第三章電壓的測(cè)量

第三章電壓的測(cè)量第1頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要電壓測(cè)量是電子測(cè)量的重要內(nèi)容之一。＊本章內(nèi)容主要有：●電壓測(cè)量的重要意義及特點(diǎn)；●電壓表的分類(lèi)及交流電壓的基本參數(shù)；●模擬式電壓表；●數(shù)字電壓表（DVM）；●數(shù)字多用表第2頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.1概述一、電壓測(cè)量的意義、特點(diǎn)重要性

電壓測(cè)量是電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ)：1）電測(cè)量中，電量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量2）電路工作狀態(tài)3）非電測(cè)量中2.電壓測(cè)量的特點(diǎn)（對(duì)電壓測(cè)量?jī)x器的要求）

(1)頻率范圍廣零頻（直流）～109Hz；低頻：1MHz以下；高頻：1MHz以上。

第3頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.1概述(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)輸入阻抗高(4)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。(5)抗干擾性能工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，存在較大的干擾第4頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a、放大—檢波式先放大再檢波，因此靈敏度很高，通頻帶窄。二、電子電壓表的分類(lèi)可變量程分壓器交流放大器檢波器ux

3.1概述模擬式電壓表數(shù)字式電壓表1、模擬式電壓表

（1）主要結(jié)構(gòu)表頭：磁電式直流電流表；交直流轉(zhuǎn)換器：檢波器。（2）分類(lèi)

1）按檢波器的位置分類(lèi)第5頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：這種電壓表的頻率范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用超高頻檢波二極管時(shí)，可使這種表的頻率范圍從幾十赫茲至數(shù)百兆赫茲，甚至可達(dá)1GHz，輸入阻抗也比較大，一般稱(chēng)之為高頻毫伏表或超高頻毫伏表。為了使測(cè)量靈敏度不受直流放大器零點(diǎn)漂移等的影響，一般利用調(diào)制式（即斬波式）直流放大器放大檢波后的直流信號(hào)。而且將檢波器做成探頭直接與被測(cè)電路連接，從而減小分布參數(shù)及外部干擾信號(hào)的影響。3.1概述第6頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1概述可變量程分壓器直流放大器檢波器uxb、檢波—放大式先檢波再放大，因此通頻帶很寬,靈敏度較低。缺點(diǎn)：由于寬帶放大器增益與帶寬的矛盾使放大—檢波式電壓表的頻寬難以擴(kuò)展，靈敏度也受到內(nèi)部噪聲和外部干擾的限制。頻率范圍一般為20Hz～10MHz，靈敏度達(dá)毫伏級(jí)，通常稱(chēng)之為視頻毫伏表，多用在低頻、視頻場(chǎng)合。第7頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月混頻器中頻放大器檢波器fxfAf0本機(jī)振蕩器c、外差式其組成為：外差式接收機(jī)＋寬頻電平表。特點(diǎn)是：靈敏度高，通頻帶寬。3.1概述第8頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)按檢波器的類(lèi)型分類(lèi)a、均值電壓表：檢波器為均值檢波器；b、峰值電壓表：檢波器為峰值檢波器；c、有效值電壓表：檢波器為有效值檢波器；

3.1概述2、數(shù)字電壓表（DVM)（1）主要結(jié)構(gòu)：A/D轉(zhuǎn)換器。（2）分類(lèi)：按A/D轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型可將數(shù)字電壓表分為：比較式數(shù)字電壓表；積分式數(shù)字電壓表；復(fù)合式數(shù)字電壓表。

第9頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、峰值（Up）以零電平為參考的最大電壓幅值;

振幅值(Um)

以信號(hào)中直流分量為參考的最大電壓幅值。三、交流電壓的基本參數(shù)

圖中，UP——峰值，UM——振幅，U0——直流分量。tu(t)Vp0UmTU0

3.1概述第10頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、平均值數(shù)學(xué)上定義為：

由此可見(jiàn)，不同信號(hào)的平均值有可能相同，數(shù)學(xué)平均值定義不能唯一說(shuō)明信號(hào)的特征。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）。

