數(shù)字多用表的計量檢定講稿.ppt

1、數(shù)字多用表,電學培訓-,課程主要內(nèi)容,交直流數(shù)字儀器計量基礎(chǔ)知識 交直流數(shù)字儀器技術(shù)要求 交直流數(shù)字儀器的基本原理 交直流數(shù)字儀器的檢定,第一章 交直流數(shù)字儀器計量基礎(chǔ)知識,交直流數(shù)字儀器是指以數(shù)字形式顯示測量結(jié)果，測量或輸出交直流電壓，交直流電流，交直流電阻的儀器儀表。,第一節(jié) 數(shù)字儀器發(fā)展與現(xiàn)狀,數(shù)字儀器準確度高，從2 1/2到8 1/2。不僅可以作為測量用工作計量器具，也可以作為量值傳遞用計量標準甚至計量基準。 數(shù)字儀器具有智能化和可程控性，智能化通過自動零位修正、自動線性修正等技術(shù)進一步促進了準確度等性能指標的提高，同時還使數(shù)字儀器具有了測量結(jié)果的自動數(shù)據(jù)處理、自動操作、自動量程轉(zhuǎn)換、

2、自動檢測、自動調(diào)整、自動診斷自動化等功能。 可程控性使數(shù)字儀器能夠與計算機連接，通過計算機等外部控制器實現(xiàn)更強大的自動測試、自動處理數(shù)據(jù)、自動編輯數(shù)據(jù)、自動存儲、自動顯示、自動打印等功能。 用計算機和可程控數(shù)字儀器能夠方便地組成自動測試系統(tǒng)，使計量測試實現(xiàn)了自動化，使計量測試領(lǐng)域跟上計算機、網(wǎng)絡(luò)時代的步伐成為可能。,為了使不同國別、不同廠家、不同功能、不同類型的可程控數(shù)字儀器的接口具有通用性，使其能夠方便地與計算機及其他裝置相互連接，組成各種目的的自動測試系統(tǒng)，需要通用的接口總線。 目前數(shù)字儀器常用的接口總線是GPIB通用接口總線和RS232C通訊接口總線。絕大多數(shù)臺式數(shù)字儀器、便攜式數(shù)字儀器

3、都帶有GPIB接口或RS232C接口。 如果各個不同廠家、不同功能的器件，都配裝了包含器件功能和接口功能的GPIB接口，由于各接口是標準化的，那么在組建自動測試系統(tǒng)時，人們在接口硬件方面無需再做任何硬件工作，只需用一條條GPIB母線將它們連接起來，便可方便地組成各種目的的自動測試系統(tǒng)。 RS-232C標準串行接口總線是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA公布的串行通訊標準，目前廣泛應用于計算機與外圍設(shè)備的串行異步通信接口中。,在由多臺獨立數(shù)字儀器組成的自動測試系統(tǒng)中，每臺數(shù)字儀器都有顯示器、鍵盤和存儲器等部件。這些部件功能重復沒有必要，為了降低自動測試系統(tǒng)的成本，電源的體積和重量，將獨立儀器中的顯示電路、鍵

4、盤、存儲器等去掉，把測量電路部分和接口電路部分制成插卡式模塊，用不同的模塊與計算機等設(shè)備連接組成自動測試系統(tǒng)，1992年制定了適用于模塊化儀器的接口總線標準VXIbus ReV.1.4。不同國別、不同廠家、不同功能的帶VXIbus接口總線儀器模塊，即VXIbus模塊都可插入同一機箱。VXI儀器系統(tǒng)是標準總線式模塊化儀器系統(tǒng)，一般由微機、VXIbus模塊和VXIbus機箱組成。 VXIbus儀器模塊是數(shù)字儀器的發(fā)展方向，VXIbus儀器自動測試系統(tǒng)是自動測試系統(tǒng)的發(fā)展方向。,PCI、VXI、PXI,VXI,PCI,PXI,圖形語言的發(fā)展使我們能夠用圖形語言編寫GPIB儀器自動測試系統(tǒng)的程序，與w

5、indows視窗操作系統(tǒng)類似，能夠通過點擊圖標和圖形來編寫和運行程序，實現(xiàn)儀器程控，完成自動測試系統(tǒng)的測試目的。這些圖標和圖形可以做成與獨立測量儀器面板上的控制件和顯示件相似，這樣便在自動測試系統(tǒng)主計算機屏幕上形成儀器軟面板，即所謂虛擬儀器。虛擬儀器的實現(xiàn)主要依靠計算機圖形語言，美國惠普公司（HP）、美國國家儀器公司NI、美國吉時利公司Keithly和美國艾歐泰克公司Iotech研制開發(fā)出了許多適合于自動測試系統(tǒng)的圖形語言，尤其是美國NI公司的labview得到了廣泛的認同和應用。 數(shù)字儀器的發(fā)展使測試儀器跟上了計算機發(fā)展的步伐，計算機技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了全新概念的測量儀器，數(shù)字儀器是測量儀器的發(fā)

