电子测量原理课件第五章.ppt

,第,*,页,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子测量原理课件第五章,1,）电压测量的重要性,电压测量是电测量与非电测量的基础,具体有：,A,电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：,表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率,其中：电流、功率,电压，再进行测量,B,电路工作状态：,饱和与截止，线性度、失真度,电压表征,C,非电测量中，物理量,电压信号，再进行测量,如：温度、压力、振动、（加）速度,5.1,概述,5.1.1,电压测量的意义、特点,2,）电压测量的特点,1.,频率范围广：零频（直流）,10,9,Hz,低频：,1MHz,以下；高频（射频）：,1MHz,以上。,2.,测量范围宽,微弱信号,:,心电医学信号、地震波等,纳伏级,(10,-9,V,）；,超高压信号：电力系统中，数百千伏。,3.,电压波形的多样化,电压信号波形是被测量信息的载体。,各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。,4.,阻抗匹配,被测信号接入电压测量仪器后，仪器等效输入阻抗将对测量结果产生影响。,直流测量中,，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。,如：采用电压表与电流表测量电阻，,当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；,当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。,交流测量中,，输入阻抗的不匹配引起信号反射。,5.,测量精度的要求差异很大,工业测控场合有时只是需要监测电压的大致范围，其精度较低，高精度测量有时则要达到,10,-1,至,10,-9,精度。,6.,测量速度的要求差异很大,静态测量：直流（慢变化信号）,几次,/,秒,;,动态测量：高速瞬变信号,数亿次,/,秒,(,几百,MHz),精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。,7.,抗干扰性能,工业现场测试中，存在较大的干扰。电压测量要特别重视抗干扰措施，提高测量仪器的抗干扰能力。,当被测电压与DVM相距较远，被测电压与DVM的参考地电位不相等，将引起测量时的共模干扰。,零点电压（0V）经衰减/放大后，得到相应的转换结果N0并存储。,同样基于欧姆定律。,3)基准电压源误差：基准电压（参考电压）的精度和稳定性也将直接影响到A/D转换结果。,单片集成逐次比较式ADC。,逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。,：误差的固定项系数。,峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。,（若式中的任意波为正弦波，则k=1，读数即为正弦波的有效值）。,式中，为均值电压表读数，KF为波形因数。,5.1.2,电压测量的方法和分类,电压测量方法的分类,按对象：直流电压测量；交流电压测量,按技术：模拟测量；数字测量,1,）交流电压的模拟测量方法,表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。,方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）,-,直流电流,-,驱动表头,-,指示,有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。,2,）数字化直流电压测量方法,模拟直流电压,-A/D,转换器,-,数字量,-,数字显示（直观）,数字电压表（,DVM,），数字多用表（,DMM,）。,3,）交流电压的数字化测量,交流电压（有效值、峰值和平均值）,-,直流电压,-A/D,转换器,-,数字量,-,数字显示,DVM,（,DMM,）的扩展功能。,4,）基于采样的交流电压测量方法,交流电压,-A/D,转换器,-,瞬时采样值,u(k)-,计算，如有效值,式中，,N,为,u(t),的一个周期内的采样点数。,5,）示波测量方法,交流电压,-,模拟或数字示波器,-,显示波形,-,读出结果,5,2,电压标准,5.2.1,直流电压标准,电压和电阻是电磁学中的两个基本量。,其他电磁量基准可由电压基准和电阻基准导出。,电压标准有：,标准电池（实物基准，,10,-6,）；,齐纳管电压标准（固态标准，,10,-6,）；,约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准，,10,-10,）。,电阻标准有：,精密线绕电阻（实物标准）；,霍尔电阻基准（量子化自然基准，,10,-9,）。