电子测量技术(西电版)第4章-电压、电流测量.ppt

第4章电压、电流测量,第4章电压、电流测量,4.1 概述,4.2 直流电压的的测量,4.3 交流电压的测量,4.4 分贝的测量,4.5 电压的数字化测量,4.6 电流的测量,思考与练习,4.1 概 述,4.1.1 电压测量的意义和特点,1.电压测量的意义,电压量广泛存在于科学研究、航空航天、现代化生产以及人类生活的各种活动之中，电压测量是许多电测量与非电测量的基础，是电子测量的重要内容。,在集中参数电路中，电压、电流、功率是表征电信号能量的三个基本参数，而电流和功率又往往通过电压进行间接测量。从测量角度看，测量的主要参量是电压。另外，电子电路及电子设备的各种工作状态和特性都可以通过电压量表现出来。例如，电路的饱和与截止状态、线性工作范围、电路中的控制信号和反馈信号等，以及频率特性、调制度、失真度、灵敏度等。所以，电压测量是电量测量中最基本、最常见的一种测量。,在非电量检测中，许多物理量(如温度、压力、振动、速度、加速度等)都可以通过传感器转换成电压量，通过电压测量即可方便地实现对这些物理量的测量与监测。所以，电压测量也是非电量测量的基础。,(2)测量范围宽。现代的电压测量技术，可测量的电压范围极宽，低至纳伏级(10,-9,V)的微弱信号(如心电医学信号，地震波等),高至数百千伏的超高压信号(如电力系统中),。通常，将电压测量范围分为：超高压(几万伏以上)、高压(千伏以上)、大电压(几十伏以上)、中电压(0.1 V至几十伏)、小电压(1 V0.1 V)及超小(微弱)电压(1 V以下)。,(3)电压波形的多样化。电压测量除了直流电压以外，还有交流电压。交流电压波形多种多样，除大量存在的正弦电压外，还包括失真的正弦波及各种非正弦波，如矩形波、脉冲波、三角波、斜坡电压以及各种调制波形等，而噪声电压则是一种无规则的随机电压,信号。,(4)要求有足够高的输入阻抗。被测信号可以视为理想电压源和等效内阻的串联，被测信号接入电压测量仪器后，电压测量仪器的输入阻抗就是被测电路的额外负载。由于仪器输入阻抗的存在会对测量结果产生影响，要求仪器具有足够高的输入阻抗。,(5)要求有足够高的测量准确度。由于电压测量的基准是直流标准电池，且在直流电压测量中，各种分布性参量的影响极小，因此，直流电压的测量可获得最高的测量准确度。,目前，数字电压表测量直流电压的准确度可达10,-8,。至于交流电压测量，一般通过交流/直流(AC/DC)变换(检波)电路，而且当测量高频电压时，分布性参量的影响不可忽视，再加上波形误差，故即使采用数字电压表，交流电压的测量准确度目前也只能达到10,-5,左右。,(6)要求有高的测量速度。在测量领域，一般分为静态测量和动态测量，静态测量速度可以很慢(每秒几次)，但通常要求测量准确度很高；动态测量速度很高(每秒百万次以上)，但测量准确度可以较低一些。测量速度和准确度始终是一对矛盾体，人们追求高速度高准确度的测量往往需要付出很大的代价。,4.1.2 电压测量的方法和分类,被测电压按对象可以分为直流电压测量和交流电压测量，按测量的技术手段可以分为模拟电压测量和数字电压测量。不同的测量方法，所用的测量仪器有所不同。,1.直流电压的模拟测量,直流电压的模拟测量一般是将被测模拟电压经过放大或衰减后，驱动直流电流表(动圈式A表)指针偏转，以指示测量结果。其结构简单，但一般测量准确度较低。,3.直流电压数字化测量,直流电压数字化测量是通过模拟-数字(A/D)转换器，将模拟电压量转换成对应的数字电压量。然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。数字化电压测量直观方便，功耗低，测量准确度高，以A/D转换器为核心即可构成数字电压表(DVM)。,4.交流电压的数字化测量,交流电压经过AC/DC变换后得到直流电压，然后，通过数字化直流电压测量方法，即可实现交流电压的数字化测量。,数字多用表(DMM)可以测量直流和交流的电压、电流、阻抗等，因而得到广泛应用。,5.基于采样的交流电压测量方法,实现交流电压测量的另一种方法是，直接采用高速A/D转换器，将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实时采样，然后，对采样数据进行处理，计算出被测交流电压的有效值、峰值和平均值。例如，根据交流电压有效值定义，可由有效值公式,计算出交流电压的有效值。式中,N,为,u,(,t,)的一个周期内的采样点数。而对被测波形的采样序列,u,(,k,)进行平均和求最大值，很容易地得到平均值和峰值。