6、展方向，VXI硬件模塊和計算機軟件形成的虛擬儀器是數(shù)字儀器的發(fā)展方向，數(shù)字儀器將進一步軟件化、集成化、系統(tǒng)化。自動測試系統(tǒng)的硬件組建將更加方便靈活，軟件編程將更加簡單，巧妙的測試方法，精湛的測試技術(shù)，豐富的測試經(jīng)驗將被固化到測試程序中，形成軟件形式的專家測試系統(tǒng)。,目前交直流數(shù)字儀器的用途和性能水平為：,一、直流數(shù)字電壓表 直流數(shù)字電壓表的基本用途是測量直流電壓，低電壓表可作為電壓指零儀，即作為測量用工作計量器具，由于直流數(shù)字電壓表準確度不斷提高，已經(jīng)可以做到8 1/2位，10-6數(shù)量級，所以直流數(shù)字電壓表已進入校準實驗室，作為量值傳遞用的計量標準，承擔保存和復現(xiàn)直流電壓量值的任務(wù)，檢定直流電

7、壓表，直流電壓源等直流電壓計量器具。智能型直流數(shù)字電壓表還可以測量一段時間內(nèi)被測量的最大值、最小值，測量誤差，比例，平均值，方差等。,目前先進的直流數(shù)字電壓表性能為： 1. 顯示位數(shù) 達到8 1/2 2. 分辨力 達到0.01V 3. 輸入電阻 達到1010 4. 測量誤差 達到10-6數(shù)量級 5. 測量速度 達到每秒幾萬次 6. 測量范圍 100nV100kV 按工作原理分 1. 比較型 比較型又分為逐次比較型、剩余電壓再循環(huán)型 2. 積分型 積分型又分為雙積分型、三積分型、脈沖調(diào)寬型、V-F變換型 3. 斜波型 斜波型又分為斜波式、階梯斜波式 4. 復合型 復合型又分為積分內(nèi)插式、積分電位

8、差式。,二、直流數(shù)字電流表 直流數(shù)字電流表用于測量直流電流，小電流表可用作電流指零儀，還可用作計量標準，保持和復現(xiàn)直流電流量值對直流電流進行量值傳遞，檢定直流電流表，直流電流源等直流電流計量器具。目前先進的直流電流表性能為： 1. 顯示位數(shù) 6 1/2 2. 分辨力 0.1aA 3. 測量誤差 105數(shù)量級 4. 測量范圍 1pA20A 直流數(shù)字電流表的類型按原理分有電阻式、放大器式、斬波放大器式。按顯示位數(shù)分有三位、三位半六位、六位半。按體積形狀分有臺式、便攜式、手持式、面板式。,三、直流數(shù)字歐姆表 直流數(shù)字歐姆表用于測量直流電阻，精密低阻值的直流數(shù)字歐姆表一般可以測量四線接法的直流電阻以便

9、消除引線電阻引入的測量誤差。直流數(shù)字歐姆表還可用作計量標準，保持和復現(xiàn)直流電阻量值，對直流電阻進行量值傳遞，檢定直流電阻表，直流電阻源，直流電阻箱，直流電橋等直流電阻計量器具。目前先進的直流數(shù)字歐姆表的性能為： 1. 顯示位數(shù) 8 1/2 2. 分辨力 1 3. 測量誤差 106數(shù)量級 4. 測量范圍 1108 直流數(shù)字歐姆表的類型按原理分有恒流源式運算放大器法、四線測量法、電壓法、比率法、逐位平衡法。按顯示位數(shù)分有三位、三位半八位、八位半。按體積形狀分有臺式、便攜式、手持式、面板式。,四、交流數(shù)字電壓表 交流數(shù)字電壓表用于測量交流電壓，還可用作計量標準，保存和復現(xiàn)交流電壓量值，對交流電壓進行

10、量值傳遞，檢定交流電壓表，交流電壓源等交流電壓計量器具。目前先進的交流數(shù)字電壓表的性能為： 1. 顯示位數(shù) 6 1/2 2. 分辨力 1nV 3. 測量誤差 105數(shù)量級 4. 測量范圍 1mV10kV 10Hz10MHz 交流數(shù)字電壓表的類型很多。 按被測量的參數(shù)分，有平均值表、有效值表、峰值表。最適用的是真有效值表，不僅可以測量正弦電壓的有效值，也可測量非正弦電壓的有效值，但原理復雜，成本較高。平均值表原理結(jié)構(gòu)簡單，成本低，只是不適用于非正弦，應用也比較多。峰值表只適用于某些特殊測量，應用較少。 按工作原理分，有檢波式、熱電式、電子式。 按顯示位數(shù)分有三位、三位半七位半。,五、交流數(shù)字電流

11、表 交流數(shù)字電流表用于測量交流電流，還可用作計量標準，保持和復現(xiàn)交流電流量值，對交流電流進行量值傳遞，檢定交流電流表，交流電流源等交流電流計量器具。目前先進的交流數(shù)字電流表的性能為： 1. 顯示位數(shù) 5 1/2 2. 分辨力 1nA 3. 測量誤差 104 4. 測量范圍 10nA20A 10Hz100kHz 交流數(shù)字電流表的原理多為分流器式。,有國家檢定規(guī)程時，檢定必須執(zhí)行國家檢定規(guī)程，沒有國家的，可執(zhí)行部門或地方檢定規(guī)程，部門或地方也沒有時，應作為校準或測試項目。 交直流數(shù)字儀器現(xiàn)有如下一些檢定規(guī)程： 國家檢定規(guī)程JJG315-1983 直流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程 國家檢定規(guī)程JJG598-1

