第5章數(shù)字式儀表

☆示波器使用練習題（自編）被測信號參數(shù)規(guī)律正弦正弦示波器參數(shù)頻率HZ501000有效值V106.085.66峰峰值V電壓波形顯示的要求波形周期為10格,峰峰值為6格波形周期為5格,峰峰值為4格垂直靈敏度開關粗調(diào)旋鈕位置細調(diào)旋鈕位置掃描速度開關粗調(diào)旋鈕位置細調(diào)旋鈕位置探頭衰減系數(shù)輸入信號耦合方式（AC、DC）106.08×1.414×2300V3003006=50V大于20V/div10:1AC

T=1/50=20ms20

10=2ms熒光屏Y高度8div熒光屏X長度10div掃描速度旋鈕附圖垂直靈敏度旋鈕附圖2ms校準5V，校準16AC1:14V，校準0.2ms校準第4章課后復習題1、示波管由哪三個部分組成？示波器三個主要部分是什么？2、示波器的Y偏轉(zhuǎn)板和X偏轉(zhuǎn)板各自有何作用?3、連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描各自適合何種被測信號？4、Y通道的輸入耦合方式有哪幾種,各用于什么情況下？5、什么是示波器“同步”，不同步會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？6、對示波器掃描電壓的正程有何要求,對逆程有何要求？7、探頭的衰減開關有何作用？在什么情況下使用？8、掃描擴展旋鈕的作用是什么？在什么情況下使用？9、示波器的主要性能指標有哪些？這些指標各反映示波器的什么？10、示波器的應用習題（如3－12至3－15題）。第5章數(shù)字化測量表

1、數(shù)字化測量技術的發(fā)展概況：測量是獲得信息的重要手段。在自動化信息化社會中，要求測量的精度高、速度快，要求實現(xiàn)測量自動化。同時，被測對象范圍也不斷擴大，由單一物理量擴展為多個物理量，由靜態(tài)量擴展為動態(tài)量。對于這樣的測量任務，傳統(tǒng)的模擬指針式儀表是無法完成的。數(shù)字化測量技術正是適應這一需要而發(fā)展起來的?！?.1概述

數(shù)字化測量：數(shù)字化測量是將被測的連續(xù)物理量經(jīng)過取樣和量化,轉(zhuǎn)化為相應的離散的物理量，以數(shù)字的形式進行編碼、傳輸、存儲、數(shù)據(jù)處理和顯示的測量方法。數(shù)字化測量原理、方法及儀器結構等方面完全不同于傳統(tǒng)的指針式儀表。數(shù)字化測量發(fā)展概況它具有測量速度快、精確度高、操作方便等優(yōu)點。數(shù)字化測量將被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可直接送到計算機中進行數(shù)據(jù)處理或?qū)崟r控制。因此，數(shù)字化測量技術廣泛應用于數(shù)字儀表、非電量測量、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動控制等各個領域。數(shù)字化測量技術的發(fā)展與電子技術、計算機的發(fā)展密切相關，自１９５２年世界上第一臺數(shù)字電壓表問世以來，數(shù)字儀表所用的器件經(jīng)歷了由電子管、晶體管、集成電路到大規(guī)模集成電路、專用集成電路的演變歷程。７０年代由于微處理器和微型計算機的出現(xiàn)智能儀器。2、數(shù)字儀表的特點

1.準確度高：如現(xiàn)代數(shù)字電壓表測量直流的準確度可以達到滿刻度的0.001％，甚至更高。數(shù)字式頻率的準確度可以達到１×１０-9。

2.輸入阻抗高，吸收被測量功率很少。如在現(xiàn)代的數(shù)字電壓表中，基本量限的輸入阻抗高達25000ＭΩ。

3.由于測量結果直接以數(shù)字形式給出，所以示數(shù)讀出方便，沒有讀數(shù)誤差。

4.測量速度快。數(shù)字電壓表的最高測量速度可達每秒鐘幾萬到幾十萬次。2、數(shù)字儀表的特點

5.靈敏度高?，F(xiàn)代積分式數(shù)字電壓表的分辨率可達0.01μＶ。

6.數(shù)字儀表操作簡單，測量過程自動化，可以自動地判斷極性、切換量限。目前，帶有微機處理器的數(shù)字儀表具有自動校零、自動校準、補償非線性和提供自動打印及數(shù)碼輸出等功能。