T為u(t)的周期。U相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。例：u1(t)=sinωtV,U1=0V;u2(t)=cosωtV,U2=0V;u3(t)=(U0+sinωt)V,U1=U0V;u4(t)=(U0+cosωt)V,U1=U0V;

3.1概述第11頁(yè)，課件共62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。1）全波平均值2）半波平均值正半波平均值：負(fù)半波平均值：

3.1概述第12頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、波峰因數(shù)波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，5、波形因數(shù)波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示，F(xiàn)UKU=有效值平均值=ppUKU=峰值有效值=

3.1概述第13頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2模擬式交流電壓表

3.2.1均值電壓表一、工作原理均值響應(yīng)，即：u(t)

放大

均值檢波

驅(qū)動(dòng)表頭二極管橋式整流（全波整流和半波整流）電路完成。D4D1D2D3u(t)+u0(t)–C+uc(t)–u0(t)=uc(t),波形圖如下：∴Uo=uc(t)≈u(t)C放電C充電uct0第14頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、刻度特性●

表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度?！?/p>

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）?！?/p>

對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)α沒(méi)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。即：α=KU

α為峰值電壓表的示值，U為被測(cè)電壓的平均值，K為定度系數(shù)。對(duì)與正弦波，U=α=KU，于是可得3.2模擬式交流電壓表第15頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、均值電壓表的波形誤差如果被測(cè)電壓不為正弦波，直接將均值電壓表示值作為被測(cè)電壓的有效值，則會(huì)帶來(lái)“波形誤差”。計(jì)算公式為：3.2模擬式交流電壓表第16頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2峰值電壓表3.2模擬式交流電壓表一、峰值檢波器原理峰值響應(yīng)，即：u(t)

峰值檢波

放大

驅(qū)動(dòng)表頭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。工作原理：

a)串聯(lián)式：判斷二極管的導(dǎo)通及截止情況；

Ui(t)>Uc(t)，D導(dǎo)通，向C充電，UR(t)=Uc(t)，RDC<<Tmin；Ui(t)<Uc(t)，D截止，C放電，UR(t)=Uc(t),RC>>Tmax;(RD為二極管內(nèi)阻，RDC為充電常數(shù)；RC為放電常數(shù))所以：UR=Uc≈UP+CDR+–+–~Ui(t)URUca)串聯(lián)式Uc0tUR第17頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CDR+–+–~Ui(t)+URUcb)并聯(lián)式

b)并聯(lián)式：判斷二極管的導(dǎo)通及截止情況；Ui(t)>Uc(t)，D導(dǎo)通，向C充電，UR(t)=0,RDC<<Tmin;Ui(t)<Uc(t)，D截止，C放電，UR(t)=Ui(t)–Uc(t),RC>>Tmax;(RD為二極管內(nèi)阻，RDC為充電常數(shù)；RC為放電常數(shù))所以：UR(t)=Ui(t)–Uc(t)UR=Ui–Uc≈Ui–UP+=U0–UP+=–Um+

Uc0tUCUx總結(jié)：串聯(lián)式峰值檢波器：UR=UP+，電路中的電容C起濾波作用；并聯(lián)式峰值檢波器：UR=–Um+，電路中的電容C有隔直流和濾波作用。3.2模擬式交流電壓表第18頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1：用一只串聯(lián)式峰值電壓表和一只并聯(lián)式峰值電壓表分別測(cè)量電壓Ux(t)=(10+5sinωt)V，試判斷兩只電表內(nèi)檢波器的輸出是多少。3.2模擬式交流電壓表解：

Ux(t)=(10+5sinωt)VUxm+=5V,Uxp+=10+5=15V所以：串聯(lián)式檢波器輸出對(duì)應(yīng)Uxp+=15V;

并聯(lián)式檢波器輸出對(duì)應(yīng)Uxm+=5V。第19頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、定度系數(shù)

●表頭刻度按（純）正弦波有效值定度?！?/p>

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(méi)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。即：α=KUp

α為峰值電壓表的示值，Up為被測(cè)電壓的峰值，K為定度系數(shù)。對(duì)于正弦波，U=α=KUp，于是可得將K代入α=KUp，可得3.2模擬式交流電壓表第20頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例2：用峰值電壓表分別測(cè)量正弦波、三角波和方波電壓，電壓表示值均為10V，問(wèn)三種波形被測(cè)信號(hào)的峰值和有效值各為多少？3.2模擬式交流電壓表解：三種波形電壓的峰值均為Up～=Up=UP=√2α=√2×10V=14.14V

