(nèi)的測(cè)量回路的影響便可隨時(shí)被消除，并且在切換到其他量程時(shí)，

零位失調(diào)會(huì)自動(dòng)再標(biāo)定，

不必再進(jìn)行清零。

2)基本型192表的其他功能擴(kuò)充部件除了基本的直流電壓、歐姆的測(cè)量功能外，通過(guò)附加其他功能的擴(kuò)充部件，基本型192表可以成為具備更多種參數(shù)測(cè)量功能的數(shù)字多用表。這些部件以選購(gòu)件的形式提供，安裝方便，它們包括：(1)交流電壓選擇件。附加上交流電壓選擇件后，192表可具有測(cè)量10μV~1000V交流電壓有效值的功能。

(2)真均方根值交流電壓選擇件。交流電壓的均方根值（有效值）被定義為在相同的時(shí)間里產(chǎn)生相等能量的直流電壓值；而真均方根值（或稱真有效值）是指考慮了直流分量影響的交流電壓有效值。因此，測(cè)量回路在直流耦合的情況下才能達(dá)到真有效值，而只有交流耦合輸入的測(cè)量回路不會(huì)測(cè)得真有效值。由于真有效值與交流電壓的波形無(wú)關(guān)，因此測(cè)量結(jié)果非常準(zhǔn)確。當(dāng)192表應(yīng)用在對(duì)交流電壓準(zhǔn)確度要求較高的場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)附加真均方根值交流電壓選擇件。附加后，儀表便具有“交流+直流”的測(cè)量功能。(3)電流選擇件。附加電流選擇件后，192表可測(cè)量1nA～2000mA的直流電流。若表中原已附加了交流電壓選擇件，電流選擇件還可使192表測(cè)量10nA~2000mA的交流電流。

(4)IEEE488總線接口。附加IEEE488總線接口后，192表可通過(guò)該接口掛接到IEEE488總線上，成為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的一部分。192表通過(guò)接口可向總線發(fā)送或從總線接收數(shù)據(jù)，還可提供狀態(tài)輸出及后面板外觸發(fā)器接點(diǎn)。(5)各種形狀的探針、測(cè)線及分流器。應(yīng)用這些附件，192表可方便地使用在各種檢測(cè)場(chǎng)合，并可測(cè)量大電壓及大電流等。

2.192表的工作方式1)本地工作方式在本地工作方式下，192表的顯示分辨率被標(biāo)定在位，被測(cè)量(如直流電壓、交流電壓及歐姆值)可由5路接線柱分別引入。用戶可采用清零鍵（ZERO）消除包括引線在內(nèi)的測(cè)量回路的附加影響，并通過(guò)功能按鍵選擇所需要的測(cè)量功能。通過(guò)前面板中部的6個(gè)輕觸按鍵可選擇合適的量程，也可采用自動(dòng)量程（按下AUTO鍵）進(jìn)行測(cè)量，

指示燈亮表示該鍵已被選擇。

2)本地程序工作方式在該工作方式下，除可進(jìn)行本地工作方式下的操作外，用戶還可利用程序按鍵PRGM選擇使用前面板程序。例如，用戶可利用程序1（PROGRAM1——分辨率），將192表的顯示標(biāo)定在位。

3)遠(yuǎn)程（系統(tǒng)）工作方式在該方式下，192表需附加IEEE488接口選擇部件。192表通過(guò)后面板的地址開(kāi)關(guān)設(shè)置該接口相應(yīng)的地址，并通過(guò)IEEE488接口連接器連接到IEEE488總線上。192表的顯示分辨率取決于通過(guò)總線的對(duì)話速度。本地工作方式下的所有操作及本地程序工作方式下的部分操作可通過(guò)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行。根據(jù)IEEE488總線指示器的3種指示，即“Talk”(講)、“Listen”(聽(tīng))及“Remote”(遠(yuǎn)控)，用戶可看出IEEE488總線工作于何種狀態(tài)。