12、989 直流數(shù)字電流表檢定規(guī)程 國家檢定規(guī)程JJG724-1991 直流數(shù)字歐姆表檢定規(guī)程 航天部檢定規(guī)程JJG（航天）341999 交流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程 航天部檢定規(guī)程JJG（航天）351999 交流數(shù)字電流表檢定規(guī)程,檢定和校準,檢定是指為評定計量器具的計量性能，確定其是否合格所進行的全部工作，包括檢驗和加封蓋印等。它是進行量值傳遞的重要形式，是保證量值準確一致的重要措施。 “在規(guī)定條件下，為確定測量儀器或測量系統(tǒng)所指示的量值，或?qū)嵨锪烤呋騾⒖嘉镔|(zhì)所代表的量值，與對應的由標準所復現(xiàn)的量值之間關(guān)系的一組操作”。即校準就是確定被校的量值。將被校所指示的量與標準所復現(xiàn)的量進行比較，來確定被校所

13、指示的量的量值。,第二章 交直流數(shù)字儀器技術(shù)要求 第一節(jié) 數(shù)字表,一、示值誤差 測量器具的示值Xt與對應輸入量的真值Xr之差值為測量器具的示值誤差。 由于真值不能確定，故使用約定真值（即標準值）Xr代替真值。 標準值是滿足規(guī)定的準確度的用來代替真值的值，它一般是計量標準的示值。 從計量角度來說，測量器具的示值Xt與它所指示的輸入量的標準值Xr之差值為測量器具的示值誤差，標準值是計量標準測量這個輸入量時所指示的值。 示值誤差按絕對形式表示為： 絕對示值誤差的單位與輸入量相同。,示值誤差按相對形式表示為： 相對示值誤差為無量綱數(shù)，以百分數(shù)表示或10的冪次方表示。,示值誤差按工作條件的不同分為固有誤

14、差和工作誤差。 固有誤差是在標準條件下確定的示值誤差，又稱為基本誤差。規(guī)定基本誤差的意義在于： （1）便于評定考核計量器具的內(nèi)部質(zhì)量缺陷?？刂朴绊懥渴蛊溆绊憸p小并且固定，在這種情況下，計量器具表現(xiàn)出來的計量性能反映了計量器具的內(nèi)部質(zhì)量缺陷，一般在標準條件下，計量器具的計量性能是最佳計量性能。在這種條件下使用，測量誤差最小。 （2）便于同類儀器性能比較。若某臺直流數(shù)字電壓表25溫度下的年允許誤差極限為0.5%,另一臺直流數(shù)字電壓表20溫度下的24h允許誤差極限為0.1%，很難看出準確度的優(yōu)劣，若都用基本誤差來比較，便可一目了然。 （3）便于量值傳遞。較高一級計量標準校準本級計量標準，確定本級計量

15、標準的量值是在標準條件下確定的，本級計量標準校準下級計量標準，確定下級計量標準的量值也應在標準條件下確定。這樣量值傳遞的準確度高。 工作誤差是在規(guī)定的工作條件下確定的示值誤差。,較高準確度的交直流數(shù)字儀器的示值誤差都帶有時間概念為24h誤差、30d誤差、90天誤差、0.5a誤差、1a誤差。從上述數(shù)列中選取，1a誤差就是一年的示值誤差，其他類似。在這段時間內(nèi)不進行調(diào)整，連續(xù)或不連續(xù)工作，任何時刻實測誤差均應符合這段時間的允許誤差極限。如實測24h誤差應符合24h允許誤差極限。 測量器具示值誤差的技術(shù)要求為測量器具的允許誤差極限，允許誤差極限是技術(shù)規(guī)范、規(guī)程中規(guī)定的測量器具的允許示值誤差極限值。,

16、允許誤差極限按絕對形式表示為： 式中：lim允許誤差極限 Xt測量器具的示值 Xm所測量程的滿度值 a測量誤差的相對項系數(shù) b測量誤差的固定項系數(shù),允許誤差極限按相對形式表示為： 允許誤差極限的圖形表示如圖9-2-1，圖9-2-2所示。 從允許誤差極限的相對誤差曲線可見，被測量越接近滿量程相對誤差越小，因此在使用數(shù)字儀器時要盡量使用靠近滿量程的區(qū)域，在檢定數(shù)字儀器時，選擇的標準儀器，其準確度不僅在滿度點要小于被檢的1/3，在遠離滿量程的那些檢定點也要小于被檢的1/3。,Xm,Xm,-Xm,Xm,b%Xm,Xt,Xt,lim,Xm,二、線性誤差 測量儀器輸入輸出特性實際曲線與理想直線的偏差為線性