,5.2.1,直流电压标准,1.,标准电池,原理：,利用化学反应产生稳定可靠的电动势（）。,有饱和型和不饱和型,两种类型。,饱和型特点：,电动势非常稳定（年稳定性可小于，相当于,510,-7,），但温度系数较大（约,40V/,）。用于计量部门,恒温条件下,的电压标准器。,不饱和型特点：,温度系数很小（约,4V/,），但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式,电位差计,。,使用中应注意：,1,）不能倾倒；不能震动、冲击（不易运输）。,2,）温度修正（特别是对饱和型）。,“,温度,电动势,”,修正公式：,式中，,E,t,、,E,20,分别为,t,（使用时的温度）和,20,（出厂检定时温度）时标准电池的电动势。,3,）标准电池存在内阻，仪表输入电阻应较大。,2.,齐纳管电压标准,原理,利用,齐纳二极管的稳压特性,制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）。,齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小。,将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如,LM199/299/399,、,REF,系列。,为克服输出电压的波动，还可将多个精密电压基准源并联，得到它们的平均值。,上图中，假设运放是理想的，,则流入运放同相端电流,I,+,=0,，即,若,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,，则,而输出电压,齐纳管电压标准器整机输出电压有：,10V,、,1V,和。,10V,输出便于检定和传递到高电压，且运输、保存和使用方便。,如,WUK7000,系列直流电压参考标准：,10V,输出的年稳定性可达,0.510,-6,；,1V,和输出的年稳定性可达到,210,-6,，温度系数为,0.0510,-6,。,3.,约瑟夫森量子电压基准,原理,基于约瑟夫森（,Josephson,）,效应的量子电压基准,约瑟夫森效应,约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约,10,埃的绝缘层）的超导体之间，由于,量子隧道效应,，超导电流（约,mA,量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体,-,绝缘体,-,超导体（,SIS,）结构称为约瑟夫森隧道结。,约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上,电压,V,时，将得到穿透绝缘层的,超导电流,，这是一种交变电流，这种现象称为,交流约瑟夫森效应,。,约瑟夫森电压基准,根据约瑟夫森效应，,通过时间（频率）单位得到,量子化电压基准。,由稳定的频率（,f,）,确定电压,V,。,量子化电压基准的准确度可接近,时间（频率）准确度。,国际计量委员会的建议：,从,1990,年,1,月,1,日开始，在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准（,JJAVS,，,10,-10,）。,我国的约瑟夫森量子电压基准,由中国计量科学研究院,(NIM),量子部建立。,1993,年底，,1V,约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到,610,-9,；,1999,年底，,10V,约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为,5.410,-9,(1),。,应用：对标准电池、固态电压标准的量值传递，高精度数字多用表等的计量检定，测量不确定度为,110,-8,),。,5.2.2,交流电压标准,原理,由直流电压标准建立。,因而，需经过交流,-,直流变换。,测热电阻桥式高频电压标准,基本原理：,将高频电压通过一电阻（称为测热电阻，如热敏电阻），该电阻由于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化，再将一,标准直流电压,同样施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则,高频电压的有效值,就等于该直流电压。,双测热电阻电桥的原理图,如图：标准电阻,(,如,R=200),组成三个桥臂，两个完全相同的测热电阻,RT,（如,RT=100,）组成一个桥臂。,测量过程,1.,电桥置于,“,DC,”,（直流）。调节直流电压源到,V0,，使电桥平衡，则测热电阻,2RT=R,。,2.,置于,“,RF,”,（射频，即高频电压，设有效值为,VRF,）。,此时，测热电阻上同时施加有交流和直流功率，两测热电阻,RT,对交流为并联，对直流为串联。