3.工作原理

192表簡(jiǎn)化的原理框圖如圖5-15所示。由圖中可見(jiàn)，192表在原理上大致可分為數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)兩個(gè)相互隔離的部分。這兩部分是被光電隔離器及電源變壓器隔離開(kāi)的。這樣使得數(shù)字表模擬區(qū)的低端（Lo）或公共輸入端可處于任一電位（±1200V之間），同時(shí)，數(shù)字電路的低端或公共端也可維持在相對(duì)機(jī)殼地30V以內(nèi)的電位上，這使得192表與外部數(shù)字設(shè)備的接合大為簡(jiǎn)化。

圖5-15192表原理框圖

1)模擬電路部分（1）多路控制器。多路控制器見(jiàn)圖5-16。它的作用是將9個(gè)信號(hào)中的1個(gè)連接到輸入放大器。電壓或歐姆測(cè)量需將一系列信號(hào)送到輸入放大器，并且在送入時(shí)是按一定順序的。192表內(nèi)的微處理機(jī)通過(guò)譯碼器控制著這種順序，

并決定著每一信號(hào)的開(kāi)關(guān)時(shí)間間隔。

圖5-16輸入多路控制器的原理框圖

（2）直流電壓測(cè)量電路。直流電壓的測(cè)量原理框圖如圖5-17所示。輸入信號(hào)直接送入輸入放大器，或者經(jīng)過(guò)一個(gè)總阻值為10MΩ的100∶1分壓器后再送入。直流輸入電壓是否被衰減取決于所選用的量程。直流電壓測(cè)量時(shí)，有3種信號(hào)需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即輸入電壓信號(hào)USIG，置零信號(hào)UZERO及標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)UREF。每種信號(hào)的測(cè)量（轉(zhuǎn)換）周期為16.6ms(見(jiàn)A/D轉(zhuǎn)換器)，其數(shù)字量?jī)?chǔ)存在存儲(chǔ)器中并按下式計(jì)算顯示讀數(shù)值：

圖5-17直流電壓測(cè)量原理框圖

圖5-18直流電壓測(cè)量開(kāi)關(guān)順序=(本地工作方式)在遠(yuǎn)程工作方式下，直流電壓讀數(shù)獲得的方式稍有不同。在“點(diǎn)發(fā)工作方式”下，儀表始終不停地輸入、數(shù)字量化及儲(chǔ)存置零信號(hào)和參考信號(hào)，這一過(guò)程直到輸入信號(hào)被數(shù)字量化，測(cè)量觸發(fā)器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)為止。此時(shí)，微處理器便可立即計(jì)算結(jié)果，因此讀數(shù)結(jié)果的獲得比本地工作方式快得多（見(jiàn)圖5-19）。

圖5-19直流電壓測(cè)量開(kāi)關(guān)流程圖(遠(yuǎn)程工作方式)（3）電阻測(cè)量電路。對(duì)電阻測(cè)量電路來(lái)說(shuō)，也需要4個(gè)輸入，以使192表可根據(jù)比率計(jì)技術(shù)中的方法獲得顯示讀數(shù)。所需要的4個(gè)輸入分別是：歐姆參考高端（ΩREFHi）；歐姆參考低端（ΩREFLo）；歐姆探測(cè)高端（ΩSENSEHi）；歐姆探測(cè)低端（ΩSENSELo）。比率計(jì)技術(shù)是通過(guò)比較數(shù)字而得到它們之間比率關(guān)系的一種數(shù)學(xué)處理方法。在192表中，這個(gè)比率是電壓比率，它是通過(guò)一個(gè)公共電流流過(guò)兩個(gè)相互串聯(lián)的電阻而產(chǎn)生的。電流同時(shí)流過(guò)大小已知的參考電阻和未知電阻，電流的大小可以通過(guò)測(cè)量已知參考電阻上的壓降計(jì)算得到。一旦電流求出并且測(cè)出了未知電阻兩端的壓降，

未知電阻值即可計(jì)算出。

如圖5-20所示，5個(gè)場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（V01、V02、V03、V06和V08）分別用以選擇5個(gè)大小已知的參考電阻，每一參考電阻相應(yīng)于一額定的歐姆量程。由場(chǎng)效應(yīng)管選擇的參考電阻阻值等于滿量程電阻值的一半。例如，10kΩ的已知參考電阻用于20kΩ的量程擋，而100kΩ