上述交流电压的测量方法可称为“采样-计算法”。,6.示波测量方法,利用模拟示波器或数字存储示波器可直观显示出被测电压波形，并读出相应的电压参量。,实际上，示波器是一种广义电压表。,图4-1 普通直流电压表电路,设电流表的满偏电流(或满度电流)为,I,m,，电流表本身内阻为,R,e,，串联电阻,R,n,所构成的电压表的满度电压为,U,m,=,I,m,(,R,e,+,R,n,)(4-1),所构成的电压表内阻为,(4-2),例如，图4-1中电流表串接3个电阻后除了最小电压量程,U,0,=,I,m,R,e,外，又增加了,U,1,、,U,2,、,U,3,三个量程，根据所需扩展的量程，不难估算出三个扩展电阻的阻值分别为,“/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。“/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据其大小推算出不同量程时的电压表内阻，即,R,V,=,K,V,U,m,(4-4),式中，,U,m,为某电压量程的满度电压值，,R,V,为对应量程的内阻，不同的量程，其,U,m,和对应的,R,V,不同。,例如，某电压表的“/V”数为20 k/V，则5 V量程和25 V量程时电压表内阻分别为100 k和500 k。,动圈式直流电压表结构简单，使用方便，但误差较大。误差除了读数误差外，主要取决于表头本身和扩展电阻的准确度，一般直流电压表的准确度等级在1%5%左右，精密直流电压表的准确度等级可达0.1%。普通直流电压表的主要缺点是灵敏度不够高和输入电阻偏低，特别是在较低的量程上，电压表的输入电阻更低，这时的负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽视，会使测量结果产生大的误差，在高输出电阻的直流电压测量中，误差更为明显。,由于负载效应所产生的读数相对误差为,(4-6),由式(4-6)可以看出，,R,V,越小，,越大，对于低的电压量程挡，,R,V,更小，则对测量结果的影响更大。,式中,K,=,U,2,/,U,1,。,为了消除这一影响，可使用两个不同量程挡,U,1,、,U,2,进行测量。将电压表的两次读数值,U,01,、,U,02,代入下式，可计算出被测电压的近似值,(4-7),图4-2 用普通直流电压表测量高输出电阻,电路直流电压的等效电路图,例如，在图4-2中，若电压表的“/V”数为,20 k/V，先后用5 V量程和25 V量程测量端电压,U,o,的读数值分别为2.50 V和4.17 V，代入上式可计算得,E,0,5.10 V。,虽然采用上述办法可消除,R,V,对测量结果的影响，但是比较麻烦。在工程测量中为了满足测量准确度的要求，最常用的办法是采用直流电子电压表进行测量。,4.2.2 直流电子电压表,直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器(以提高输入阻抗)和直流放大器(以提高测量灵敏度)构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成原理框图如图4-3所示。,图4-3 电子电压表组成原理框图,图4-4是由集成运放组成的电子电压表的原理电路图。在理想运放情况下，,U,=0，,I,=0，则电流表头上的电流,I,0,为,式中,K,为分压器和跟随器的电压传输系数。,图4-4 由集成运放组成的电子电压表的原理电路图,若电流表满偏电流为,I,m,，则由上式可得该直流电子电压表的量程为,(4-8),为保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻,R,F,都要使用精密电阻。,在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提高。为此，电子电压表中常采用斩波式放大器(或称调制式放大器)以抑制零点漂移，以及使用具有自动稳零电路的高精度放大器，从而可使电子电压表能测量到微伏级的电压，测量灵敏度和准确度大大提高。,4.2.3 直流数字电压表,如果将图4-3中磁电式表头用A/D转换器及与之相连的数字显示器代替，即构成直流数字电压表，如图4-5所示。图中A/D转换器把模拟直流电压量转换成相应的数字电压量，送往数字显示器显示出来。在数字电压表前端配接适当的转换电路，将被测参数转换成对应的直流电压，就可构成该被测参数的数字仪表。因此直流数字电压表是许多数字式电测仪表的核心部件，用途广泛。关于直流数字电压的测量及直流数字电压表原理将在4.5节中作比较详细的介绍。