17、誤差，該直線為量程始末的連線，即為清除零點誤差，調(diào)整滿量程誤差為零后，量程始末的連線。 測量儀器輸入輸出特性曲線即為被測量與示值的關(guān)系曲線。測量儀器一般都盡量設(shè)計為線性的輸入輸出特性曲線，但由于設(shè)計制造的不完善，又總存在一定程度的非線性。線性誤差即表征這一計量特性。 測量儀器輸入輸出特性曲線圖如圖9-2-3所示。,Xm,-Xm,Xt,Xo,用一個量程內(nèi)各檢定點中的最大誤差的引用誤差表示線性誤差的大?。?式中： 實際曲線與理想直線的最大偏差； 測量儀器的滿度值。 測量儀器線性誤差用百分數(shù)或10的冪次方表示。某一量程的一個點或幾個點的示值誤差可用外標準調(diào)整使其減小甚至消除，但又不是所有點都能被調(diào)整

18、。如果測量儀器線性度好，幾個點示值誤差被調(diào)整掉，其他點也會隨之減小，反之則不然，所以線性誤差是測量儀器的重要計量特性。,三、重復性 在相同測量條件下，測量器具對重復使用相同的被測量提供非常接近的示值的能力。 相同測量條件包括：相同的測試程序、相同的觀測者、在相同條件下使用相同的測量設(shè)備、相同地點和在短時間內(nèi)進行重復測量。重復性用多次重復測量的實驗標準偏差表示： 重復性是準確度的先決條件，允許重復性極限與其允許誤差極限的比一般應小于1/5。,四、穩(wěn)定性 測量器具保持其計量特性恒定的能力。 可以用計量特性變化到某個規(guī)定的量所經(jīng)過的時間表示，也可以用在規(guī)定時間內(nèi)所發(fā)生的變化表示。 測量器具作為計量標

19、準，需要保存量值，穩(wěn)定性是十分重要的計量特性。測量器具作為工作量具去進行測量，如果有測量誤差，可以進行修正，如果穩(wěn)定性不好，就很難修正，不可能測準，所以從某種意義上來講，穩(wěn)定性比準確度更重要。 允許穩(wěn)定性誤差極限與其允許誤差極限的比一般應小于1/3。,五、分辨力 測量儀器能顯示出的被測量的最小增量。也就是使交直流數(shù)字儀器最低一位數(shù)字變化一個字所對應的被測量的變化量。 分辨力用被測量的最小增量值表示。如若6 1/2位直流數(shù)字電壓表的最小量程為100mV，則它的分辨力為0.1V。 分辨力是準確度的先決條件，分辨力引入的測量不確定度與其允許誤差極限的比一般應小于1/5。 六、鑒別力 使測量儀器產(chǎn)生未

20、察覺的響應變化的最大激勵變化，這種激勵變化應是緩慢而單調(diào)地進行。 七、響應時間 按規(guī)定的量值對測量儀器施加激勵到響應達到并保持在規(guī)定誤差范圍內(nèi)所需要的時間。 八、復現(xiàn)性 在變化的測量條件下，測量器具對同一被測量的測量結(jié)果之間的一致性。 九、超然性 測量器具不影響被測量值的能力。,十、輸入阻抗 在工作狀態(tài)下，測量儀器輸入端所呈現(xiàn)的阻抗值，它不含零電流和偏置電流的影響。 直流數(shù)字電壓表開機工作狀態(tài)下的輸入電阻比非工作狀態(tài)下的輸入電阻大得多。這是因為直流數(shù)字電壓表輸入端的前置放大器的負反饋作用會大大提高輸入電阻。連接到負載能力很低的信號源（如標準電池）時應特別注意應在關(guān)機前先斷開連接。 十一、輸入零

21、電流 在工作狀態(tài)下，在輸入信號為零時，測量儀器的輸入電路中由儀器內(nèi)部電路引起的電流。如圖 9-2-4。 直流數(shù)字電壓表的輸入零電流在被測源內(nèi)阻上要產(chǎn)生電壓降引入測量誤差，若測量線路的等效電路如圖9-2-4所示，則輸入零電流引入的測量誤差為：,直流電壓表,被測信號源,RO,IO,如果IO約為1010A，RO約為1，則約為1010V。直流數(shù)字電壓表輸入零電流引入的誤差影響數(shù)字電壓表的固定項誤差。 如果不對輸入零電流引入的誤差進行修正，而且也不知道直流數(shù)字電壓表零電流的確切量值和被測信號源輸出電阻的確切量值，將引入測量不確定度。應進行具體分析，使輸入零電流引入的測量不確定度可忽略。 直流數(shù)字電壓表零

22、電流是由于前置放大器的失調(diào)電流、漏電流、斬波器的尖峰電流、輸入電流的不對稱性等原因形成的。 十二、抗干擾特性 任何企圖改變測量儀器被測輸入信號的能源都稱為干擾源，根據(jù)干擾源與輸入信號的引線關(guān)系，可分為串模干擾和共模干擾。 （一）串模干擾抑制比NMRR（Normal mode rejection ratio） 串接在直流數(shù)字電壓表輸入回路中的干擾源為串模干擾，如圖9-2-5所示。,對串模干擾的抑制能力用串模抑制比NMRR來表示。 式中： Unm 串模干擾電壓的峰值，V； Unm 由串模干擾電壓引起的直流數(shù)字電壓表示值的最大變化，V。,直流數(shù)字電壓表的串模干擾抑制比往往與干擾信號的頻率有關(guān)，有時還