正弦波的有效值即為電壓表示值，即U～=α=10V三角波、方波的有效值分別為：第21頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、波形誤差如果被測(cè)電壓不為正弦波，直接將峰值電壓表示值作為被測(cè)電壓的有效值，則會(huì)帶來(lái)“波形誤差”。計(jì)算公式為：3.2模擬式交流電壓表第22頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3有效值電壓表

一、工作原理

有效值檢波器輸出對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的有效值，即UO(t)∝Ux;考慮有效值的定義，為方便也可使檢波器輸出對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)有效值的平方，即UO(t)∝Ux2

。可以有以下三種方案。1、利用二極管平方律伏安特性檢波小信號(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。因此，實(shí)際應(yīng)用中，采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路。2、利用熱電偶輸出輸入關(guān)系熱電偶兩個(gè)冷端處產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與熱端所加電壓的有效值平方成正比，即UO(t)∝Ux2

。3.2模擬式交流電壓表第23頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月而有效值電壓表，直接獲得有效值，是真有效值表。原理有效值的物理定義----熱電偶式有效值的數(shù)學(xué)定義----計(jì)算式1)熱電偶式：不同金屬界面逸出功不同，冷、熱端形成電位差電勢(shì)E=kU2電勢(shì)正比輸入功率，可作微波功率計(jì)。如何直接測(cè)電壓？鐵康銅熱電偶真空管u(t)RIμAE第24頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月U寬放u(t)10MHzVT2EfE1Uo∞++T1+-+A圖5.17熱偶式有效值電壓表Ui電路平衡時(shí)‖‖‖第25頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波

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(kāi)方、比例運(yùn)算。

二、計(jì)算公式：Ux=α理論上不存在波形誤差，因此也稱(chēng)真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無(wú)關(guān)）。3.2模擬式交流電壓表第26頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型產(chǎn)品：DA30型，頻率范圍10Hz~10MHz，量程范圍1mV~300V第27頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表3.2三種電子電壓表主要特性比較電壓表組成原理主要適用場(chǎng)合實(shí)測(cè)讀數(shù)α讀數(shù)α的物理意義對(duì)正弦波非正弦波均值放大-均檢低頻信號(hào)視頻信號(hào)有效值U峰值峰檢-放大高頻信號(hào)峰值UP0.707UP有效值UU=UP/KP有效值熱電偶式計(jì)算式非正弦信號(hào)有效值UU真有效值U均值1.11U=KF

第28頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4

數(shù)字電壓表概述3.4.1

數(shù)字電壓表組成原理數(shù)字電壓表(DVM—DigitalVoltmeter)圖3.24直流數(shù)字電壓表的基本方框圖輸入模擬部分?jǐn)?shù)字部分電源輸入電路轉(zhuǎn)換器A-D計(jì)數(shù)器顯示器輯電路控制邏第29頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一．DVM的組成數(shù)字電壓表（DigitalVoltageMeter，簡(jiǎn)稱(chēng)DVM）。1）組成框圖2）

內(nèi)部構(gòu)成●包括模擬和數(shù)字兩部分?！褫斎腚娐罚簩?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(chēng)ADC），實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換?！駭?shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果?！襁壿嬁刂齐娐罚涸诮y(tǒng)一時(shí)鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。3.4

數(shù)字電壓表概述第30頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）

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）?！裢ㄟ^(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。●基于微處理器的智能化DVM稱(chēng)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31頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2

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

能顯示從0～9所有數(shù)字的位是整數(shù)值；②

分?jǐn)?shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿程時(shí)