,图4-5 直流数字电压表基本结构框图,4.3 交流电压的测量,4.3.1 表征交流电压的基本参量,峰值、平均值和有效值是表征交流电压的三个基本电压参量。另外，对于峰值或平均值相等的不同波形，由于其有效值不同，为了利用正弦波有效值刻度的电压表测量不同的波形电压，为此，引入了不同波形峰值到有效值、平均值到有效值的变换系数，即波峰因数和波形因数，从而方便地进行有关参数的转换和计算。所以，波峰因数和波形因数也是表征交流电压的另外两个基本参量。,1.峰值,交流电压的峰值是指以零电平为参考的最大电压幅值，即等于电压波形的正峰值，用,U,p,表示，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，当不存在直流电压(平均值)，或输入被隔离了直流电压的交流电压时，振幅,U,m,与峰值,U,p,相等。,图4-6 以正弦信号交流电压波形为例，说明了交流电压的峰值和振幅的关系。,图4-6 交流电压的峰值和振幅的关系,图4-6中，,U,p,为正弦电压峰值，,U,m,为正弦电压振幅，为正弦电压平均值，并有,U,p,=+,U,m,，,u,(,t,)可表,示为：,u,(,t,)=+,U,m,sin,t,其中，,=2/,T,，,T,为,u,(,t,)的周期。对于交流信号，无特别说明外，一般认为=0，即,U,p,=,U,m,。,2.均值,交流电压,u,(,t,)的平均值(简称均值)用表示，数学上定义为,(4-9),式中，,T,为,u,(,t,)的周期。,根据这一定义，平均值实际上为交流电压,u,(,t,)的直流分量(参见图4-6)，其物理意义为：为交流电压波形,u,(,t,)在一个周期内与时间轴所围成的面积，当,u,(,t,)0部分与,u,(,t,)1 mW，分贝值为正，若,P,x,1mW，分贝值为负。,2)电压电平dB,V,以基准电压量,U,0,=0.775 V(正弦电压的有效值)作为零电压电平(0dB,V,),则任意电压(被测电压),U,x,的电压电平定义为,(4-27),需要说明的是，以上定义的绝对电平，都没有指明阻抗的大小，所以，,P,x,和,U,x,应理解为任意阻抗上吸收的功率或其两端的电压。很显然，若在600 电阻上测量，那么功率电平等于电压电平，因为在600电阻上吸收,P,0,=1mW的功率时，其电阻两端电压的有效值恰为0.775 V，由于,，这就是取基准功率量,P,0,=1 mW作为零功率电平(0dB,m,)，取基准电压量,U,0,=0.775 V作为零电压电平(0 dB,V,)的原理。,4.4.2 分贝的测量方法,分贝的测量实质上是交流电压的测量，只是表头以分贝分度。功率的测量，也可归结为在已知阻抗两端测量电压。根据式(4-26)和式(4-27)，可以直接在,P,x,mW、,P,x,dB,m,之间和,U,x,V、,P,V,dB,V,之间进行换算，为方便起见，常将,P,x,mW、,P,x,dB,m,和,U,x,V、,P,V,dB,V,制作成换算曲线。,专供测量分贝的电平表在通信系统中已作为一种基本的测量仪器，获得广泛应用。虽然电平表实质上是交流电压表，但电平表在测量电平时分贝值的读出方法与一般的交流电压表远不完全一样。,1.宽频电平表 ,前面介绍的放大-检波式交流电压表，在对表头重新设计后，可从表头直接读取分贝值，这种具有分贝读数的电压表常称为“宽频电平表”，其组成原理框图如图4-12所示。,图4-12 宽频电平表组成原理框图,宽频电平表是在均值电压表的基础上设计的，在宽带放大器前的输入衰减器上，用dB表示“输入电平”选择，并可用标准电平振荡器校准，衰减器的衰减步进为10 dB，相当于衰减倍。,在电压信号的输入端，有“输入阻抗”选择(一般有75、150、600、高阻，共4挡)，一般根据测量时的阻抗匹配原则来选择。宽带放大器上还有“电平校准”旋钮，用于调节放大器增益。最后，表头刻度则为dB，可以是dBV(测量电压电平)或dBm(测量功率电平)两者之一，也可以是两者兼容，但要注意的是，实际被测电压或功率的dB值需由表头读数和衰减器共同决定。,下面简要介绍测量电压电平的宽频电平表刻度特性及dB值的读出方法。对于电压电平，首先应确定表头0 dB刻度的位置，表头标定时，选择输入阻抗600，对应的0 dB电压(有效值)为0.775 V。通常0 dB约在表头指针满刻度的2/3左右，0 dB的左边为-dB(0.775 V)。,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。实际上，衰减器的读数是依据其后面的放大器增益标定的，并不是表示其真实的衰减量。