已知電阻用于200kΩ的量程擋。

圖5-20電阻測(cè)量原理框圖

被選擇的量程電阻（已知電阻）的壓降出現(xiàn)在V10（歐姆參考高端）和V33（歐姆參考低端），未知電阻的壓降出現(xiàn)在V34（歐姆探測(cè)高端）及V39（歐姆探測(cè)低端）。-400mV的歐姆量程電壓源用于0.2kΩ的量程擋，-4V電源用于其他的電阻量程擋。上面已提到過(guò)，歐姆測(cè)量需要4個(gè)輸入信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都被測(cè)量16.6ms，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后儲(chǔ)存在192表的微處理器中，

最后微處理器利用下式計(jì)算測(cè)量結(jié)果：

(5-12)上式中，ΩREFHi-ΩREFLo可看作已知電阻兩端的壓降，ΩSENSEHi-ΩSENSELo可看作未知電阻兩端的壓降。

歐姆測(cè)量的開(kāi)關(guān)過(guò)程可見(jiàn)流程圖5-21。在獲取歐姆讀數(shù)的過(guò)程中，出現(xiàn)在歐姆探測(cè)高端的電壓首先被V34引入輸入放大器，數(shù)字量化后儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中。接著，歐姆探測(cè)低端開(kāi)關(guān)管V39打開(kāi)并進(jìn)行與上述類似的操作。然后，歐姆參考低端的電壓被處理并儲(chǔ)存。最后，歐姆參考高端的輸入被類似處理。當(dāng)所有4個(gè)輸入信號(hào)都獲得后，微處理器將它們從存儲(chǔ)器中取出，進(jìn)行計(jì)算以得出精確的讀數(shù)，并顯示其結(jié)果。到此為止，測(cè)量引線電阻的影響還未加考慮。實(shí)際上，無(wú)論是二線法測(cè)量還是四線法測(cè)量，測(cè)量引線電阻都將影響到顯示的數(shù)值。為了解釋方便，將測(cè)量引線電阻標(biāo)記為R1、R2、R3和R4。

圖5-21歐姆測(cè)量開(kāi)關(guān)流程圖

對(duì)于二線測(cè)量法來(lái)說(shuō)，未知電阻Rx不與歐姆探測(cè)高端和探測(cè)低端相連，如圖5-22所示。此時(shí)電流流過(guò)R1、Rx、R4，因此經(jīng)Rs得到的歐姆探測(cè)高、低端間的信號(hào)輸入包括了引線電阻R1、R4上的壓降，顯示的讀數(shù)將是R1、R4和Rx的阻值之和。

圖5-22兩線法測(cè)電阻

對(duì)于四線測(cè)量法而言，歐姆探測(cè)端子也同時(shí)接到未知電阻Rx上(見(jiàn)圖5-23)，此時(shí)引線電阻的影響可計(jì)算如下：歐姆探測(cè)高、

低端間的壓降為

若所用測(cè)量引線相同，

則

由于測(cè)量引線電阻很小，例如R1=R2=10Ω，而Rs卻很大，Rs≈100kΩ，因此上式右邊第二項(xiàng)可忽略，

即U探測(cè)≈URx。

圖5-23四線法測(cè)電阻

（4）交流電壓測(cè)量電路。在進(jìn)行交流電壓測(cè)量時(shí)，交流電壓選擇件加于交流輸入端子與輸入放大器之間（見(jiàn)圖5－24）。交流選擇件將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為0～-2V的直流電壓，所不同于2V量程擋的是，根據(jù)被選擇量程的不同，輸入信號(hào)被衰減為1/10,1/100或1/1000。為了測(cè)量交流電壓，需要有4個(gè)輸入信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)信號(hào)被測(cè)量16.6ms，其數(shù)字量?jī)?chǔ)存到存儲(chǔ)器中。

微處理機(jī)按照下式計(jì)算數(shù)值：

式中，UACHi為交流電壓選擇件的輸出，UACAUTOZERO為轉(zhuǎn)換后的直流失調(diào)度，UREF為2V參考電壓，UZERO為信號(hào)的失調(diào)電壓。因?yàn)閰⒖茧妷簽?V，因此需乘系數(shù)2。