,再次调节直流电压源到,V1,，使电桥平衡。,由两次电桥平衡,的功率关系，有：,高频电压,有效值为：,对上述电路的要求,1,两个测热电阻的一致性好,(,阻值和温度特性相同,),；,2,检流计要非常灵敏,(,特别是测量小的高频电压时,),；,3,隔直电容,C,应保证满足：，使交流功率在电容,C,上的损耗可以忽略。,测热电阻电桥的缺点,测热电阻对环境温度敏感，操作较复杂；,一般不能直接读数（需换算）。,准确度：,若直流电压标准准确度为,10,-5,，则得到的高频电压标准准确度可达,10,-3,。,应用：,对模拟电压表检定。,5,3,交流电压的测量,5,3,1,表征交流电压的基本参量,峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。,1,峰值,以零电平为参考的最大电压幅值（用,V,p,表示）。,注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用,U,m,表示）。,2,平均值（均值）,数学上定义为：,相当于交流电压,u(t),的,直流分量,。,交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,3,有效值,定义：交流电压,u(t),在一个周期,T,内，通过某纯电阻负载,R,所产生的热量，与一个直流电压,V,在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压,V,的数值就表示了交流电压,u(t),的有效值。,表达式：,直流电压,V,在,T,内电阻,R,上产生的热量,Q_=I,2,RT=,交流电压,u(t),在,T,内电阻,R,上产生的热量,Q=,由,Q_=Q,得，有效值,有效值,意义：有效值在数学上即为,均方根值,。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,4,波峰因数和波形因数,波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用,K,p,表示，,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,波形因数定义：有效值与平均值的比值，用,K,F,表示，,对理想的正弦交流电压,u(t)=V,p,sin(t),，若,=2/T,常见波形的波峰因数和波形因数可查表,(P188),得到：,如正弦波：,K,p,，,K,F,；,方波：,K,p,=1,，,K,F,=1,；,三角波：,K,p,，,K,F,；,锯齿波：,K,p,，,K,F,；,脉冲波：,K,p,=,，,K,F,=,，为脉冲宽度，,T,为周期,白噪声：,K,p,=3,（较大），,K,F,。,5,3,2,交流,/,直流转换器的响应特性及误差分析,模拟电压表的交流电压测量原理：,交流电压,-,直流电压（有效值、峰值和平均值）,-,直流电流驱动表头,-,指示。,交流电压,-,有效值、峰值和平均值的转换，称为,检波或,AC-DC,转换,。由不同的检波电路实现。,一、交流,/,直流电压（,AC-DC,）转换原理,（,1,）峰值检波原理,由二极管峰值检波电路完成。有二极管串联和并联两种形式。如下图。,二极管峰值检波电路,(a.,串联式,b.,并联式,c.,波形,),二极管峰值检波电路工作原理,通过二极管,正向快速充电,达到输入电压的峰值，而二极管,反向截止时,“,保持,”,该峰值。,为此，要求：,即满足电容,C,上的快速充电和慢速放电的需求,式中，,R,s,和,r,d,分别为等效信号源,u(t),的内阻和二极管正向导通电阻，,C,为充电电容（并联式检波电路中,C,还起到隔直流的作用），,R,L,为等效负载电阻，,T,min,和,T,max,为,u(t),的最小和最大周期。,从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的波动，其,平均值略小于实际峰值,。,(2),平均值检波原理,由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。,如图，整流电路输出直流电流,I,0,，其平均值与被测输入电压,u(t),的平均值成正比（与,u(t),的波形无关）。,（电容,C,用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）,以全波整流电路为例，,I,0,的平均值为,式中，,T,为,u(t),的周期，,r,d,和,r,m,分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度）。,于是，,I,0,的平均值 与,u(t),的平均值 成正比。,(3),有效值检波原理,方法,1,：利用二极管平方律伏安特性检波,检波原理：,根据 为得到有效值,首先需对,u(t),平方。,小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平,方关系,。