7.可以方便地與計算機配合。數(shù)字儀表可以通過輸出接口把測量結果直接送給計算機，以便進一步計算和控制。模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件叫作模－數(shù)轉(zhuǎn)換器（Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，簡稱ＡＤＣ）；將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件叫作數(shù)－模轉(zhuǎn)換器（Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，簡稱ＤＡＣ）。它們是聯(lián)接數(shù)字信號和模擬信號的橋梁。

§5.2.1通用電子計數(shù)器

電子計數(shù)器是一種通用的電子儀器,它的功能很全,應用很廣泛。§5.2

電子計數(shù)器電子計數(shù)器也稱為頻率計,可以用來記錄脈沖的個數(shù)、測量頻率、頻率比、周期、時間間隔等參數(shù)。它由四大部分組成,如圖4-2-1所示。

電子計數(shù)器按照功能可以分為如下四類：1.電子計數(shù)器的分類①．通用計數(shù)器它可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、以及進行累加計數(shù)等。②．頻率計數(shù)器是指專門用來測量高頻和微波頻率的計數(shù)器，其功能限于測頻和計數(shù)，其測頻范圍往往很寬。③．時間計數(shù)器時間計數(shù)器是以時間測量為基礎的計數(shù)器，其測時分辨力和準確度都很高，已達皮秒（10－12）的數(shù)量級。④．特種計數(shù)器包括可逆計數(shù)器、預置計數(shù)器、序列計數(shù)器、差值計數(shù)器等。

“時間”的含義有兩個：一個是指“時刻”,即某個事件何時發(fā)生；另一個是指“時間間隔”，即某個事件相對于一開始時刻持續(xù)了多久。本教材測量的時間是指“時間間隔”。2、時間和頻率的定義

時間和頻率測量的一個重要特點就是：時間是一去不復返的。因此，尋找按嚴格相等的時間間隔重復出現(xiàn)的周期現(xiàn)象就成為制定時間和頻率標準的首要問題。所謂頻率就是指周期信號在單位時間（1秒）內(nèi)變化的次數(shù)。如果在一定時間間隔T內(nèi)周期信號重復變化了N次，則其頻率可表達為：

1967年10月的第十屆國際計量大會正式通過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細結構能級之間躍遷頻率相應的射線束持續(xù)9，192，631，770個周期的時間”。這個定義已為全世界所接受，并且自1972年1月1日零時起，時間單位“秒”由天文秒改為原子秒。原子時間只能提供準確的時間間隔。目前，時間和頻率的測量，在所有物理量的測量中處于領先地位，因為頻率是迄今為止復制得最準確（10－13量級）、保持得最穩(wěn)定（10－14/星期）、而且測量得最準確的物理量。工作基準通常都用和一級標準相校準的晶體振蕩器來擔任。2、時間和頻率的定義3、門控計數(shù)法測量原理與門TATBTATBABC電子計數(shù)器采用門控計數(shù)法，可理解為：在規(guī)定的時間內(nèi)打開閘門，讓信號進入計數(shù)電路做累加計數(shù)，在已知的標準時間內(nèi)累計未知的待測輸入信號的脈沖個數(shù)，就實現(xiàn)頻率測量；讀數(shù)∝累計脈沖數(shù)∝被測時間在未知的待測的時間間隔內(nèi)累計已知的標準時間脈沖個數(shù)，就實現(xiàn)周期或時間間隔的測量。其原理如圖所示。4、通用計數(shù)器的組成和原理