圖5-24交流電壓測(cè)量原理框圖

圖5-25交流電壓測(cè)量開(kāi)關(guān)流程圖(5)輸入緩沖放大器。輸入緩沖放大器（見(jiàn)圖5-26）實(shí)際上就是前面所提到的輸入放大器。它是一種同相、低噪聲、高輸入阻抗、對(duì)任一輸入的增益可以為1也可以為10的放大器。它的輸出可在±20V的直流范圍內(nèi)波動(dòng)。由于以上特性非一個(gè)運(yùn)算放大器所能達(dá)到，因此用兩個(gè)運(yùn)算放大器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)具有高輸入阻抗、低噪聲特性，即A01；另一個(gè)具有較寬的輸出電壓范圍，即A03。圖中的另一個(gè)運(yùn)算放大器就是多路控制中提到的自舉電壓放大器A02。它不僅起控制場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管的作用，還在此被用作協(xié)調(diào)整個(gè)輸入緩沖器的增益。在輸入緩沖器中，為了使A03具有±20V的輸出范圍，除了要求緩沖器的增益為1外，對(duì)于0.2V、2V的量程擋,還要求緩沖器具有10倍的增益。當(dāng)V19打開(kāi)時(shí)，由A01和A03組合而成的放大器的等效電路如圖5-27（a）所示。由圖可見(jiàn)，Uo≈Ui，增益為1。

圖5-26輸入緩沖放大器原理框圖

圖5-27由A01,A03組合而成的放大器等效電路(a)V19開(kāi)；(b)V17開(kāi)

(6）A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖5-28所示，其工作波形如圖5-29所示。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入緩沖器的輸出加到互導(dǎo)放大器上，互導(dǎo)放大器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，并在需要時(shí)將電流送到積分器上。

圖5-28A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

圖5-29A/D轉(zhuǎn)換工作波形圖

復(fù)合式A/D轉(zhuǎn)換器首先工作在電荷平衡（CB）狀態(tài)，然后再以單斜率（SS）方式工作。當(dāng)工作電源為50Hz交流電時(shí)，每個(gè)輸入的采樣時(shí)間選定為20ms（1/50）；當(dāng)工作電源為60Hz交流電時(shí)，選定為16.6ms(1/60)，電源頻率的判別由數(shù)字電路中的“電源頻率檢測(cè)器”來(lái)完成。這樣選定采樣時(shí)間，一方面使A/D轉(zhuǎn)換速度較快，另一方面可使采樣時(shí)間為電源電壓周期的整數(shù)倍，以便在積分器中將工頻干擾電壓很好地抑制掉。電荷平衡式工作狀態(tài)（以下簡(jiǎn)稱CB態(tài)）開(kāi)始于“輸入關(guān)閉（InputDisable）”變?yōu)榈碗娖街H，這發(fā)生在多路控制器中相應(yīng)的輸入開(kāi)關(guān)管打開(kāi)后，一段延遲時(shí)間結(jié)束時(shí)。該延遲時(shí)間是為了消除開(kāi)關(guān)電壓的耦合干擾,穩(wěn)定輸入信號(hào)由軟件設(shè)定。不同的測(cè)量功能，其延遲時(shí)間的長(zhǎng)短也不同。

當(dāng)“輸入關(guān)閉”信號(hào)移走后，輸入電流Iin就接到積分器上（電流方向如圖5-28所示），因此U0上升為正電平。D觸發(fā)器（A14A、A14B）用作比較器，提供計(jì)時(shí)和控制功能。當(dāng)U0上升達(dá)到A14A的門(mén)檻電平時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的正跳變邊沿上，Q1便變?yōu)楦唠娖?。由于反相器A12的存在，在該時(shí)鐘脈沖的負(fù)跳變邊沿上，Q2變?yōu)楦唠娖剑ㄍ瑫r(shí),Q2的負(fù)脈沖將Q1置“0”），因此ICB被接到積分器上。由于ICB大于2Iin，反向積分電流使U0很快下降為負(fù)電平。由于Q1為“0”（低電平），因此在一個(gè)時(shí)鐘周期后的時(shí)鐘脈沖負(fù)跳變邊沿上，Q2變?yōu)榈碗娖剑ㄍ瑫r(shí),Q2變?yōu)楦唠娖?，將清零信?hào)從A14A中移走），將ICB斷開(kāi)，如圖5-30所示（ICB接入段）。