,例如，若某电平表的最高灵敏度为-70 dB，当输入最小电压-70 dB时(衰减器不衰减)，希望表头指示0 dB，则放大器输出有效值(加到检波器输入)必须为0.775 V，相应的放大器增益应为70 dB(可验证如下：设对应-70 dB的输入电压为,U,x,，放大器的输出电压为,U,0,，则由，显然成立)。而此时，虽然衰减器没有衰减，但应标注为“-70 dB”，当表头读数为0 dB，实际被测电压dB值=-70 dB+0 dB=-70 dB。,对于功率电平的测量，实际上是对阻抗两端电压电平的测量。将1mW基准功率对应的阻抗Z0称为“零刻度基准阻抗”，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)。,在图4-12所示的宽频电平表中，若选择输入阻抗,Z,i,=600，就可直接从表头读出功率电平值。当输入阻抗,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,(4-28),式中，,P,V,dB,V,为电压电平的dB值；,Z,0,为零刻度基准阻抗(600)；,Z,i,为选用的宽频电平表输入阻抗；,可认为是对,P,V,dB,V,的修正值。,2.外差式选频电平表,宽频电平表受宽带交流放大器的内部噪声影响，其灵敏度和带宽有限，从而限制了小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号的能力。采用外差式接收原理的选频电平表则可大大提高测量灵敏度(可达-120 dB，相当于0.775 V)，在放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中得到广泛应用。选频电平表由于其灵敏度高，也常称为“高频微伏表”，如DW1型，频率范围为100 kHz300 MHz，最小量程15 V。图4-13为选频电平表的组成原理框图。,图4-13 选频电平表的组成原理框图,从图4-13可见，选频电平表的工作原理与外差式接收机组成原理相似。首先，频率为fx的被测信号通过输入电路(衰减或小增益高频放大)后，与第一本振输出,f,1,混频，得到固定的第一中频,f,Z,1,(由带通滤波器选出)，,f,Z,1,再与第二本振输出,f,2,混频，得到固定的第二中频,f,Z,2,(经窄带滤波器选出)，再经过后面的高增益中频放大器放大和检波器整流后，驱动表头并以dB指示被测信号。,选频电平表经过两级变频，对测量信号具有很好地频率选择性，从而在窄带中频上获得很高的增益，很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。,4.5 电压的数字化测量,数字电压表(Digital Voltage Meter，DVM)近几年来已成为测量极其准确、灵活多用并且价格正在逐渐下降的电子仪器。此外，由于DVM能很好地与其它数字仪器(包括微计算机)相连结，因此，在自动化测量系统发展中起着很重要的作用。,4.5.1 数字电压表的组成与分类,1.数字电压表的组成,数字电压表的组成原理框图如图4-14所示，它包括模拟和数字两大部分。其核心部件是A/D转换器(Analog to Digital Converter，ADC)，A/D转换器实现模拟电压到数字量的转换，其结果直接用数字显示。各类DVM之间最大的区别在于A/D变换的方法不同，而各种DVM的性能在很大程度上也取决于所用A/D变换的方法。为适应不同的量程及不同输入信号的测量需要，在A/D转换器输入端之前一般都有输入放大(衰减)电路或输入变换电路(如,AC/DC变换)。,图4-14 数字电压表组成原理框图,直流数字电压表的被测电压为直流或缓慢变化的信号，通常采用低速的A/D转换器。若通过AC/DC输入变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值等，构成交流数字电压表。,如果输入电路进一步扩展电流/电压、阻抗/电压等变换功能，则可构成数字多用表(Digital MultiMeter，DMM)。,2.数字电压表的分类,数字电压表的分类主要是按A/D变换的不同方法划分的，自从20世纪50年代初期数字电压表问世以来，已经发展了许多种实现A/D变换的方法。总结起来，这些方法可归纳为两大类：积分式和非积分式。两大类A/D变换的方法也是逐步发展的。下面提供的各种方法虽然不能包括所有的方法，但也可以看出数字电压表发展的一个概况，这些方法基本上是按提出的时间排列的。,(1)非积分式：斜坡电压(锯齿波、阶梯波)式、比较式(逐次逼近、并行比较)等。