23、與被測直流輸入信號的大小有關(guān)，檢定時應按要求設(shè)置干擾信號的頻率和被測直流信號。 串模干擾抑制比也是準確度的先決條件，在同樣的串模干擾信號作用下，串模抑制比越大引入的測量不確定度越小，應進行具體分析，使串模干擾引入的測量不確定度可忽略。,（二）共模干擾抑制比CMRR（common mode rejectiou ratio） 同時加在直流數(shù)字電壓表高低輸入端與公共端之間的干擾源為共模干擾，公共端可以是機殼、大地、外供電電源地。共模干擾分直流共模干擾和交流共模干擾，如圖9-2-6 ，圖9-2-7所示。 共模干擾一種情況是被測信號源的地與數(shù)字電壓表的地之間的電流引起的，另一種情況是數(shù)字電壓表浮地測量引

24、起的。 對共模干擾的抑制能力用共模抑制比CMRR來表示。 式中：Ucm共模干擾電壓的峰值，V； Ucm由共模干擾電壓引起的數(shù)字電壓表示值的最大變化，V。,直流數(shù)字電壓表的共模干擾抑制比往往與干擾信號的頻率有關(guān)，有時還與被測直流輸入信號的大小有關(guān)，檢定時應按要求設(shè)置干擾信號的頻率和被測直流信號，廠家在給出共模抑制比指標的同時，應給出共模干擾電壓的頻率范圍，如500.5HZ或501.0HZ。 共模干擾抑制比也是準確度的先決條件，在同樣的共模干擾信號作用下，共模干擾抑制比越大，引入的測量不確定度越小，應進行具體分析，使共模干擾引入的測量不確定度可忽略。 十三、波峰因數(shù) 周期性被測信號的峰值與它的有效

25、值之比。 交流數(shù)字電壓表測量其波峰因數(shù)小于規(guī)定的波峰因數(shù)的被測信號時，測量誤差都應滿足允許誤差極限。,三、重復性 標準源的重復性是在相同條件下，對于相同的示值，提供非常接近的輸出量的能力。 標準源重復性的其他一些概念與數(shù)字表相同。 四、穩(wěn)定性 標準源穩(wěn)定性的概念與數(shù)字表相同。 五、分辨力 調(diào)節(jié)標準源輸出調(diào)節(jié)盤最后一盤示值變化一個字，對應的輸出量的變化量。 分辨力用這一變化量表示。 標準源分辨力的其他概念與數(shù)字表相同。 六、建立時間 從一個穩(wěn)定的輸出值設(shè)定另一輸出值開始至輸出信號達到并保持在規(guī)定誤差范圍內(nèi)所需的時間。 七、復現(xiàn)性 在變化的條件下，標準源對同一示值，輸出電壓的一致性。 八、輸出阻抗

26、 在工作狀態(tài)下，標準源輸出端對外呈現(xiàn)的阻抗。,第三章 交直流數(shù)字儀器的基本原理,交直流數(shù)字儀器工作原理很多，交直流數(shù)字表有V/T變換型、逐次逼近比較型、雙積分型、脈沖調(diào)寬型、剩余電壓再循環(huán)型等，交直流標準源有放大器型，電阻分壓型、脈沖調(diào)寬型等。下面重點簡介幾例，以便了解其工作原理，加深對交直流數(shù)字儀器性能的理解。,第一節(jié) 直流數(shù)字電壓表基本原理,一、直流數(shù)字電壓表基本原理 直流數(shù)字電壓表基本原理框圖如圖 9-3-1所示。 Ux Ui N 衰減器K 前置放大器A A/D轉(zhuǎn)換器C 計數(shù)譯碼顯示器 基準電壓 A/D轉(zhuǎn)換器為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 將被測量Ux經(jīng)衰減器和前置放大器規(guī)范為A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍內(nèi)的量

27、，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量N，計數(shù)譯碼顯示電路完成對N的記錄和顯示。不同的Ux值與不同的N值一一對應，從而實現(xiàn)對模擬量UX的數(shù)字化測量。 式中：K衰減器衰減系數(shù)；A放大器放大系數(shù)； CA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換系數(shù)。 理想情況下K、A、C都是常數(shù)，N正比于UX，顯示值正比于被測量。,二、直流數(shù)字電壓表各部分主要功能 （一）A/轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將規(guī)范化的模擬量Ui轉(zhuǎn)換成數(shù)字量N，這部分是直流數(shù)字電壓表的核心，不同原理的A/D變換器構(gòu)成了不同原理的直流數(shù)字電壓表，A/D變換器的不同特性也對整機的不同特性產(chǎn)生主要影響。 （二）基準電壓 基準電壓是直流數(shù)字電壓表的內(nèi)部參考電壓。我們講測量就是將被