,缺点：精度低且动态范围小。,方法,2,：,利用模拟运算的集成电路检波,原理图,通过多级运算器级连实现,模拟乘法器（平方）,积分,开方,比例运算。,单片集成,TRMS/DC,电路，如,AD536AK,等。,方法,3,：,利用热电偶有效值检波,热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为,热电动势,。,热电效应原理图,当热端,T,和冷端,T0,存在温差时（即,TT0,），则存在热电动势，且,热电动势的大小与温差,T=T-T0,成正比。,热电偶：,将两种不同金属进行特别封装并标定后，称为一对热电偶（简称热偶）。,热电偶温度测量原理：,若冷端温度为恒定的参考温度，则通过热电动势就可得到热端（被测温度点）的温度。,热电偶有效值检波原理：,若通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将反映该交流电压的有效值，从而实现了有效值检波。如下图。,直流电流,I,与被测电压,u(t),的有效值,V,的关系：,电流,I,热电动势热端与冷端的温差，而,热端温度,u(t),功率,u(t),的有效值,U,的平方，,故，,I,和,U,的关系为非线性，不利于检波。,热电偶有效值检波原理图,2,I U,表头刻度线性化处理：采用两对相同的热电偶，分别,称为,测量热电偶和平衡热电偶,，形成一个电压负反馈系统。,E,x,=k,1,U,2,；,E,f,=k,2,U,o,2,；,假如两对热偶,具有相同特性，,即,k,1,=k,2,=k,，,=,则差放输入电压,V,i,=E,x,-E,f,=k(U,2,-U,o,2,),放大器增益足够大,则有,V,i,=0,=,U,o,=U,即输出电压等于,u(t),有效值,U,，从而实现了有效值电压表的线性化刻度，有效值电压表的读数为被测电压的有效值。,U,0,有效值电压表的特点,1,理论上不存在波形误差，因此也称真有效值电压表（读数与波形无关）。,对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，若其有效值分别为,V,1,V,2,V,3,、,，则读数,2,但实际有效值电压表，下面两种情况使读数偏小：,对于波峰因数较大的交流电压波形，由于电路饱和使电压表可能出现,“,削波,”,；高于电压表,有效带宽,的波形分量将被抑制。它们都将损失有效值分量。,3,缺点：受环境温度影响较大，结构复杂，价格较贵。,*实际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。,二、峰值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理,峰值响应，即：,u(t),峰值检波放大驱动表头,刻度特性,表头刻度按（纯）,正弦波有效值刻度,。因此：,当输入,u(t),为正弦波时，,读数,即为,u(t),的有效值,V,（而不是该纯正弦波的峰值,V,p,）。,对于非正弦波的任意波形，读数,没有直接意义（既不等于其峰值,V,p,也不等于其有效值,V,）。但可由读数,换算出峰值和有效值。,刻度特性,由读数,换算出峰值和有效值的换算步骤如下：,第一步，把读数,想象为有效值等于,的纯正弦波输入时的读数，即,第二步，将,V,转换为该纯正弦波的峰值,第三步，假设峰值等于,V,p,的被测波形（任意波）输入，即,注：,“,对于峰值电压表，（任意波形的）峰值相等，则读数相等,”,。,第四步，由 ，再根据该波形的波峰因数（查表可得），其有效值,V,a,=,V,上述过程可统一推导如下：,该式表明：,对任意波形，欲从读数,得到有效值，需将,乘以因子,k,。（若式中的任意波为正弦波，则,k=1,，读数,即为正弦波的有效值）。,刻度特性,综上所述，对于任意波形而言，峰值电压表的读数,没有直接意义，由读数,到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：,式中，,为峰值电压表读数，,Kp,为波峰因数。,波形误差。若将读数,直接作为有效值，产生的误差：,三、平均值电压表原理、刻度特性和误差分析,原理,均值响应，即：,u(t),放大均值检波驱动表头,刻度特性,表头刻度按（纯）,正弦波有效值刻度,。因此：,当输入,u(t),为正弦波时，,读数,即为,u(t),的有效值,V,（而不是该纯正弦波的均值,）。,对于非正弦波的任意波形，读数,没有直接意义（既不等于其均值也不等于其有效值,V,）。但可由读数,换算出均值和有效值。,由读数,换算出均值和有效值的换算步骤如下：,第一步，把读数,想象为有效值等于,的纯正弦波输入时的读数，即,第二步，由 计算该纯正弦波均值,第三步，假设均值等于 的被测波形（任意波）输入，即,注：,“,对于均值电压表，（任意波形的）均值相等，则读数相等,”,。