,(2)积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽(PWM)式、电压-频率(U-F)式等。,下面几个小节，就几种具有代表性的A/D变换器及由它组成的DVM的基本原理进行分析。,4.5.2 非积分式DVM,1.逐次逼近比较式DVM,逐次逼近比较式DVM的基本原理是将被测电压Ux和一可变的已知电压(基准电压)进行逐次比较，最终逼近被测电压，即采用了一种“对分搜索”的方法，逐步缩小Ux未知范围，测出被测电压。所谓逐次逼近比较式，就是将基准电压分成若干基准码，未知电压按指令与,最大的一个码(通过D/A变换)比较，逐次减小，比较时大者弃，小者留，直至逼近被测电压。下面说明搜索原理和逐次逼近过程。,假设基准电压为,U,r,10 V，为便于对分搜索，可将其分解成一系列的不同的标准值,上式说明，若把,U,r,不断细分(每次去上一次的一半)至足够小的量，便可无限逼近。当只取有限的项数时，则项数的多少决定了其逼近的程度。如上式中取前4项，则,U,r,5 V2.5 V1.25 V0.625 V9.375 V,其逼近的最大绝对误差为,U,=9.375 V-10 V,-0.625，最大误差的绝对值相当于最后一项的值。,对于测量,U,x,U,r,的电压，,U,x,分别与，比较，比较时采用大者弃，小者留的原则，最后逼近被测电压。,逐次逼近比较式的A/D转换过程，类似于天平称重的过程。对于测量,W,x,W,的重量，我们可把,W,分成，,，,等若干个标准码。,W,x,分别与，,等比较，比较时采用大者弃，小者留的原则，来逼近被测重量。,U,r,的各分项相当于提供的有限“电子砝码”，而,U,x,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砝码的过程，而称重结果的准确度取决于所用的最小砝码。,图4-15为逐次逼近比较式A/D转换器原理框图。图中，SAR(Successive Approximation Register)为逐次逼近移位寄存器，SAR在时钟CLK作用下，每来一个时钟进行一次移位，其输出(数字量)将送到D/A转换器，D/A转换结果再与,U,x,比较，比较器的输出(0或1)将决定SAR相应位的留或舍。D/A转换器的位数,n,与SAR的位数相同，也就是A/D转换器的位数，SAR的最后输出即是A/D转换结果。,图4-15 逐次逼近比较式A/D转换器原理框图,若基准电压满度值为,U,r,=10 V，被测电压,U,x,=3.285 V，下面以一个6位A/D变换器来说明图4-15电路完成一次A/D变换的全过程。,(1)起始脉冲使A/D变换过程开始。第一个钟脉冲使SAR的最高位(MSB)，即2,-1,位置于“1”，SAR输出一个基准码(100000),2,，经D/A转换器输出基准电压,U,r1,=2,-1,U,r,=5.000V，后者加到比较器，这正如我们在天平中将一个(1/2)W的标准法码放到测量盘中一样，故,U,r1,有“电,压砝码”之称。由于,U,r1,U,x,，则比较器输出为低电平“0”，所以当第二脉冲到来时，2,-1,位将回到“0”，这就是“大者弃”。,(2)第二个钟脉冲到来时，SAR的2,-1,位回到“0”的同时，其下一位(2,-2,)被置于“1”，故SAR输出的基准码为(010000),2,，经D/A转换器输出一个电压砝码,U,r2,=(0+2,-2,),U,r,=2.500V，后者加到比较器，这一次由于,U,r2,U,x,，则比较器输出为高电平“1”，所以当第三个脉冲到来时，SAR的2,-2,位保留在“1”，这就是“小者留”。,(3)第三个钟脉冲到来时，SAR的2,-2,位保留在“1”的同时，其下一位(2,-3,)被置于“1”，这时SAR输出的基准码为(011000),2,，经D/A转换器输出为,U,r3,=(0+2,-2,+2,-3,),U,r,=,=3.750V，后者加到比较器，这一次由于,U,r3,U,x,，则比较器输出为低电平“0”，所以当第四个脉冲到来时，SAR的2,-3,位返回到“0”，这就是“大者弃”。,(4)第四个钟脉冲到来时，SAR的2,-3,位回到“0”的同时，其下一位(2,-4,)被置于“1”，故SAR输出的基准码为(010100),2,，经D/A转换器输出一个电压基准码为,U,r4,=,(0+2,-2,+0+2,-4,),U,r,=3.125V，后者加到比较器，这一次由于,U,r4,U,x,，则比较器输出为高电平“1”，所以当第五个脉冲到来时，SAR的2,-4,位保留在“1”，这就是“小者留”。