28、測量與同性質(zhì)的已知的標準量進行比較，用標準量或標準量的倍數(shù)來表示被測量。A/D轉(zhuǎn)換器就是實現(xiàn)這一比較的裝置，基準電壓就是已知的標準量。因此基準電壓是作為測量儀器的直流數(shù)字電壓表的不可缺少的部件。 （三）前置放大器 前置放大器的作用一方面是使整機的測量范圍向小量程擴展，另一方面是為了改善整機的輸入特性，減小整機的零電流，提高整機的輸入電阻，并且前置放大器作為A/D轉(zhuǎn)換器的前級，也可以減小和固定A/D轉(zhuǎn)換器的信號源的輸出電阻。,（四）衰減器 衰減器的作用是對大信號進行衰減以便使整機的測量范圍向大量程擴展。 （五）計數(shù)譯碼顯示電路 將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量N變成十進制數(shù)顯示出來。 三、A/D轉(zhuǎn)換器

29、基本原理 A/D轉(zhuǎn)換器類型很多。 按被測量分，有瞬時值和平均值型。 按轉(zhuǎn)換技術(shù)分，有積分型和非積分型。 按轉(zhuǎn)換程序分，有有程序和無程序。 測量是被測量和標準量進行比較的過程，從這個概念出發(fā)，若按怎樣比較來分，有直接比較型、間接比較型和復合比較型。,直接比較型是將模擬電壓直接與標準電壓相比較，得到數(shù)字量，這類包括連續(xù)比較，逐次比較，斜波電壓比較等多種。這種轉(zhuǎn)換是瞬時比較，抗干擾能力差，但速度快。 間接比較型是輸入的電壓信號不直接與標準電壓相比較，而是先將兩者都變?yōu)橹虚g物理量，再進行比較（中間物理量一般為頻率F或時間T），然后將比較得到的頻率或時間進行數(shù)字編碼，這類包括雙斜式，脈沖調(diào)寬式，積分型V

30、-f式，多斜式等。 這類轉(zhuǎn)換是平均值測量，抗干擾能力強，但速度慢。 復合型是將直接與間接比較兩類原理結(jié)合起來，取長補短，獲得了更佳的性能，目前這種類型的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，發(fā)展很快，但線路復雜，成本較高。 以下舉例詳述A/D轉(zhuǎn)換器原理 （一）逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器 1. 轉(zhuǎn)換原理 逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理可以用天平稱法碼的稱量法來加以類比，如圖9-3-2所示。,2. 逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器的性能及對整機指標的影響 （1）A/D的轉(zhuǎn)換準確度 A/D轉(zhuǎn)換過程是用D/A轉(zhuǎn)換器輸出的標準電壓法碼逼近輸入電壓Vi，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，數(shù)碼形式的電壓法碼便可作為數(shù)字輸出。 這時Vi=VRi（i取所

31、有被保留下來的電壓法碼的那些號碼）從表達式可見，A/D的轉(zhuǎn)換準確度主要取決于D/A的轉(zhuǎn)換準確度，后者一般比前者高。 D/A轉(zhuǎn)換器一般由基準電壓、模擬開關(guān)、解碼網(wǎng)絡(luò)、運算放大器組成，如圖9-3-5所示。 一般： 式中：Af運算放大器的閉環(huán)放大系數(shù)； VN基準電壓； 解碼網(wǎng)絡(luò)的電阻比率。 與輸入數(shù)碼成線性關(guān)系,可見D/A轉(zhuǎn)換準確度主要由基準電壓的準確度和穩(wěn)定性、運算放大器的運算誤差、解碼網(wǎng)絡(luò)的比率誤差等決定，并直接影響DVM整機的測量準確度，形成其相對項誤差。另外，模擬開關(guān)的殘余參量，放大器的零漂、噪聲、偏移等也直接影響DVM整機的測量準確度，形成其固定項誤差。 由于解碼網(wǎng)絡(luò)的比率誤差與輸入D/A

32、轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼有關(guān)，故反饋逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器的非線性誤差具有比較復雜的形式，即不容易用一簡單的函數(shù)關(guān)系式來表達。 （2）A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力 比較器的閥值和零漂噪聲，放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的零漂噪聲限制了轉(zhuǎn)換器的分辨力，也限制了DVM整機的分辨力。,（3）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度一方面受比較器動態(tài)響應的制約，另一方面受D/A轉(zhuǎn)換器響應時間的限制，整個A/D轉(zhuǎn)換過程由固定的n步組成（n為電壓法碼總個數(shù)），對每一步所安排的時間至少要大于比較器響應時間與D/A轉(zhuǎn)換器響應時間之和。但一般也在微秒級，例如對一個五位表來說，具有20個電壓法碼需20步，若每一步為5s則轉(zhuǎn)換時間僅為10

33、0s，故轉(zhuǎn)換速度高是逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器的突出特點。 同時由于轉(zhuǎn)換具有固定的程序，故轉(zhuǎn)換速度不隨輸入電壓Vi太小而變化。 （4）抗干擾能力和被測量性質(zhì) 反饋逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器屬于直接比較型，測量的是被測電壓的瞬時值，因此抗干擾能力差，疊加在被測電壓上的干擾信號100%地反映在測量結(jié)果中。,（二）雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器 1. 轉(zhuǎn)換原理 雙斜式V-T轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器簡化框圖如圖9-3-6所示。信號波形圖如圖9-3-7所示。 2.雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的性能及對整機指標的影響 （1）轉(zhuǎn)換準確度 由轉(zhuǎn)換公式可見，基準電壓的準確度穩(wěn)定性直接影響轉(zhuǎn)換準確度，進而影響整機測量準確度的相對項誤差。N1 、