到此為止，ICB被接入了一個(gè)時(shí)鐘周期，下一次被接入最快也要等一個(gè)周期之后。當(dāng)輸入電流Iin較小，在時(shí)鐘脈沖正跳變前的半個(gè)周期內(nèi)，U0上升不到A14A的門(mén)檻電平時(shí)，ICB被接入的時(shí)間比它要等的時(shí)間還要長(zhǎng)（見(jiàn)圖5-30）。在每次Q2變高電平，ICB被接入時(shí)，一個(gè)計(jì)數(shù)器都要計(jì)算Q2的脈沖（Q2端接與非門(mén)變?yōu)樨?fù)脈沖）。因此，計(jì)算的脈沖數(shù)與輸入電壓（或電流）成正比。由于觸發(fā)器A14A、A14B相當(dāng)于對(duì)時(shí)鐘脈沖作了二分頻，Q2產(chǎn)生的脈沖最快只能為時(shí)鐘脈沖頻率（480kHz）的一半（240kHz)。因此，從“輸入關(guān)閉”信號(hào)移走，到“輸入關(guān)閉”信號(hào)回復(fù)前的16.6ms的電荷平衡狀態(tài)時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器所能計(jì)得的最大數(shù)為

16.6ms×240kHz≈4000個(gè)數(shù)

在電荷平衡工作狀態(tài)的末尾，即ICB關(guān)閉后，“輸入關(guān)閉”信號(hào)回復(fù)前的一段時(shí)間，Iin使積分器的輸出U0遺留一點(diǎn)正電平，因此“單斜率比較器”的輸出也為正，直到U0過(guò)零時(shí)才改變狀態(tài)，關(guān)斷它所控制的開(kāi)關(guān)。比較器的輸出和數(shù)字電路產(chǎn)生的1ms脈沖的“與”,產(chǎn)生“單斜率工作狀態(tài)”信號(hào)，引入電流ISS（ISS=ICB/128）。從“單斜率工作狀態(tài)”信號(hào)產(chǎn)生,到單斜率比較器改變狀態(tài)（U0過(guò)零）的時(shí)間里,一個(gè)頻率為3.84MHz的時(shí)鐘脈沖被計(jì)算。當(dāng)U0過(guò)零時(shí)，ISS被關(guān)斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。在SS態(tài)下獲得的計(jì)數(shù)值僅僅是在CB態(tài)下獲得的計(jì)數(shù)值的1/1024。因?yàn)槿鬋B態(tài)采用像SS態(tài)下那樣小的工作電流，計(jì)數(shù)時(shí)采用SS態(tài)那樣高的頻率，那么所得的計(jì)數(shù)值應(yīng)為現(xiàn)計(jì)數(shù)值的1024倍(128/1×3.84MHz/480kHz)。因此,微處理器將CB態(tài)的計(jì)數(shù)值乘以1024再加上SS態(tài)的計(jì)數(shù)值，便得到一個(gè)復(fù)合的數(shù)（最大可達(dá)4.1百萬(wàn)），該數(shù)值與輸入電壓的大小成正比。圖5-30D觸發(fā)器狀態(tài)變化示意圖

2)數(shù)字電路部分?jǐn)?shù)字電路部分除顯示電路外，主要包括微處理器及有關(guān)的邏輯電路。它們?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過(guò)程提供時(shí)序和控制。微處理器的附加功能還有控制前面板顯示，執(zhí)行前面板程序以及通過(guò)IEEE488接口發(fā)送與接收數(shù)據(jù)、

信息等。

5.4電壓表的使用

5.4.1電壓表選擇的一般原則不同的測(cè)量對(duì)象應(yīng)當(dāng)選用不同性能的電壓表。在選擇電壓表時(shí)，主要考慮其頻率范圍、量程、誤差和輸入阻抗等指標(biāo)。電壓表選擇的一般原則如下：(1)根據(jù)被測(cè)電壓的種類（例如，直流、交流、脈沖、噪聲等），選擇合適的電壓表類型。(2)根據(jù)被測(cè)電壓的大小，選擇量程適宜的電壓表。量程的下限應(yīng)有一定的靈敏度，量程的上限應(yīng)盡量不使用分壓器，