,(5)同样，第五个钟脉冲到来时，SAR输出的基准码为(010110),2,，得,U,r5,=3.437 V，由于,U,r5,U,x,，当第六个脉冲到来时，SAR的2,-5,位返回到“0”。,(6)最后，当第六个钟脉冲到来时，SAR输出的基准码为(010101),2,，得,U,r6,=3.281V，由于,U,r6,U,x,，则比较器输出为高电平“1”，所以SAR的最低位(LSB)保留在“1”。,经过以上六次比较之后，最后SAR的输出为(010101),2,(或3.281V)，这就是最终得到的A/D变换器的输出数据。SAR的输出数据送经译码器，然后以十进制数显示被测结果。,从以上讨论过程可以看出，由于D/A转换器输出的基准电压是量化的，因此，最后变换的结果为3.281V，其测量误差为,U,=3.281-3.285=-0.004 V，这就是D/A转换的量化误差。,显然，上述转换过程中,U,r,的分项越多，则逼近结果越接近,U,x,，即量化误差越小。,逐次逼近比较式A/D变换器的准确度，由基准电压、D/A转换器、比较器的漂移等决定，其变换时间与输入电压大小无关，仅由它的输出数码的位数(比特数)和钟频决定。这种A/D变换器能兼顾速度、准确度和成本三个方面的要求。逐次比较式A/D变换器已单片集成化，,常见的产品有8位的AD0809、12位的AD1210和16位的AD7805等。,2.单斜式DVM,图4-16为单斜式DVM的原理框图和波形图。它的A/D变换部分实质上是一个典型的非积分V-T(电压-时间)式,A/D变换器，斜波电压发生器是这种DVM的核心部分，它产生线性十分良好的斜波电压，斜波电压变化范围从+12 V到-12 V(以DVM的基本量程是10.00 V为例)，斜波电压分别接到两个比较器：输入比较器和接地(0 V)比较器。,其工作原理是，斜坡发生器产生的斜坡电压分别与输入为,U,x,的比较器和接地(0 V)比较器比较，两个比较器的输出触发双稳态触发器，得到时间间隔为T的门控信号，由计数器通过对门控时间间隔内的时钟信号进行脉冲计数，即可测得时间T，即,T,NT,0,，其中，,T,0,为时钟信号周期，,N,为计数值，它表示了A/D转换的数字量结果。被测量,U,x,正比于时间间隔,T,，也正比于所计数值,N,，即,U,x,=,k,T,kT,0,N,(4-29),式中，,k,为斜坡电压的斜率，单位为V/s。,图4-16 单斜式DVM的原理框图和波形图,(a)原理框图；(b)波形图,斜坡电压通常是由积分器对一个标准电压,U,r,积分产生，斜率为,(4-30),式中，,R,、,C,分别为积分电阻和电容。,将式(4-30)代入式(4-29)得,(4-31),式中，为定值，即刻度系数。于是，,U,x,N,，因此，可用计数结果的数字量N表示输入电压,U,x,。,【例4-3】,某斜波式DVM，4位数字读出，已知基本量程为10 V，斜坡发生器的斜率为10 V/50 ms。试计算时钟信号频率，若计数值,N,6223，则被测电压值是多少？,解,：由4位数字读出，可知该DVM计数器的最大计数值为9999；满量程10 V，可知该DVM的A/D转换器允许输入的最大电压为10 V；斜坡发生器的斜率为10 V/50 ms，则在满量程10 V时，所需的A/D转换时间即门控时间T为50 ms，即在50 ms内计数器所计的脉冲个数为10 000(,最大计数值为9999)。于是，时钟信号频率为,现若计数值,N,6223，则门控时间,又由斜率,k,10 V/50 ms，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。,用斜波电压技术的DVM所能达到的测量准确度，取决于斜波电压的线性及其绝对斜率稳定性，以及时间测量的准确度。此外，比较器的稳定性(漂移)和死区电压也是影响测量误差的重要因素。斜波式DVM的转换时间取决于门控时间T，由于门控时间取决于斜波电压的斜率，并与被测电压值有关，所以，在满量程时，转换时间最长。,斜波电压式DVM的特点是：线路简单，成本低廉，但测量的稳定性和准确度较差，在测量的准确度要求不太高(例如1%)的数字多用表中还在广泛使用。,4.5.3 积分式DVM,1.双积分式DVM,双积分式DVM也称双斜式积分DVM，其特点是在一次测量过程中用同一积分器先后进行两次积分。首先对被测电压,U,x,的定时积分，然后对参考电压,U,r,的定值积分，通过两次积分过程的比较，将,U,x,变换成与之成正比的时间间隔。所以，这种电压表的A/D变换属于U-T变换。图4-17为双积分式DVM的原理框图和积分波形图。