34、N2的量化誤差影響整機準確度的固定項。其次模擬開關(guān)殘余參量積分器的偏移、零漂、噪聲也都影響整機準確度的固定項。 （2）A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力 A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力主要受比較器閥值電壓的限制，這也是影響整機分辨力的主要因素。,（3）抗干擾能力 雙斜式A/D轉(zhuǎn)換是間接比較型，測量的是被測量在采樣時間T1內(nèi)的平均值，因此對疊加在被測量信號上的交流干擾信號有較好的抑制能力，一般情況下串模干擾電壓主要為電網(wǎng) 電壓，如圖9-3-8所示。如果取采樣時間為電網(wǎng)電壓周期的整數(shù)倍，則對稱的工頻干擾即可完全消除。當然，工頻變化時，T1不變，抑制能力將隨之下降，所以在檢查數(shù)字電壓表的串模抑制能力時，對所加的串模干擾信號

35、的頻率有一定要求，在不同的頻率下，DVM表現(xiàn)不同的串模干擾抑制能力。 （4）轉(zhuǎn)換速度 雙斜式轉(zhuǎn)換速度較慢，為了提高對工頻干擾的抑制能力，采樣時間最少為20ms，因 此總的轉(zhuǎn)換速度就更慢了，一般不超過20次/秒，與反饋逼近比較型相比差兩三個數(shù)量級。,（三）脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器 脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖9-3-9所示。 脈沖調(diào)寬式A/D轉(zhuǎn)換器信號波形圖如圖3-10所示。 A/D轉(zhuǎn)換器的原理類型是十分多的，這里我們僅列舉出以上三個例子，遠不能代表其全部，但從中可以對A/D轉(zhuǎn)換原理建立一個基本概念，了解不同原理的A/D轉(zhuǎn)換器，測量的量是不同的（例如有的測平均值，有的測瞬時值）。原理不同，其

36、性能指標各有優(yōu)缺點（例如有的速度快但抗干擾能力差，有的速度慢但抗干擾能力強）。原理不同，非線性誤差性質(zhì)不同，即刻度特性曲線的形狀不同。并且可以大致了解，A/D轉(zhuǎn)換電路影響整機測量準確度的誤差來源和因素加深我們對整機性能指標的理解，A/D轉(zhuǎn)換器作為DVM的核心，它的性能主要影響整機的測量準確度、線性度、穩(wěn)定性、分辨力、抗干擾能力、測量速度、響應時間,四、前置放大器 由于前置放大器主要作用是為了提高整機的輸入特性，因此DVM中的前置放大器多采用電壓串聯(lián)負反饋電路，以便提高整機的輸入阻抗。如圖9-3-11所示。 電壓串聯(lián)負反饋電路 （一）閉環(huán)放大倍數(shù)A 可見前置放大器閉環(huán)增益僅僅決定于電阻的比值，電

37、阻比值的誤差決定了閉環(huán)放大倍 數(shù)的誤差，而采用精密線繞電阻，比值誤差是可以做得很小的。 當一定時，Ao越大，這一誤差越小。 當Ao一定時，越大，這一誤差越小。的大小實際上是DVM量程的不同，因此說明不同量程放大器閉環(huán)放大倍數(shù)的誤差不同，這也是各量程誤差大小不同的原因之一。 另外放大器的零偏、零漂、噪聲也是重要的誤差源，它們是在輸入短路時，輸出端電壓。這是由于制造上的不對稱，時漂、溫漂、器件噪聲等引起的，它們的作用等效為在被測電壓上疊加了誤差電壓，如圖9-3-12所示，這一誤差影響整機測量準確度的固定項誤差。,（二）閉環(huán)輸入電阻 前置放大器閉環(huán)輸入電阻的等效電路如圖9-3-13所示。 可見閉環(huán)輸

38、入電阻Ri比開環(huán)輸入電阻ri增加了1+Ao倍，一般DVM都利用串聯(lián)電壓 反饋技術(shù)來提高整機的輸入電阻，使用時要注意DVM在工作狀態(tài)（即開機時）具有很高的輸入電阻，而在非工作狀態(tài)（即關(guān)機時）輸入電阻僅僅是開環(huán)輸入電阻ri比Ri大大降低。 （三）零電流Io DVM的零電流或是由運算放大器第一級管子的工作電流引起，或是由斬波器尖峰電壓引起，或是由斬波管泄漏電流引起，它的大小隨溫度和濕度而變化，其方向是固定不變的，Io的大小與VX無關(guān)，但隨環(huán)境溫度變化。,五、衰減器 衰減器一般是電阻分壓式，如圖9-3-14所示。 分壓系數(shù)的誤差取決于分壓電阻的精度，一般是能夠做得比較高的，但是要注意，當輸入電壓比較高