以減小附加誤差。

(3)保證被測(cè)量電壓的頻率不超出所選電壓表的頻率范圍。即使在頻率范圍之內(nèi)，也應(yīng)當(dāng)注意電壓表各頻段的頻率附加誤差。在可能的情況下，應(yīng)盡量使用附加誤差小的頻段。(4)在其他條件相同的情況下，應(yīng)盡量選擇輸入阻抗大的電壓表。在測(cè)量高頻電壓時(shí)，應(yīng)盡量選擇輸入電容小的電壓表。(5)在測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)電壓波形的特征，適當(dāng)選擇電壓表的類型（峰值型、均值型或有效值型），以便正確理解讀數(shù)的含義及對(duì)讀數(shù)進(jìn)行修正。(6)注意電壓表的誤差范圍，包括固有的誤差及各種附加誤差，以保證測(cè)量精確度的要求。

5.4.2電壓表的正確使用

在選擇好電壓表以后，還應(yīng)當(dāng)正確使用電壓表進(jìn)行具體測(cè)量，這樣才能得到良好的測(cè)量結(jié)果。具體應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：(1)正確放置電壓表。(2)在測(cè)量前，要進(jìn)行機(jī)械調(diào)零和電氣調(diào)零。(3)注意被測(cè)電壓和電壓表間的連接。測(cè)試連接線應(yīng)盡量短一些，對(duì)于高頻信號(hào)應(yīng)當(dāng)用高頻同軸電纜連接。應(yīng)當(dāng)注意將電壓表的高端和低端分別與被測(cè)電壓的高端和低端對(duì)應(yīng)連接，并且應(yīng)先接好地線或低端連線；而拆線時(shí)應(yīng)先拆信號(hào)線或高端線。應(yīng)正確地選擇電壓表的接地點(diǎn)。(4)正確選擇量程，如對(duì)被測(cè)電壓的數(shù)值無(wú)把握，應(yīng)先將量程選大些。

(5)注意輸入阻抗的影響。當(dāng)輸入電路對(duì)被測(cè)電路的影響不可忽略時(shí)，應(yīng)進(jìn)行計(jì)算和修正。(6)為了防止外界電磁場(chǎng)的干擾，除應(yīng)選擇抗干擾能力強(qiáng)的電壓表，以及用高頻同軸電纜連接信號(hào)外，對(duì)于微伏級(jí)的電壓測(cè)量應(yīng)在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，使測(cè)試連接線盡量短一些，這樣可以減小外界電磁場(chǎng)的干擾和減小輸入回路分布參量的影響。

思考題與習(xí)題

1.寫(xiě)出題圖5-1所示電壓波形的正半波平均值、負(fù)半波平均值、全波平均值、有效值、正峰值、負(fù)峰值和峰—峰值。2.用全波均值電壓表分別測(cè)量頻率相同的正弦波、三角波和方波電壓。若電壓表指示值均為1V，試計(jì)算被測(cè)電壓的平均值、有效值、峰值各為多少，并將這三種電壓波形畫(huà)于同一坐標(biāo)上進(jìn)行比較。

題圖5-13.在示波器熒光屏上分別觀察峰值Up為10V的正弦波、三角波和方波。分別用均值型、有效值型兩種電壓表測(cè)量，讀數(shù)分別是多少？4.試比較均值型、有效值型兩種電壓表在測(cè)量方波和三角波時(shí)的示值相對(duì)誤差。5.現(xiàn)有三種數(shù)字電壓表，其最大計(jì)數(shù)容量分別為9999、19999、5999。它們各屬幾位電壓表？有無(wú)超量程能力？如有超量程能力，則超量程能力是多少？求第二種電壓表在0.2V量程的分辨率。6.逐次比較式數(shù)字電壓表與雙積分式數(shù)字電壓表各有哪些特點(diǎn)？