最高位數(shù)字做分母。例如，1999≈2000，31/2三位半39999≈40000，43/4四又四分之三位499999≈500000，54/5五又五分之四位第32頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)超量程能力定義：指數(shù)字電壓表能測(cè)量的最大電壓超過(guò)其量程值的能力。DVM有無(wú)超量程能力取決于它的量程分檔情況和能夠顯示的最大數(shù)字情況?？蓮挠?jì)數(shù)脈沖角度來(lái)考慮，顯示器可顯示多余脈沖則有超量程能力。例如：1、顯示位數(shù)為3位完整位的數(shù)字電壓表最大顯示數(shù)字為999，其內(nèi)部在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，若被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)大于999，則多出的脈沖無(wú)法被計(jì)數(shù)器顯示，將溢出，既不能被測(cè)量。2、顯示位數(shù)為3位半時(shí)最大顯示數(shù)字為1999，其最高位還可容納多出的脈沖，即可進(jìn)行超量程測(cè)量。帶有半位的DVM如按2V、20V、200V等分檔，最大顯示數(shù)字位則無(wú)超量程能力；若按1V、10V、100V等分檔則具有100%的超量程能力。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第33頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算公式：

超量程能力=[（能測(cè)量的最大電壓-量程值）/量程值]?100%

例如：3位半DVM2V量程時(shí)，最大顯示數(shù)字為1999,最大測(cè)量電壓為1.999V，無(wú)超量程能力；

1V量程時(shí)，最大顯示數(shù)字為1999,最大測(cè)量電壓為1.999V，超量程能力為100%。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第34頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月●

分辨力定義：

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”）。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第35頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如，3?、4?位、8?位DVM的最高分辨力分別為100μV、0μV、1nV。1.999999V：量程/最大顯示值=2/1999999=2/2000000V=10-6V=1μVVmVμV分辨率：數(shù)字電壓表的分辨力指標(biāo)亦可用分辨率來(lái)表示。分辨率是指所能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。例如，3?位DVM的分辨率為1/1999≈0.05％。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第36頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分辨率：數(shù)字電壓表的分辨力指標(biāo)亦可用分辨率來(lái)表示。用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無(wú)關(guān)，比較直觀。如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（共2000個(gè)字），則分辨率為3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第37頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.測(cè)量誤差數(shù)字電壓表的固有誤差用絕對(duì)誤差Δ表示，其表示方式有多種：ΔU=±(a％Ux十b％Um)=±(a％Ux十n字)=±(appmUx十bppmUm)例：DS-14基本量程5V，44/5位ΔU=±(0.006％Ux十0.002％Um)=±(0.00006Ux十0.00002*5)=±(60*10-6Ux+0.0001V)=±(60ppmUx十1個(gè)字)

4.9999V

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

任一讀數(shù)下的相對(duì)誤差為（5.40）由此式可見(jiàn)，隨讀數(shù)Ux減小而增加，故在測(cè)量小電壓時(shí)，宜換用較小的量程檔，以提高測(cè)量精度。此結(jié)果與模擬電壓表是一致的。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第38頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例2.用一種4位半DVM的2V量程測(cè)量1.2V電壓。已知該電壓表的固有誤差為，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？解：四位半電壓表最大顯示數(shù)字為19999，在2V量程上測(cè)量的最大電壓為1.9999V,則分辨力為0.0001V；

固有誤差為

相當(dāng)于

個(gè)字3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第39頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分辨力準(zhǔn)確度（誤差）≠需要指出，分辨力與準(zhǔn)確度屬于兩個(gè)不同的概念。前者表征儀表的“靈敏性”，即對(duì)微小電壓的“識(shí)別”能力；后者反映測(cè)量的“準(zhǔn)確性”，即測(cè)量結(jié)果與真值的一致程度。二者無(wú)必然的聯(lián)系，因此不能混為一談，更不得將分辨力（或分辨率）誤以為是類(lèi)似于準(zhǔn)確度的一項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)際上分辨力僅與儀表顯示位數(shù)有關(guān)，而準(zhǔn)確度則取決于A/D轉(zhuǎn)換器等的總誤差。從測(cè)量角度看，分辨力是“虛”指標(biāo)（與測(cè)量誤差無(wú)關(guān)），準(zhǔn)確度才是“實(shí)”指標(biāo)（代表測(cè)量誤差的大?。?。因此，任意增加顯示位數(shù)來(lái)提高儀表分辨力的方案是不可取的。例選用分辨率為24位的A/D，并不能保證實(shí)現(xiàn)24位的準(zhǔn)確度。在設(shè)計(jì)上通常，分辨力應(yīng)高于準(zhǔn)確度，保證分辨力不會(huì)制約可獲得的準(zhǔn)確度，以保證從讀數(shù)中檢測(cè)出小的變化量。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性第40頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量速率是每秒鐘對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù)或測(cè)量一次所需的時(shí)間，它主要取決于DVM中所采用的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。5.輸入阻抗與輸入電流目前，多數(shù)數(shù)字電壓表的輸入級(jí)用場(chǎng)效應(yīng)管組成，在小量程上，其輸入阻抗可高達(dá)104MΩ以上，在大量程時(shí)(如100V、1000V等)，由于使用了分壓器，輸入阻抗一般為10MΩ。6.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是DVM跟蹤輸入電壓突變所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間與量程有關(guān)，故可按量程分別規(guī)定或規(guī)定最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間分為三種。7.抗干擾能力——串模抑制比和共模抑制比數(shù)字電壓表的內(nèi)部干擾有漂移及噪聲，外部干擾有串模干擾及共模干擾。3.4.2