,第四步，由 ，再根据该波形的波形因数（查表可得），其有效值,上述过程可统一推导如下：,上式表明，对任意波形，欲从均值电压表读数,得到有效值，需将,乘以因子,k,。（若式中的任意波为正弦波，则,k=1,，读数,即为正弦波的有效值）。,综上所述，对于任意波形而言，均值电压表的读数,没有直接意义，由读数,到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：,式中，,为均值电压表读数，,K,F,为波形因数。,波形误差。若将读数,直接作为有效值，产生的误差,4,）实例分析,例,1,用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为，问如何从该读数得到方波电压的有效值？,解,根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数，,第一步,假设电压表有一正弦波输入,其有效值；,第二步,该正弦波的峰值；,第三步,将方波电压引入电压表输入,其峰值,V,p,；,第四步，查表可知，方波的波峰因数,K,p,=1,，则该方波的有效值为：,V=V,p,/K,p,。,波形误差为：,(,可见若不换算，波形误差是很大的,),此时，过零比较器翻转。,约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约10埃的绝缘层）的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流（约mA量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结。,图中，SAR为逐次逼近移位寄存器，SAR在时钟CLK作用下，对比较器的输出（0或1）每次进行一次移位，移位输出将送到D/A转换器，D/A转换结果再与Vx比较。,量子化电压基准的准确度可接近时间（频率）准确度。,数字多用表的使用(测电阻),缺点：精度低且动态范围小。,SAR的最后输出即是A/D转换结果，用数字量N表示。,一般不能直接读数（需换算）。,电压信号波形是被测量信息的载体。,表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率,通过运放实现比例测量的R/V变换,1 积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。,当输入u(t)为正弦波时，读数即为u(t)的有效值V（而不是该纯正弦波的均值）。,自动选择：确定各量程的界限值，且相邻两个量程之间应有适当的重叠，以避免当被测电压在界限值附近变化时，两个相邻量程上频繁切换(“摇摆不定”)。,静态测量：直流（慢变化信号）,几次/秒;,图中，SAR为逐次逼近移位寄存器，SAR在时钟CLK作用下，对比较器的输出（0或1）每次进行一次移位，移位输出将送到D/A转换器，D/A转换结果再与Vx比较。,例,2,用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，读数为，问该方波电压的有效值为多少？,解,根据上述均值电压表的刻度特性，由读数，,第一步，假设电压表有一正弦波输入，,其有效值 ；,第二步，该正弦波的均值 ；,第三步，将方波电压引入电压表输入，,其均值 ；,第四步，查表可知，方波的波形因数,=1,，则该方波的有效值为。,波形误差为,5,3,3,模拟式交流电压表,模拟电压表组成方案,检波器,是实现交流电压测量（,AC-DC,变换）的核心部件，同时，为了测量小信号电压，,放大器,也是电压表中不可缺少的部件。,组成方案有两种类型：,一种是先检波后放大，称为,检波,-,放大式,；,一种是先放大后检波，称为,放大,-,检波式,。,模拟电压表的两个重要指标：,带宽和灵敏度,(,分辨力,),1,）检波,-,放大式电压表,a.,组成框图,;b.,提高灵敏度措施,检波器决定电压表的频率范围、输入阻抗和分辨力。,峰值电压表,常用这种类型。,一 检波器,为提高频率范围，,采用超高频二极管检波,，其频率范围可从,直流到几百兆赫,，并具有较高的输入阻抗。,检波二极管的,正向压降,限制了其测量小信号电压的能力（即灵敏度限制）,同时，检波二极管的,反向击穿电压,对电压测量的上限有所限制。,为减小高频信号在传输过程中的损失，通常将峰值,检波器直接设计在探头中,。,二 放大器,采用桥式直流放大器，它具有较高的增益。直流放大器的零点漂移也将影响电压表的灵敏度。,三 主要指标：,检波,-,放大式电压表常称为,“,高频毫伏表,”,或,“,超高频毫伏表,”,。如国产,DA36,型超高频毫伏表，频率范围为,10kHz,1000MHz,，电压范围（不加分压器）,1mV,10V,。,国产,HFJ-8,型高频毫伏表,（调制式），,最低量程为,3mV,，最高工作频率,300MHz,。,2,）放大,-,检波式电压表,组成框图,特点：先放大再检波，因此灵敏度很高。均值电压表常用这种方式。,放大器：为宽带交流放大器，决定了电压表的频率范围。一般上限为,10MHz,。