电子测量数字电压表设计—-毕业论文设计.doc

摘要 电压测量是电子测量的一个重要内容。在三个表征电信号能量的基本参数（电压、电流和功率）中，电压测量是最直接也是最普遍的。在实际工作中，许多电子设备的控制信号、反馈信号以及输出信号主要是以电压量表示。在非电量测量中，通常也利用各种传感器将非电量转换成电压量来进行测量。可以说，电压测量是电子测量的基础。利用数字式电压表（简称DVM)用于电压的数字测量，是数字化仪表的基础与核心。由于精度高、可靠性好以及显示清晰、直观，在实际测量中已逐渐取代了模拟式电压表，现在它已成为电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。该文针对电子测量中交直流数字测量方法、A/D转换器原理、误差进行重点分析。关键词 1、电压测量；2、数字式电压表；3、A/D转换器目录摘要I一、直流电压基准11、标准电池12、半导体电压基准13、量子电压基准1（1）约瑟夫森量子隧道结：1（2）约瑟夫森量子效应：2（3）约瑟夫森量子逆效应2（4）约瑟夫森量子电压基准2（5）约瑟夫森量子阵2二、交流电压的测量31、双侧热电桥32、 双侧热点桥-自动平衡33、有效值 44、平均值45、峰值和振幅值56、波峰因数与波形因数57、交流电压的数字测量技术：6三、 直流电压的数字测量61、数字电压表的组成62、逐次比较型A/D转换器7（1）电路结构：7（2）工作原理：8（3）逐次比较型A/D转换器特点：9（4）误差影响：93、双积分式ADC9（1）电路结构：9（2） 工作原理：11（3）双积分A/D转换器特点：13（4）误差影响134、单斜积分型ADC14（1） 电路结构：14（2） 工作原理：14（3） 单斜积分型ADC特点：15结论16一、直流电压基准1、标准电池 利用化学反应产生标准电压 （1.01860V） 饱和型：电压年稳定性可小于0.5V，相当于510-7），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。2、半导体电压基准 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电压基准 图1-2-1 二极管的稳压特性3、量子电压基准 基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准。（1）约瑟夫森量子隧道结： 将2块超导体通过厚度约10埃的绝缘层隔开，构成的超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结。（2）约瑟夫森量子效应： 在约瑟夫森结两边加上电压V时，产生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。 1-1 （3）约瑟夫森量子逆效应 将约瑟夫森结置于微波场中，约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn的现象，称为约瑟夫森量子逆效应。 1-1（4）约瑟夫森量子电压基准 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）。并给出KJ-90=483597.9GHz/V。（5）约瑟夫森量子阵 约瑟夫森结产生的量子电压较低（mv级）。将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联，得到约瑟夫森结阵（JJA），可产生1V至10V的电压 。 二、交流电压的测量1、双侧热电桥 2-1 2-2 图2-1-1双侧热电桥 准确度：直流电压标准准确度为，则得到的高频电压标准准确度可达。2、 双侧热点桥-自动平衡 图2-2-1双侧热点桥-自动平衡 3、有效值 交流电压的有效值定义为，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U在相同的时间内通过同一负载所产生的热量相等时，则该直流电压U的数值就表示了交流电压u(t)的有效值，由此可推导出交流电压的有效值的表达式： 2-3 上式在数学上即为方均根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参数。对于理想的正弦交流电压，其有效值为： 2-44、平均值 平均值是指周期信号的直流分量，其数学表达式定义为： 2-5 根据该定义，不含直流分量的交流电压，其平均值应等于零。