7.用8位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電壓，已知Er=256V,Ux=150.5V，求轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制電壓值和測(cè)量誤差（絕對(duì)誤差）。8.簡(jiǎn)述雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。9.在雙積分式數(shù)字電壓表中，基準(zhǔn)電壓UR=10V,取樣時(shí)間T1=1ms,時(shí)鐘頻率f0=10MHz。若T2時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值N2＝5600，問(wèn)被測(cè)電壓Ux等于多少?10.用一種位數(shù)字電壓表的2V量程測(cè)量1.2V電壓。已知該儀器的固有誤差為±(0.05%讀數(shù))±(0.01%滿度)，求由于固有誤差產(chǎn)生的測(cè)量誤差。它的滿度誤差相當(dāng)于幾個(gè)字？11.用一臺(tái)位的數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量。已知固有誤差為±(0.003%讀數(shù))±(0.002%滿度)，選用直流1V量程測(cè)量一個(gè)標(biāo)稱值為0.5V的直流電壓，示值為0.499876V，問(wèn)此時(shí)的示值相對(duì)誤差是多少。12.一臺(tái)數(shù)字電壓表的固有誤差ΔU=±(0.001%讀數(shù)+0.002%滿度)，求在2V量程測(cè)量1.8V和0.18V時(shí)產(chǎn)生的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。

第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制第三節(jié)活塞式空壓機(jī)的管理復(fù)習(xí)思考題單擊此處輸入你的副標(biāo)題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請(qǐng)盡量言簡(jiǎn)意賅的闡述觀點(diǎn)。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應(yīng)用：

1.主機(jī)的啟動(dòng)、換向；

2.輔機(jī)的啟動(dòng)；

3.為氣動(dòng)裝置提供氣源；

4.為氣動(dòng)工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時(shí)間內(nèi)所排送的相當(dāng)?shù)谝患?jí)吸氣狀態(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor空壓機(jī)分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理容積式壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式兩級(jí)活塞式壓縮機(jī)單級(jí)活塞壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)最長(zhǎng)的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動(dòng)件少（軸承與滑片），潤(rùn)滑油在機(jī)件間形成保護(hù)膜，防止磨損及泄漏，使空壓機(jī)能夠安靜有效運(yùn)作；平時(shí)有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機(jī)，至今使用十萬(wàn)小時(shí)以上，依然完好如初，按十萬(wàn)小時(shí)相當(dāng)于每日以十小時(shí)運(yùn)作計(jì)算，可長(zhǎng)達(dá)33年之久。因此，將滑片式空壓機(jī)比喻為一部終身機(jī)器實(shí)不為過(guò)。滑(葉)片式空壓機(jī)可以365天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保證60000小時(shí)以上安全運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣壓縮機(jī)1.進(jìn)氣2.開(kāi)始?jí)嚎s3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。1.進(jìn)氣2.開(kāi)始?jí)嚎s3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機(jī)是世界上最先進(jìn)、緊湊型、堅(jiān)實(shí)、運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)：

A

進(jìn)氣過(guò)濾器

B

空氣進(jìn)氣閥

C

壓縮機(jī)主機(jī)

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動(dòng)疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過(guò)濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機(jī)

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過(guò)濾器螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)是20世紀(jì)90年代末期開(kāi)發(fā)并問(wèn)世的高科技?jí)嚎s機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長(zhǎng)壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機(jī)，已經(jīng)得到壓縮機(jī)行業(yè)的關(guān)注和公認(rèn)。被譽(yù)為“環(huán)保型壓縮機(jī)”。由于渦旋式壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其成為當(dāng)今世界最節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件渦卷付，只有磨合沒(méi)有磨損，因而壽命更長(zhǎng)，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。

由于渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、工作環(huán)境安靜，又被譽(yù)為“超靜壓縮機(jī)”。

渦旋式壓縮機(jī)零部件少，只有四個(gè)運(yùn)動(dòng)部件,壓縮機(jī)工作腔由相運(yùn)動(dòng)渦卷付形成多個(gè)相互封閉的鐮形工作腔，當(dāng)動(dòng)渦卷作平動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使鐮形工作腔由大變小而達(dá)到壓縮和排出壓縮空氣的目的?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)的外形第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過(guò)程

1—2壓縮過(guò)程

2—3排氣過(guò)程第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功