常称为,“,宽频毫伏表,”,或,“,视频毫伏表,”,。这种电压表具有较高灵敏度，但仍受宽带交流放大器内部噪声限制。,3,）分贝测量及宽频电平表,分贝,声学中，分贝是表示音量强弱的一个单位。,通信系统中，也常用分贝表示电平或功率。,当用分贝表示功率时，定义为：,当用分贝表示电压时，,由功率与电压的关系：和,当,R,1,=R,2,时，有,对上式，分贝是一个用对数表示的相对量值（记作,dB,），如果相对于一个确定的参考基准量，此时的分贝值则表示了一个,绝对电平,。,若,P2=P0,（基准量），并取,P0=1mW,；,P1=,被测功率，用,Px,表示，其分贝值用,dBm,表示（下标,m,指示以,mW,为单位表示被测功率绝对值）。,则功率电平：,显然，当,P,x,=P,0,=1mW,为,0dB,m,时，若,P,x,1mW,，分贝值为正，若,P,x,1mW,，分贝值为负。,对于电压电平：以,600,电阻上吸收,P,0,=1mW,的基准功率时电压的有效值为参考基准量,V,0,。,由于,因此，取基准量,V,0,，其分贝值用,dB,或,dB,V,表示（下标,V,指示以,V,为单位表示被测电压绝对值）。,对于任意被测电压,V,x,，其电压电平定义为,和,Vx(v)Pv,（,dBv,）之间可换算或查表。,宽频电平表,具有分贝读数的电压表称为,“,宽频电平表,”,。在均值电压表（放大,-,检波式）基础上设计的。,组成框图：,输入衰减器上用,dB,表示,“,输入电平,”,选择，衰减步进为,10dB,，相当于衰减 倍,（）。,输入衰减器可用标准电平振荡器校准。,可根据测量时的阻抗匹配原则选择,“,输入阻抗,”,（一般有,75/150/600/,高阻共,4,档）。,宽带放大器上还有,“,电平校准,”,旋钮，用于调节放大器增益。,表头刻度为,dB,，可以是,dB,V,（测量电压电平）或,dB,m,（测量功率电平）两者之一，也可以是两者兼容。,宽频电平表刻度特性及,dB,值的读出,:,电压电平测量：,表头标定时选择输入阻抗,600,，则对应的,0dB,电压为（有效值）。通常,0dB,约在表头指针满刻度的,2/3,左右，,0dB,的左边为,-dB,（）,0dB,的右边为,+dB,（）。,表头读数只能表示输入无衰减且交流放大器增益为,1,时被测电压的分贝值。,当引入衰减和放大后，被测电压的,dB,值应为：,衰减器读数表头读数。,功率电平的测量：实际上是对阻抗两端电压电平的测量。,“,零刻度基准阻抗,”,：与,1mW,基准功率对应的阻抗,Z,0,，取为,600,。此时表头的,功率电平刻度与电压电平刻度一致,（实际表头的功率电平刻度就是按,600,“,零刻度基准阻抗,”,定度的）。,若选择输入阻抗,Z,i,600,，就可直接从表头读出功率电平值。,当,Z,i,600,时，则应根据读出的电压电平换算出功率电平，其换算公式为：,4,电压表的使用,了解不同电压表的性能特点，根据应用场合加以选用。,1,）峰值电压表特点：,检波,-,放大式。峰值响应、频率范围较宽（达,1000MHz,）但灵敏度低（,mV,级）。,读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）。,需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。,2,）均值电压表,放大,-,检波式。,均值响应、灵敏度比峰值表有所提高但频率范围较小（,10MHz,），主要用于低频和视频场合。,读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值（或均值）。,3,）有效值电压表,可以直接读出有效值，非常方便。,由于削波和带宽限制，将可能损失一部分被测信号的有效值，带来负的测量误差。,较为复杂，价格较贵。,4,）宽频电平表,以分贝表示的功率电平和电压电平。,电压电平：,步进衰减器读数表头读数,。,功率电平：当输入阻抗等于表头标定时采用的零刻度基准阻抗,600,时，功率电平与电压电平具有相同的表头刻度。否则，需用,进行修正。,5,4,直流电压的数字化测量及,A/D,转换原理,5,4,1 DVM,的组成原理及主要性能指标,1,）,DVM,的组成,数字电压表（,Digital Voltage Meter,，简称,DVM,）。,组成框图,1,）,DVM,的组成,组成框图包括模拟和数字两部分。,输入电路：对输入电压衰减,/,放大、变换等。核心部件是,A/D,转换器（,Analog to Digital Converter,，简称,ADC,），实现模拟电压到数字量的转换。,数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。,逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。,应用,直流或慢变化电压,信号的测量（通常采用高精度低速,A/D,转换器）。