但在电子测量中，交流电压的平均值是指交流电压经检波后的平均值。若不能特别说明，通常指全波平均值，即： 2-65、峰值和振幅值 某一周期性交流电压u(t)在一个周期内所能达到的最大值称为该交流电压的峰值，用符号表示。当不加说明时，u(t)包括直流分量在内。通常峰值又可以分为峰峰值、正峰值、负峰值。在实际应用中需要注意区分峰值和振幅值。峰值是从零电平开始计算的，而振幅值则一直流分量的电平作参考，它仅反映交变部分振动的幅度。同样，振幅值也可以分为正振幅值和负振幅值。当直流分量时，振幅值即为峰值。 图2-5-1交流电压的峰值与幅值 6、波峰因数与波形因数（1）波峰因数：定义为峰值与有效值得比值： 2-7 对于理想的正弦交流电压，其波峰因数为： 2-8（2）波形因数：定义为有效值和平均值的比值： 2-9 对于理想的正弦交流电压，其波形因数为： 2-107、交流电压的数字测量技术： 2-11三、 直流电压的数字测量1、数字电压表的组成 直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、计数器、逻辑控制电路、时钟发生器、译码器和显示器组成。其组成示意图如图4-1-1所示图4-1-1数字电压表组成示意图 图中，A/D转换器是直流数字电压的表的核心，完成模拟量到数字量的转换。直流数字电压表的输入电路主要用于进行阻抗变换，对信号进行放大以及进行陵城的拓展；逻辑控制电路用于对整个直流数字电压表系统进行控制，保证正常有序的工作；计数器主要对A/D转换器的转换结果进行计算，并经过译码器将计数值变换为笔段码，驱动显示器显示出被测信号的电压值。2、逐次比较型A/D转换器（1）电路结构： 逐次逼近ADC如图3-1-1所示。它由移位寄存器、D/A转换器及电压比较器等部分组成。 图3-1-1逐次比较型A/D转换器框图(1) D/A转换器 D/A转换器用于将数码寄存器输出的数字量转换为步进砝码电压，该进步砝码电压作为反馈信号送入比较器的输入端，与被测电压进行比较。D/A转换器主要由基准电压、电阻解码网络和求和放大器三部分组成。常用的电阻解码网络有权电阻网络、倒T型电阻网络及二/十进制电阻网络等。(2) 比较器 比较器实际上是高灵敏度的差值放大器，完成被测电压和步进砝码电压的比较运算。若输入电压，则比较器输出的差值电压为正，输出高电平；反之，为负，输出低电平。（2）工作原理： 原理类似于天平称量过程，利用增减标准电压的方法改变步进砝码电压来实现与被测电压相平衡，即使得逐次逼近，则被测电压就转换为数码寄存器输出的数字量，该数字量京译码后，以十进制数字显示出测量结果。这里以一个能进行8位数模转换的逐次逼近比较式数字电压表来说明该类问题DVM的工作原理。 设图3-1-1电路为8位A/D转换器，输入模拟量=6.84V，D/A转换器基准电压=10V。 根据逐次比较D/A转换器的工作原理，可画出在转换过程中CP、启动脉冲、D7D0及D/A转换器输出电压的波形，如图3-2-1所示。可见，当启动脉冲低电平到来后转换开始，在第一个CP作用下，数据寄存器将D7D0=10000000送入D/A转换器，其输出电压 =5V，与比较，存1；第二个CP到来时，寄存器输出D7D0=11000000，为7.5V，再与7.5V比较，因7.5V，所以D6存0；输入第三个CP时，D7D0=10100000，=6.25V；再与比较，如此重复比较下去，经8个时钟周期，转换结束。由图中的波形可见，在逐次比较过程中，与输出数字量对应的模拟电压逐渐逼近值，最后得到A/D转换器转换结果D7D0为10101111。该数字量所对应的模拟电压为6.8359375V，与实际输入的模拟电压6.84V的相对误差为0.06%。图3-2-1 8位逐次比较型A/D转换器波形图（3）逐次比较型A/D转换器特点： 逐次逼近比较式数字电压表的测量精度高，速度快；但抗干扰性差。其量精度与基准电压、D/A转换器以及比较器的漂移有关；测量速度与输出数字量的位数及时钟频率有关，而与被测电压的大小无关。 （4）误差影响： 转换误差的大小取决于A/D转换器的位数，位数越多，转换误差就越小。3、双积分式ADC（1）电路结构： 图3-2-1是这种转换器的原理电路，它由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门（G）和计数器（）等几部分组成。图3-3-1 双积分式ADC电路结构（1） 积分器： 积分器是转换器的核心部分，它的输入端所接开关由定时信号控制。