39、時，分壓電阻上的功率比較大時，電阻阻值相對低功率時會發(fā)生變化，進而造成分壓系數(shù)的誤差，在作1000V量程檢定時，有不少表顯示值隨時間而明顯變化，這恐怕就是分壓電阻阻值的變化所引起的。 衰減器的輸入電阻構(gòu)成整機高量程輸入電阻，為提高輸入電阻，希望分壓電阻阻值盡量大，而太大了衰減系數(shù)又易受泄漏電流的影響，所以又不能太大，一般高精度表高量程輸入電阻做到10M輸入電阻。,六、基準電壓 基準電壓多采用齊納二極管，從上述兩種A/D轉(zhuǎn)換可見 數(shù)字表的顯示值都與基準電壓有關(guān)，數(shù)字表的穩(wěn)定性，尤其是長期穩(wěn)定性，主要由基準電壓的基準齊納管來決定，所以基準電壓也是數(shù)字表的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。,第二節(jié) 交流數(shù)字電壓表基本原理,

40、一個交流直流電壓轉(zhuǎn)換器配上一個直流數(shù)字電壓表，就構(gòu)成一臺交流數(shù)字電壓表。 交流電壓有三個特征量：平均值、有效值和峰值，根據(jù)這三個特征量，交直流電壓轉(zhuǎn)換器也分為平均值、有效值和峰值三種類型。采用不同原理的交直流電壓轉(zhuǎn)換器配上直流數(shù)字電壓表，就構(gòu)成不同原理的交流數(shù)字電壓表。,第三節(jié) 直流數(shù)字電流表基本原理,直流數(shù)字電流表是用于對直流電流進行精密測量的一種主要設(shè)備。一般是將被測直流電流轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，然后進行測量。一般稱這種轉(zhuǎn)換電路為電流電壓（IV）轉(zhuǎn)換器。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，可以分為兩種不同方式的電流電壓（IV）轉(zhuǎn)換器，即分流器式電流電壓（IV）轉(zhuǎn)換器和負反饋放大式電流電壓（IV）轉(zhuǎn)換器。根據(jù)

41、被測電流的大小不同，這兩種轉(zhuǎn)換器都有廣泛的應用。 最簡單的電流電壓（IV）轉(zhuǎn)換器是根據(jù)歐姆定律得來的：即讓被測電流IX通過標準電阻RN變換成直流電壓UX，再利用直流數(shù)字電壓表測量電壓的方法準確測量直流電壓UX，則被測電流IX的大小用RN上的壓降UX表示為： IX=UX/RN 對于多量程直流數(shù)字電流表，一般是通過量程選擇開關(guān)分別接通不同阻值的標準電阻，從而實現(xiàn)對大小不同的被測電流進行分量程測量。原理框圖如圖9-3-26所示。,第四節(jié) 交流數(shù)字電流表基本原理,在數(shù)字多用表中，交流電流的測量功能是以電流電壓（IV）變換器和交流直流（ACDC）變換器為基礎(chǔ)實現(xiàn)的 被測交流電流首先流經(jīng)電流電壓變換器，轉(zhuǎn)

42、換成交流電壓，再經(jīng)過交流直流變換器轉(zhuǎn)換成直流電壓，最后經(jīng)量程選擇、模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示邏輯及驅(qū)動等，在顯示器件上顯示被測交流電流的實際值。,第五節(jié) 直流數(shù)字歐姆表基本原理,將電阻變換成直流電壓的轉(zhuǎn)換電路被稱為電阻電壓（）變換器，簡稱為歐姆變換器。歐姆變換器通常有兩種構(gòu)成方式：即運算放大器法和積分運算法。直流數(shù)字式歐姆表通常由一個精確的直流運算放大器和一個數(shù)字電壓表組成，有的做成插件，成為數(shù)字多用表的一部分，有的則做成單功能的數(shù)字歐姆表?？傊瑪?shù)字歐姆表利用直流運算放大器進行電阻電壓（）變換，再用直流數(shù)字電壓表測出電壓，從而得到被測電阻的歐姆數(shù)值。,交直流數(shù)字儀器的檢定,交直流數(shù)字儀器的檢定方法比較簡單，采用檢定規(guī)程介紹的檢定方法即可。但應注意寄生參數(shù)的影響，如直流數(shù)字電壓表的輸入電阻、零電流影響，小電流、高電壓測量時漏電流影響，小電壓測量時信號線電阻影響，大電流測量時溫升影響等。,檢定規(guī)程,檢定規(guī)程一般包括如下內(nèi)容： 1 檢定規(guī)程的適用范圍； 2 被檢計量器具的用途原理和結(jié)構(gòu)； 3 被檢計量器具的技術(shù)要求； 4 被檢計量器具的檢定條件； 5 被檢計量器具的檢定項目； 6 被檢計量器具的檢定方法； 7 檢定結(jié)果的處理方法； 8 檢定周期的規(guī)定。,第一節(jié) 直流數(shù)字電壓表的檢定,直流數(shù)字電壓表的檢定項目有：示值誤差，線性誤差，穩(wěn)定性，分辨力，輸入電阻和零