,通过,AC-DC,变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成,交流数字电压表,。,通过电流,-,电压、阻抗,-,电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。,基于微处理器的智能化,DVM,称为数字多用表（,DMM,，,Digital MultiMeter,）。,DMM,功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口,(,如,GPIB),。,2,）主要性能指标,显示位数,完整显示位,：能够显示,09,的数字。,非完整显示位,(,俗称半位,),：在最高位上只能显示,0,和,1,。,如,4,位,DVM,，具有,4,位完整显示位，其最大显示数字为,9999,。,而 位（,4,位半）,DVM,，具有,4,位完整显示位，,1,位非完整显示位，其最大显示数字为,19999,。,量程,基本量程,：无衰减或放大时的输入电压范围，由,A/D,转换器动态范围确定。,通过对输入电压（按,10,倍）放大或衰减，可,扩展其他量程,。,如基本量程为,10V,的,DVM,，可扩展出、,1V,、,10V,、,100V,、,1000V,等五档量程；,基本量程为,2V,或,20V,的,DVM,，可扩展出,200mV,、,2V,、,20V,、,200V,、,1000V,等五档量程。,分辨力,指,DVM,能够,分辨最小电压变化量的能力,。反映了,DVM,灵敏度。,用每个字对应的电压值来表示，即,V/,字。,不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，,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，可以测量的最大输入电压为，其分辨力为字（即,当输入电压变化时，显示的末尾数字将变化,“,1,个字,”,）。,用百分数表示分辨率：与量程无关，比,较直观。,如上述的,DVM,在最小量程,200mV,上分辨,力为，则分辨率为：,测量速度,每秒钟完成的测量次数。它主要取决于,A/D,转换器的转换速度。,一般低速高精度的,DVM,测量速度在几次,/,秒,几十次,/,秒。,测量精度,取决于,DVM,的固有误差和使用时的附加误差,(,温度等,),。,固有误差表达式：,示值（读数）相对误差为：,式中,Vx:,被测电压的读数；,Vm:,该量程的满度值；,：误差的相对项系数；：误差的固定项系数。,固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。,读数误差：与当前读数有关。主要包括,DVM,的刻度系数误差和非线性误差。,满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。,注意：,当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的,2/3,以上。,输入阻抗,输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。,对于直流,DVM,，输入阻抗用输入电阻表示，一般在,10M-1000M,之间。,对于交流,DVM,，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十,几百,pF,之间。,5.4.2 A/D,转换原理,A/D,转换器分类,积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（,PWM,）式、电压,-,频率（,V-F,）变换式等。,非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。,1,）逐次逼近比较式,ADC,基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种,“,对分搜索,”,的策略，逐步缩小,V,x,未知范围的办法。,假设基准电压为,V,r,=10V,，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。,V,r,可分解为：,上式表示，若把,Vr,不断细分（每次取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。,如只取前,4,项，则,其逼近的最大误差为，相当于最后一项的值。,现假设有一被测电压,V,x,，若用上面表示,Vr,的,4,项,5V,、来,“,凑试,”,逼近,V,x,，逼近过程如下：,V,x,5V,（首先，取,5V,项，由于，,则保留该项，记为数字,1,）,（再取项，此时，,则保留该项，记为数字,1,）,+0V,（再取项，此时，,则应去掉该项，记为数字,0,）,（再取项，此时,5V+2.5V+0.625V8.5V,则保留该项,记为数字,1,）,（得到最后逼近结果）,总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出,V,r,的各分项值，按照,“,大者去，小者留,”,的原则，直至得到最后逼近结果，其数字表示为,1101,。