它包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路等，其工作过程如下。,图4-17 双积分式DVM的原理框图和积分波形图,(a)原理框图;(b)积分波形图,(1)复零阶段(,t,0,t,1,)。,t,0,时刻，逻辑控制器发出清零指令，开关S,2,接通，积分电容C被短接使积分器输出电压,u,0,0，同时使计数器复零。,(2)对被测电压定时积分(,t,1,t,2,)。,t,1,时刻，采样阶段开始，逻辑控制器发出采样指令，开关S,1,接被测电压,U,x,，S,2,断开，这时积分器开始对,U,x,积分。若,U,x,为正，则积分器输出电压,u,o,从零开始线性地负向增长。一旦,u,o,小于0，比较器输出从低电平跳到高电平，打开主门，钟脉冲通过主门，同时计数器开始计数(计时)。当经过规定的时间,T,1,，即到达,t,=,t,2,时，计数器溢出，并复零。,溢出脉冲使逻辑控制器输出一个控制指令，使开关S,1,接参考电压-,U,r,，采样阶段宣告结束，此时，积分器输出,u,o,达到最大,U,om,，即,(4-32),式中，积分时间,T,1,为定值，所以，,U,om,与,U,x,成正比。,若被测直流电压,U,x,受到串模电压,u,sm,的干扰，即加到积分器的输入电压为,u,x,=-(,U,x,+,u,sm,),则,(4-33),从式(4-33)可知，,U,om,与成正比，即正比于输入电压的平均值，这样，串模干扰电压将由于取平均而大大减小了对测量结果的影响，从而提高了积分式DVM的抗干扰能力。,(4-34),(3)对参考电压反向定值积分(,t,2,t,3,)。,t,2,时刻开始为比较阶段，开关S,1,接通负的参考电压-,U,r,，S,2,断开。则积分器输出电压,u,o,从,U,om,开始线性地正向增长(与,U,x,的积分方向相反)，同时，计数器继续(从零开始)计数，设,t,3,时刻到达零点，过零比较器从高电平跃变到低电平，主门关闭，计数停止。此阶段，积分器经历的反向积分时间为,T,2,，则有,将式(4-32)代入式(4-34)，可得,(4-35),或可写成,(4-36),(4-37),由于,T,1,、,T,2,是通过对同一时钟信号计数得到，设计数值分别为,N,1,、,N,2,，即,T,1,N,1,T,0,，,T,2,N,2,T,0,，于是式(4-36)可写成,或,(4-38),式中，,e,为刻度系数(V/字)，,N,2,是计数器在参考电压反向积分时对时钟信号的计数结果，即双积分A/D转换结果，它表示了被测电压,U,x,的大小。,因为采样时间,T,1,为定值，而,U,r,为基准电压，故,T,2,正比于,U,x,，实际上，在比较阶段计数器计得的数,N,2,正比于,U,x,，适当地选择钟脉冲的周期，计数器上的数可直接以电压为单位显示出被测电压。,这种U-T变换器的变换结果与积分器的,R,、,C,元件无关，因为二次积分都用同一个积分器，故积分器的不稳定性可得到补偿。所以采用双斜式U-T变换器的DVM，可以在对积分元件,R,、,C,准确度要求不高的情况下，得到高的测量准确度。,从式(4-37)可知，该DVM的测量误差主要取决于计数器的误差和参考电压,U,r,的准确度，而与时钟源的频率准确度无关，这是由于,T,1,和,T,2,是用同一个时钟源提供的时钟脉冲来计数的，所以，,U,x,只与比值,T,2,/,T,1,有关，而不取决于,T,1,和,T,2,本身的绝对大小。由于参考电压,U,r,的准确度和稳定性直接影响A/D转换结果，故需采用精密基准电压源。例如，一个16 bit的A/D转换器，其分辨率1LSB1/2161/655361510,-6,，那么，要求基准电压的稳定性(主要为温度漂移)优于1510,-6,(即百万分之十五)。,综上所述，双斜式DVM具有抗干扰(串模)能力强，用较少的精密元件可以达到较高的指标，从20世纪60年代问世以来就显示出了它的生命力，直至目前仍在准确度较高的DVM中得到普遍使用。双斜式DVM的缺点与所有其它积分式DVM一样，是测量速率较低。,双斜式A/D转换器是A/D转换器件的一个大类，应用中有许多单片集成A/D转换器可供选择，如常用的ICL7106(16 bit)、ICL7135(4位半)、ICL7109(12 bit)及MC14433等。许多常用的手持式数字多用表是基于双积分式A/D转换器设计的。,2.三斜积分式DVM,三斜积分式DVM是在双斜积分式DVM的基础上，为进一步提高DVM的分辨力而设计的。双斜式DVM的分辨力受比较器的分辨力和带宽所限。采用三斜积分式，可大大降低对比较器的要求，并提高DVM的分辨力。