被測信號門控信號AB(1)輸入通道：包括放大、整形電路，把周期信號轉(zhuǎn)換成填充脈沖(2)時間基準電路：由晶體振蕩器和分頻器組成，產(chǎn)生門控信號。

(4)計數(shù)器和顯示器對控制門輸出的信號進行計數(shù),并顯示計數(shù)值。

(3)控制門控制門在所選擇的基準時間內(nèi)打開,允許整形后的被測脈沖信號輸入到計數(shù)器中。

用電子計數(shù)器測量頻率的方法如圖4-2-1所示。4.2.2用電子計數(shù)器測量頻率（fx

較高）石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標準時鐘信號經(jīng)過分頻后,得到周期為Td的脈沖信號,用來控制計數(shù)器的門電路的開啟。Nx=Td/Tx=Tdfx

(4-2-1)如果被測信號的周期為Tx,在Td這段時間內(nèi)進入計數(shù)器的脈沖個數(shù)Nx為：被測信號作填充脈沖，時鐘信號作門控信號。則fx=Nx∕Td

如Td=1s，則fx=NxTd=0.1s，則fx=10Nx

可見,可以通過改變開門時間Td的方法來改變頻率計的量限。

顯然,計數(shù)器測量和顯示的是在Td這段時間內(nèi)被測信號頻率的平均值。測量頻率的波形圖如圖4-2-2所示。

當被測信號頻率較低時,用計數(shù)器測量頻率得到的讀數(shù)的位數(shù)較少,這樣使得測量誤差增大。為此,采用測量周期的方法來增加讀數(shù)的位數(shù),降低測量誤差。用電子計數(shù)器測量信號周期的框圖如圖4-2-3所示。用電子計數(shù)器測量周期（適合fx較低）時鐘信號作填充脈沖，被測信號作門控信號。Tx周期較長

若改變填充脈沖的頻率f0,可以改變被測周期的量限。當被測周期較小時,為了增加讀數(shù)位數(shù),提高測量的準確度,可以把被測周期分頻,也就是延長開門時間,這樣也可以擴展測量周期的量限。式中,T0是標準周期。所以,被測量的周期和計數(shù)器的讀數(shù)成正比。

假設計數(shù)器計得的數(shù)為Nx,被測周期為Tx,若未經(jīng)分頻直接用開啟控制門,則進入計數(shù)器的脈沖的個數(shù)為

即Tx=NxT0

(4-2-3)

Nx=Tx/T0=f0Tx

(4-2-2)

被測的兩個脈沖分別送入A、B兩個通道。A通道的信號經(jīng)放大、整形后去打開計數(shù)門；而B通道的信號經(jīng)放大、整形后關閉計數(shù)門。這樣,控制門開啟的時間即為兩脈沖的時間間隔。

測量兩個脈沖之間的時間間隔的框圖如圖4-2-5所示。

4.2.4時間間隔的測量時鐘信號作填充脈沖，兩被測信號對應點分別作開門和關門信號。測量脈沖時間間隔的波形圖如圖4-2-6所示。

開門時間內(nèi)計數(shù)器計得的標準脈沖個數(shù)可以度量時間間隔,T=NxT0

(4-2-6)

式中,T0為標準脈沖的周期，T=t2–t1。t1t24.3.1相位測量原理

相位是交流信號的重要參數(shù)。相位的數(shù)字化測量具有精度高、速度快和頻帶寬等特點。用數(shù)字相位表可以方便地測量相位。

相位的數(shù)字化測量主要采用過零鑒相法,圖4-3-1和圖4-3-2是原理框圖和波形圖?！?.3相位的數(shù)字化測量

具有相位差為jx的兩個同頻率正弦信號u1和u2,經(jīng)過放大、整形后變成方波,其前后沿分別對應正弦波的正向過零點和負向過零點?？梢杂脙尚盘柌ㄐ芜^零的時間差表示兩信號相位差的大小。圖4-3-2過零鑒相法測量相位的波形圖。過零鑒相法測量相位U1過零點U2過零點過零點時間差