數(shù)字電壓表的主要工作特性4.測(cè)量速率第41頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3數(shù)字電壓表的分類(lèi)1.按結(jié)構(gòu)形式分1)臺(tái)式通常5以上

2)便攜式通常3及4位數(shù)3)面板表也稱(chēng)數(shù)字表頭。多為3～4直流電壓表，只有一個(gè)基本量程，如0~5V，用于機(jī)器面板上，取代原來(lái)模擬指針式表頭。第42頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.按A/D轉(zhuǎn)換器原理A/D變換積分式比較式雙斜式、多斜式脈沖調(diào)寬式電壓反饋型V-F變換式反饋比較式逐次比較式余數(shù)循環(huán)比較式直接比較式并聯(lián)比較式分級(jí)式（流水線式）各種數(shù)字面板表第43頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5A/D轉(zhuǎn)換原理積分式：雙積分式，抗干擾能力強(qiáng)，速度慢；非積分式：逐次逼近式，抗干擾能力弱，速度快。一、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器1、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。2、結(jié)構(gòu)框圖D/A轉(zhuǎn)換器比較寄存器基準(zhǔn)電壓源時(shí)鐘脈沖發(fā)生器

比較器Ui最高位最低位最高位最低位并行數(shù)字輸出第44頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5

積分式A/D轉(zhuǎn)換原理1.工作原理Ui-Ur+UrK1K1K2K2K3K3K4K4ARC+--+比較器積分器CD發(fā)生器時(shí)鐘顯示器數(shù)字輯電路控制邏計(jì)數(shù)器過(guò)程：三階段準(zhǔn)備期----復(fù)零，K4接通取樣期----第一次積分，K1接通

特點(diǎn)：定時(shí)積分T1固定，

UO1∞(正比)于Ui比較期----第二次積分，K3/K4接通

特點(diǎn)：定值積分（反向）

N2∞UO1∞UI3.5.1

雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器K1K2K3斷斷斷斷斷斷通通通通積分器輸入A00UiUr(定值)t1t2t1t2t3積分器輸出B計(jì)數(shù)器比較器輸出C輸入DT1T2(定時(shí))Uo1N2T0N1T0N2T0T0(b)N2U02B第45頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月K1K2K3斷斷斷斷斷斷通通通通積分器輸入A00UiUr(定值)t1t2t1t2t3積分器輸出B計(jì)數(shù)器比較器輸出C輸入DT1T2(定時(shí))Uo1N2T0N1T0N2T0T0(b)N2U02第46頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.關(guān)系式1)數(shù)學(xué)推導(dǎo)

（5.45）T1=N1ToT2=N2To（5.46）

（5.47）t1t2t3U01第47頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月令e——刻度系數(shù)（伏/字）。例如，Ur=10V，N1=10000，則e=Ur/N1=1mV/字。2)面積相等S1=T1Ui，S2=T2Ur相等，則S1=S2，故3)電荷相等T1期間充電電荷Q1=(Ui/R1)T1與T2期間放電電荷Q2=(Ur/R2)T2相等。則Q1=Q2，故（5.48）