,图4-18为三斜式DVM的原理框图和积分电压波形。,图4-18 三斜式DVM的原理框图和积分电压波形,(a)原理框图；(b)积分波形图,从图4-18中可以看出：三斜式DVM与双斜式DVM不同的是，双斜式DVM比双斜式DVM多了一个比较器B，且比较器A是,u,0,与一个小的参考电压量,U,t,相比较，比较器B是,u,0,与0 V电压量相比较。,其基本原理是：将原双积分式DVM的,t,2,t,3,对参考电压反向积分过程分为两个阶段，即,t,2,t,31,和,t,31,t,32,，并用独立的两个计数器A、B分别计数，其中,t,2,t,31,期间为对参考电压,U,r,反向积分，当积分器输出即将到达零点前的,U,t,时，积分器切换到对,U,r,/10,n,积分(,t,31,t,32,期间)，由于,U,r,/10,n,较小，积分器输出的斜率大大降低(降低了10,n,倍)，积分器输出“缓慢地”进入零点，使最终达到过零的时间大大“拖长”了，因而，降低了对积分器性能的要求。,当积分完成时，不难推出,(4-39),考虑到,T,1,N,1,T,0,，,T,2,N,2,T,0,，,T,3,=,N,3,T,0,，其中,T,0,为时钟周期，则由上式可得,(4-40),式中,，,为刻度系数,(V/,字,),。,N,N,2,即为A/D转换结果的数字量，它由计数器A和计数器B的计,数值,N,2,和,N,3,加权得到。,4.5.4 DVM主要工作特性,1.显示位数 ,DVM的显示位分为完整显示位和非完整显示位。一般的显示位均能够显示09的十个数字，而在最高位上，可以采用只能显示0和1的非完整显示位，俗称半位。例,如，4位显示即是指DVM具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999，而位(4位半)指DVM具有4位完整显示位和1位非完整显示位，其最大显示数字为19 999。,2.量程 ,DVM的量程分为基本量程和扩展量程。DVM的量程是按输入被测电压范围划分，而由A/D转换器的输入电压范围确定DVM的基本量程。在基本量程上，输入电路不需对被测电压进行放大或衰减，便可直接进行A/D转换。DVM在基本量程基础上，再通过输入电路对输入电,压按10倍放大或衰减，扩展出其他量程。例如，基本量程为10 V的DVM，可扩展出0.1 V、1 V、10 V、100 V、1000 V五挡量程；基本量程为2 V或20 V的DVM，则可扩展出200 mV、2 V、20 V、200 V、1000 V五挡量程。,3.超量程能力 ,超量程能力是DVM的重要特性，举例说明：用一台5位DVM测一个电压值为10.0001 V 的直流电压，若置于满量程为10 V挡，即最大显示为9.9999 V，很明显计数将溢出(因为无超量程能力)，若这时自动转换到100 V挡，则显示10.000 V，可见被测电压最后一位数将丢失，即对0.0001 V(0.1 mV)无法分辨。具有超量程能力的DVM，有一附加首位，当被测电压超过量程时，这一位显示1，即在10 V挡全部显示为10.0001 V。,对于具有附加首位的DVM，是否具有超量程能力有下面两种情况：第一种情况，若DVM的基本量程为1 V或10 V。那么带有1/2位的DVM，表示具有超量程能力。例如，在10.000 V量程上计数器最大显示为9.999 V，很明显这是一台4位DVM，无超量程能力，即计数大于9999即溢出。,另一台DVM，在10.000 V量程上，最大显示为19.999 V，即其首位只能显示0或1，这一位不应与完整位混淆，它反映有超量程能力(最大计数可超过量程)。第二种情况是，基本量程不为1 V或10 V，其首位肯定不是完整显示位，但是无超量程能力。例如，一台基本量程为2 V的DVM，在基本量程上的最大显示为1.9999 V，但无超量程能力。,4.分辨力 ,分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力，在数字电压表中，通常用每个字对应的电压值来表示，即V/字。例如，位的DVM，在200 mV量程上，可以测量的最大输入电压为199.9 mV，其分辨力为0.1 mV/字，即当输入电压变化0.1 mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”。,或者说，当输入电压变化量小于0.1 mV时，则测量结果的显示值不会发生变化，而为使显示值“跳变”1个字，所需电压变化量为0.1 mV，即0.1 mV/字。在DVM中，每个字对应的电压量也可用“刻度系数”表示。显然，在不同的量程上能分辨