具有相位差為jx的兩個同頻率正弦信號u1和u2,經(jīng)過放大、整形后變成方波,其前后沿分別對應正弦波的正向過零點和負向過零點?？梢杂脙尚盘柌ㄐ芜^零的時間差表示兩信號相位差的大小。

設兩個同頻率信號的周期為T,相位差為jx,兩信號波形過零點的時間差為Tx,則存在下列關系式顯然,測出T及Tx,即可求出相位差

x?！?.4電壓的數(shù)字化測量電壓測量是電測量與非電測量的基礎；

測量中，許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量：如表征電信號能量的三個基本參數(shù)：電壓、電流、功率→轉(zhuǎn)換為電壓，再進行測量。電路工作狀態(tài)：飽和與截止，線性度、失真度→由電壓表征，通過電壓進行測量。

非電測量中，物理量→電壓信號，再進行測量。

直流數(shù)字電壓表的組成如圖4－4－1所示。圖中模擬部分包括輸入電路(如阻抗變換，放大電路、量程控制)和A／D變換器，A／D完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字部分完成邏輯控制，譯碼(比如將二進制數(shù)字轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)字)和顯示等功能。1、直流數(shù)字式電壓表(DVM)的組成abcdfgabcdefg111111001100001101101e

數(shù)字顯示的原理共陰極顯示器（2）量程☆2、數(shù)字電壓表的主要性能指標（1）顯示位數(shù)ⅰ完整顯示位：能夠顯示0~9的數(shù)字。

ⅱ非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0、1和2（在最高位上）?；玖砍蹋簾o衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。例如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999。而3

位（3位半）DVM，具有3位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為1999。那么3位呢？2）

應用●直流或慢變化電壓信號的測量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器）。●通過AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構成交流數(shù)字電壓表。

●通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實現(xiàn)電流、阻抗等測量，進一步擴展其功能?！窕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、方差計算等）和通信接口(如GPIB)。2．主要性能指標●顯示位數(shù)n

完整顯示位：能夠顯示0~9的數(shù)字。n

非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。n

如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999。n

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。n

分辨率：用百分數(shù)表示，與量程無關，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：

分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無關），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個字），則分辨率為●測量速度n

每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。n

一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒~幾十次/秒。●測量精度n

取決于DVM的固有誤差和使用時的附加誤差（溫度等）。n

固有誤差表達式：（4）準確度：一般為

0.5%（2）量程：（3）分辨率：通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴展其他量程。如基本量程為10V的DVM，可擴展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程；指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM的靈敏度，通常用能顯示的最小數(shù)字（0除外）與最大數(shù)字之比的百分數(shù)來表示。如

位的分辨率為3、逐位逼近比較式數(shù)字電壓表（直接式）數(shù)字(對應電壓UR)被測電壓Ux（模擬量）顯示數(shù)字思路

DUx二、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似

。所加砝碼重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝碼總重<待測重量Wx

，8克砝碼保留砝碼總重仍<待測重量Wx

，4克砝碼保留砝碼總重>待測重量Wx

，2克砝碼撤除砝碼總重＝待測重量Wx

，1克砝碼保留

結果8克12克12克13克

1.轉(zhuǎn)換原理

所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx

=13克。稱重過程

基本原理：將被測電壓和一可變的基準電壓進行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種“對分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。設基準電壓為VREF=10V，為便于對分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標準值。

VREF可分解為：上式表示，若把VREF不斷細分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無限逼近。當只取有限項時，則項數(shù)決定了其逼近的程度。逐次逼近比較式ADC10000000vx=6.84VVREF=10V10101111逐次比較型工作原理4、電壓-時間變換型數(shù)字電壓表（間接式）☆(2)雙積分式型數(shù)字電壓表：原理框圖如圖4-4-6a所示,雙積分式電壓表基本原理1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導思想