式（5.48）當(dāng)充放電電路中限流電阻不等時(shí)，應(yīng)用很方便。當(dāng)R1=R2時(shí)，則與（5.45）的結(jié)果相同。與（5.45）結(jié)果一樣。S1S2第48頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)1)抗串模干擾能力強(qiáng)輸入電壓積分器輸出輸入電壓積分器輸出工頻干擾Ui0T1T2T1T2’000tttt尖峰干擾Ui有干擾無(wú)干擾DVMUiUn(a)(b)(c)圖5.28雙斜式電壓－數(shù)字轉(zhuǎn)換器第49頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所謂串模干擾是指與被測(cè)信號(hào)相串聯(lián)地加到DVM輸入端的干擾信號(hào)，如果取T1=n×T~=n×20mSn=1,2,3,…。對(duì)脈沖性質(zhì)的干擾信號(hào)，雙斜積分式A/D也有一定的平均作用。2)對(duì)積分元件及時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度要求大為降低因?yàn)?，在采樣和比較測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段內(nèi)使用的是同一積分器和時(shí)鐘信號(hào)，其影響可以相互抵消。對(duì)它們只要求有足夠的短期穩(wěn)定性即可。3)測(cè)量靈敏度較高雙積分式DVM有效地解決干擾問(wèn)題，只要適當(dāng)選擇R、C、T1，積分放大器可以得到很高的增益(A＝T1／RC)，可測(cè)mV級(jí)電壓。4)測(cè)量速度慢是其主要缺點(diǎn)為了抑制電源50Hz工頻干擾，一般T1取20~l00ms，再加上T2等時(shí)間，故測(cè)量速率一般只有5~30次／s左右。5)積分器、比較器中運(yùn)放的零點(diǎn)漂移會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換誤差第50頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.單片雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器圖5.327106構(gòu)成的3位基本表電路127106是把模擬電路與數(shù)字邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模CMOS集成電路，其工作原理與ICL7126、ICL7135基本一致。7106是目前在各種數(shù)顯表和萬(wàn)用表中使用較多的一種芯片。第51頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5.5積分式A/D的發(fā)展1.雙斜積分ADC的不足⑴精確度不夠高，自動(dòng)校零后也僅做到3~4位，若要提高到5~4怎么辦呢？⑵轉(zhuǎn)換速度低，因?yàn)槊看螠y(cè)量要經(jīng)歷復(fù)零、采樣、比較三個(gè)階段，尤其采樣階段T1按n倍工頻周期設(shè)計(jì)，測(cè)量速率一般只有5~30次／s左右。若要提高到500~1000次/s要采用什么措施？當(dāng)前積分式DVM精度已達(dá)8，測(cè)量速率高的可達(dá)1000次/s。在高精度、高速度的DVM產(chǎn)品中，各廠商都有自己的專(zhuān)利技術(shù)，不會(huì)公開(kāi)其關(guān)鍵技術(shù)與工藝?，F(xiàn)介紹改進(jìn)的基本思路。2.改進(jìn)的基本途徑⑴放棄T1=nT~的設(shè)計(jì)原則，改用對(duì)工頻干擾進(jìn)行濾波、屏蔽等措施，從而縮短T1采樣期。第52頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月故比較期分兩步：（先用大刻度系數(shù)e提高速度，后用小e保證分辨率）為放電快→Ur↑→e↑→分辨率↓討論：如何提高速度？UXT1T2T2tUX小UX大大e小e設(shè)法使T2↓（應(yīng)加速放電）：第53頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ui

輸入

K1K2K3R1R2R3-Er＋－-Er-Er/2nR－＋比較器積分器C

uiABAABBK1K2K3比較器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器寄存器寄存器高位輸出低位輸出時(shí)鐘發(fā)生器控制邏輯電路圖5.41三斜式A/D轉(zhuǎn)換器的原理⑵三斜積分---比較期T2分步進(jìn)行?？闯?，為了保證分辨率，刻度系數(shù)e要小，則基準(zhǔn)電壓Ur不能大大，則比較期對(duì)積分電容反向充電速度慢。若將雙斜式改為三斜式，將比較期分為兩步：第54頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)鐘N1N2N3uo0E1T1T2T3u1RCErRC--Er/2nRC