当为不同电平时，极性相反的输入电压和参考电压将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数=RC。（2） 过零比较器： 过零比较器用来确定积分器的输出电压过零的时刻。当0时，比较器输出为低电平；当0时，为高电平。比较器的输出信号接至时钟控制门(G)作为关门和开门信号。（3） 计数器和定时器： 它由n+1个接成计数器的触发器串联组成。触发器组成n级计数器，对输入时钟脉冲CP计数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。当计数到2n个时钟脉冲时，均回到0态，而翻转到1态，=1后开关从位置A转接到B。（4） 时钟脉冲控制门： 时钟脉冲源标准周期Tc，作为测量时间间隔的标准时间。当=1时，门打开，时钟脉冲通过门加到触发器的输入端。（2） 工作原理： 双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。下面以输入正极性的直流电压为例，说明电路将模拟电压转换为数字量的基本原理。电路工作过程分为以下几个阶段进行，图中各处的工作波形如图3-2-2所示。(1) 准备阶段 首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关闭合，待积分电容放电完毕后，再使断开。(2) 第一积分阶段 在转换过程开始时（t=0），开关与A端接通，正的输入电压加到积分器的输入端。积分器从0V开始对积分，其波形如图3-2-2斜线段所示。根据积分器的原理可得： （其中） 3-1 由于过零比较器输出为高电平，时钟控制门G被打开。于是，计数器在CP作用下从0开始计数。经2n个时钟脉冲后，触发器都翻转到0态，而=1，开关S1由A点转接到B点，第一次积分结束，第一次积分时间为t=T1=2nTc 令为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则由式可得第一次积分结束时积分器的输出电压为 3-2图3-2-3双积分A/D转换器各处工作波形(3) 第二积分阶段 当t=t1时，S1转接到B点，具有与相反极性的基准电压-加到积分器的输入端；积分器开始向相反方向进行第二次积分；当t=t2时，积分器输出电压0，比较器输出=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。在此阶段结束时的表达式可写为： 3-3 设T2=t2-t1，于是有设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则T2=Tc，可见，T2与V1成正比，T2就是双积分A/D转换过程中的中间变量。上式表明，在计数器中所得的数(=),与在取样时间T1内输入电压的平均值成正比的。只要，转换器就能正常地将输入模拟电压转换为数字量，并能从计数器读取转换的结果。如果取=2nV，则=，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。（3）双积分A/D转换器特点：(1) 计数脉冲个数与RC无关，可以减小由RC积分非线性带来的误差。(2) 对脉冲源CP要求不变，只要在T1T2时间内稳定即可(3) 转换精度高。(4) 转换速度慢，不适于高速应用场合。单片集成双积分式A/D转换器有ADC-EK8B(8位，二进制码)、ADC-EK10B(10位，二进制码)、MC14433(7/2位，BCD码)等。（4）误差影响 实际的积分器并不能实现理想的积分。总会存在一定的误差。运算放大器开环增益和输入电阻有限、频带有限，积分电容器漏电阻阻值有限所引起。4、单斜积分型ADC（1） 电路结构： 如图3-3-1所示 图3-3-1单斜积分型ADC电路结构 （2） 工作原理： 如图3-3-2 3-4 3-5 3-6 3-7图3-3-2单斜积分型ADC工作原理（3） 单斜积分型ADC特点：1、 线路简单，成本低；2、 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；3、 应用于精度和速度要求不高的DVM中。 结论 电压是最基本的电参数，其他许多点参量可看做电压的派生量，电压测量方便，因此电压测量是电子测量中最基本的测量。数字是电压表最基本的核心是A/D转换器，A/D转换器是最基本的的两种类型积分型和比较型。前者抗干扰能力强，测量精度高，但测量速率低；后者测量速度快，但抗干扰能力差。总的来说，积分型性能较优，应用较广泛。 15