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。該A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器，該電壓表稱為雙積分式電壓表。

基本原理：先將輸入的模擬電壓Ui轉(zhuǎn)換成一個時間間隔T2（與Ui的平均值成線性關系），在此時間間隔內(nèi)，用計數(shù)器對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)器記錄的數(shù)字N2與Ui的平均值成正比,從而得到被測電壓的數(shù)值。

雙積分式電壓表基本原理①定時積分：S1接－Ui

，積分開始，積T1時間，Vo=VCmax；②定值積分：S1接+UN

，反向積分，到Vo=0，計數(shù)器輸出N2。Ui

UN

UN(－6V)(+3V)(－6V)(+3V)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器積分電路如圖所示，已知輸入vI的波形，求：（1）vI為紅線所示的波形。設電路對vI

的積分時間t1=60ms，對VREF積分時使vO=0的時刻為t2。計算t1時刻vO=？t2-t1=?解：(1)

t2-t1=30ms60110－6＋3t(ms)vO(V)t1t290t(ms)－3.8vI(V)vcmax

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器(－6V)(+3V)解：t3-t1=40ms60110－6＋3t(ms)

O(V)t1t210090t(ms)－3.8－5.1＋4t3vcmax結論:t1一定，vcmax與vI成正比。(2)t1、VREF一定，t2-t1與vI

成正比。（2）若vS1改為藍線所示的波形，t1=60ms，計算vO

=?t2-t1=?N1=2n,n為計數(shù)器的位數(shù).Ui

UN

UNT2應與UCmax成正比由T1=N1×To可見，T1與計數(shù)器位數(shù)及時鐘周期有關。當T1確定后，UCmax與ui成正比Tp應改為To，它是時鐘信號的周期N2

T2

UCmUi，由N2即可得到Ui結論：N2∝T2∝

UCmax∝

Ui轉(zhuǎn)換開始，控制電路使被測電壓信號－Ui通過電子開關加到積分器上。當Ui從t0積分到t1時刻時,積分器輸出電壓即積分器電容C上的電壓UC反方向充電增加到UCm－Ui

UN

UN雙積分式電壓表工作原理式中,Ui表示Ui在Ti時間間隔內(nèi)的平均值。在T1這段時間對電壓Ui積分的同時,邏輯控制電路也打開脈沖控制門,讓標準時鐘進入計數(shù)器計數(shù)。雙積分式電壓表工作原理

當?shù)搅藅1，斷開Ui，邏輯電路將正的基準電壓UN(Ui為正時,選-UN)經(jīng)電子開關接到積分器。從t1時刻起,積分器進行反向積分,積分電容C開始放電，且計數(shù)器清零重新計數(shù)。經(jīng)過時間間隔T2后,積分器輸出電壓從UCmax

降到零電平,于是不難得出在t2時刻有Ui

UN

UN雙積分式電壓表工作原理因為UN、T1是定值,所以式(4-4-5)表明,被測電壓正比于時間間隔T2。若以N2代表T2期間的脈沖計數(shù),把T2=N2T0,T1=N1T0代入式(4-4-5),可得：雙積分式電壓表測量電壓的過程可見,只要選取合適的比例使K=10n,就可由T2時間間隔內(nèi)的脈沖計數(shù)N2計算出被測電壓值。在uC回到零電平的t2時刻,零電平比較器發(fā)出信號,由邏輯控制電路關閉計數(shù)器停止計數(shù),被測定的電壓Ui經(jīng)顯示器顯示出來。與此同時,邏輯控制電路經(jīng)電子開關斷開基準電壓UN,并置電容為零狀態(tài),為下一個測量周期做好準備。結論：N2∝T2∝

UCmax∝

Ui雙積分式電壓表測量電壓的過程