,上述逼近结果与,Vx,的误差为,。显然，当,Vx,8.4375V),之间时，采用上面,Vr,的,4,个分项逼近的结果相同，均为。,上述逐次逼近比较过程表示了该类,A/D,转换器的基本工作原理。它类似天平称重的过程，,Vr,的各分项相当于提供的有限,“,电子砝码,”,，而,Vx,是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减法码的过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码。,逐次逼近比较式,ADC,原理框图,图中，,SAR,为逐次逼近移位寄存器，,SAR,在时钟,CLK,作用下，对比较器的输出（,0,或,1,）每次进行一次移位，移位输出将送到,D/A,转换器，,D/A,转换结果再与,Vx,比较。,SAR,的最后输出即是,A/D,转换结果，用数字量,N,表示。,最后的,D/A,转换器输出已最大限度逼近了,Vx,，且有,式中，,N,：,A/D,转换结果的数字量，,n,：,A/D,位数，,Vr,：参考电压，,Vx,：,A/D,输入电压,上式还可写成：,Vx=eN,，,e=Vr/2,n,称为,A/D,转换器的,刻度系数，单位为,“,V/,字,”,，表示了,A/D,转换器的分,辨力。,如上面,V,x,，,V,r,10V,，当用,V,r,的,4,个分项逼近时（相当于,4,位,A/D,转换器），,A/D,转换的结果为,N,（,1101,）,2,13,，即,单片集成,逐次比较式,ADC,。常见的产品有,8,位的,ADC0809,，,12,位的,ADC1210,和,16,位的,AD7805,等。,2,）单斜式,ADC,斜波发生器产生斜波电压与输入比较器（,Vx,）和接地（,0V,）比较器比较。比较器的输出触发双稳态触发器，得到时间为,T,的门控信号。在门控时间,T,内，计数器对时钟脉冲计数，即,T=NT0,，,T0,为时钟信号周期。计数结果,N,即表示了,A/D,转换的数字量结果。,(,式中，,k,为斜波电压的斜率，单位为,V/,秒,),波形图,工作原理,斜波发生器：通常由积分器对一个标准电压,Vr,积分产生，斜率为：,(,式中,RC,为积分电阻和电容,),将 代入 得，,式中，为定值，于是，,即，,可用计数结果的数字量,N,表示输入电压,Vx,。,特点、应用,线路简单，成本低。转换速度：门控时间,T,即为单斜式,ADC,的转换时间，取决于斜波电压的斜率，并与被测电压值有关，在满量程时，转换时间最长，即转换速度最慢。可应用于精度和速度要求不高的,DVM,中。,例,设一台基于单斜,A/D,转换器的,4,位,DVM,，基本量程为,10V,，斜波发生器的斜率为,10V/100ms,，试计算时钟信号频率。若计数值,N=5123,，则被测电压值是多少？,解,4,位,DVM,即具有,4,位数字显示，亦即计数器的最大值为,9999,。,满量程,10V,斜波发生器的斜率为,10V/100ms,，则,10V,时，,A/D,转换时间即门控时间为,100ms,。即在,100ms,内计数器的脉冲计数个数为,10000,（最大计数值为,9999,）。于是，时钟信号频率为,若计数值,N=5123,，则门控时间为,又由斜率,k=10V/100ms,，即可得被测电压为,显然，计数值即表示了被测电压的数值，而显示的小数点位置与选用的量程有关。,3,）双积分式,ADC,基本原理：,通过,两次积分过程,(,“,对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分,”,),的比较，得到被测电压值。,原理框图,包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。,下图,a.,原理框图，,b.,工作波形图。,主,门,计,数,器,逻,辑,控,制,电,路,数,字,输,出,时,钟,S,1,S,2,C,R,V,x,-,V,r,V,r,积,分,器,比,较,器,-,+,-,+,S,1,S,2,V,o,t,0,t,1,复,零,t,2,t,3,V,o,V,o,m,T,1,T,2,N,1,N,2,t,积,分,波,形,计,数,器,输,入,a,.,b,.,清,零,T,0,f,0,T,0,1,1,T,0,工作过程,(1)复零阶段（t0t1）。开关S2接通T0时间，积分电容C短接，,使积分器输出电压Vo回到零（Vo=0）,。,(2)对被测电压定时积分(t1t2)。接入被测电压（设Vx为正），则积分器输出Vo从零开始线性地负向增长，,经过规定的时间T1,，Vo达到最大Vom，,(3),对参考电压反向定值积分,(t2t3),。接入参考电压,(,若,Vx,为正，则接入,-Vr),，积分器输出,Vo,从,Vom,开始