现代电子测量技术5.pptx

5.1 5.1 概述概述511 电压测量的意义、特点 1）电压测量的重要性阐述电压测量的意义、重要性及应用。2）电压测量的特点从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点，这些特点也反映了电子测量的主要特点。第1页/共84页1 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；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，再进行测量电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度电压表征非电测量中，物理量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度第2页/共84页2 2）电压测量的特点1.频率范围广：零频（直流）109Hz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（10-9V）；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。第3页/共84页2 2）电压测量的特点4.阻抗匹配在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。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。第4页/共84页2 2）电压测量的特点5.测量精度的要求差异很大10-1至10-9。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。第5页/共84页5 51 12 2 电压测量的方法和分类2.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。第6页/共84页5 51 12 2 电压测量的方法和分类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。第7页/共84页5 51 12 2 电压测量的方法和分类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-读出结果第8页/共84页5 52 2 电压标准 直流电压标准电压和电阻是电磁学中的两个基本量。电压基准和电阻基准其他电磁量基准。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）。第9页/共84页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第10页/共84页5 53 3 交流电压的测量 531 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。峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp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Um表示）。第11页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量平均值（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)=Vpsin(t)，若=2/T 第12页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量有效值定义：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_=I2RT=交流电压u(t)在T内电阻R上产生的热量Q=由Q_=Q得，有效值第13页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量有效值意义：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)=Vpsin(t)，若=2/T 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Kp表示，第14页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量波峰因数和波形因数对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T第15页/共84页5 53 31 1 表征交流电压的基本参量波峰因数和波形因数常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；方波：Kp=1，KF=1；三角波：Kp=1.73，KF=1.15；锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；脉冲波：Kp=，KF=，为脉冲宽度，T为周期 白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。第16页/共84页5 53 32 2 交流/直流转换器的响应特性及误差分析 1）交流/直流电压（AC-DC）转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理：交流电压-直流电流（有效值、峰值和平均值）-驱动表头-指示。交流电压-有效值、峰值和平均值的转换，称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。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。第17页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）第18页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理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：式中，Rs和rd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），RL为等效负载电阻，Tmin和Tmax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。第19页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理平均值检波原理 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I0，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）第20页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理平均值检波原理以全波整流电路为例，I0的平均值为 式中，T为u(t)的周期，rd和rm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，I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。第21页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理有效值检波原理利用二极管平方律伏安特性检波 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。因此，实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路。第22页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理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。第23页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理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。第24页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理利用热电偶有效值检波热电偶：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。第25页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理热电偶有效值检波原理图图中，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V的平方，故，第26页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理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，如下图。第27页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理上图中，通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。测量热偶的热电动势ExV2，令Ex=k1V2；平衡热偶的热电动势EfVo2，及Ef=k2Vo2；假如两对热偶具有相同特性，即k1=k2=k，=则差分放大器输入电压Vi=Ex-Ef=k(V2-Vo2)，若放大器增益足够大，则有Vi=0，=Vo=V（即输出电压等于u(t)有效值）有效值电压表的特点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）。第28页/共84页1 1）交流/直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理有效值电压表的特点比如，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V1、V2、V3、，则读数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。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。第29页/共84页2 2）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Vp）。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Vp也不等于其有效值V）。但可由读数换算出峰值和有效值。第30页/共84页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析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Vp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），其有效值第31页/共84页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性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）。第32页/共84页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性综上所述，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，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。第33页/共84页3 3）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。第34页/共84页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性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），其有效值第35页/共84页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性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）。第36页/共84页3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性综上所述，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，KF为波形因数。波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差第37页/共84页4 4）实例分析 例 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1.0V，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=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V；第二步，该正弦波的峰值=1.4V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因数Kp=1，则该方波的有效值为：V=Vp/Kp=1.4V。波形误差为：(可见若不换算，波形误差是很大的可见若不换算，波形误差是很大的可见若不换算，波形误差是很大的可见若不换算，波形误差是很大的)第38页/共84页4 4）实例分析例 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1.0V，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=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值 =1.0V；第二步，该正弦波的均值 =0.9=0.9V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形因数 =1，则该方波的有效值为:0.9V。波形误差为第39页/共84页5 53 33 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，因此，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-放大式电压表组成框图第40页/共84页1 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。第41页/共84页1 1）检波-放大式电压表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。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。第42页/共84页1 1）检波-放大式电压表放大器为提高灵敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斩波稳零式直流放大器，其灵敏度可达几十微伏。称之为“调制式电压表”，如国产HFJ-8型高频毫伏表，最低量程为3mV，最高工作频率300MHz。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10kHz1000MHz，电压范围（不加分压器）1mV10V。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。第43页/共84页5 5）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。峰值电压表检波-放大式。峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。“调制式电压表”：采用高增益低漂移的调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提高，从mV级提高到几十V。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。第44页/共84页5 5）电压表的使用均值电压表放大-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）。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。第45页/共84页4 4）实例分析例 有效值电压表的有限带宽对测量非正弦电压时的波形误差。设某有效值电压表带宽为10MHz，用该电压表测量下图所示方波电压，计算由电压表带宽引起的波形误差。解 为求解电压表带宽引起的波形误差，需要对输入电压表的方波电压的谐波成分进行分析。将方波电压用付里叶级数表示为第46页/共84页4 4）实例分析上式表示，方波电压只含奇数次谐波分量，其总有效值应为（基波与各次谐波有效值几何合成，并由 得）由图，该方波基波频率为f1=1/T=1MHz，若电压表带宽为10MHz，则该方波就只有基波（1MHz）、3次（3MHz）、5次（5MHz）和9次谐波（9MHz）才能通过，而11次（11MHz）以上的谐波将被抑制。此时，读数值为 第47页/共84页4 4）实例分析若将上式的读数值作为实际有效值，所产生的波形误差为：结论：有效值电压表其有限带宽对测量非正弦电压时的波形误差总是负值（读数结果偏小），显然，电压表带宽愈宽（可通过的波形谐波频率愈高），相应的波形误差愈小。第48页/共84页5 54 4 直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理 541 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）。组成框图第49页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标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。第50页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标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)。第51页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标2）主要性能指标显示位数完整显示位：能够显示0-9的数字。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。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。第52页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、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199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。第53页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标分辨力分辨率：用百分数表示，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0.1mV，则分辨率为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），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。第54页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标测量精度取决于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（Full Scale,FS）；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。第55页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标测量精度有时将 等效为“n字”的电压量表示，即 如某台3位半DVM，说明书给出基本量程为2V，=（0.01%读数+1字）。则在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知，=0.005%，即表达式中“1字”的满度误差项与“0.005%”的表示是完全等价的：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。第56页/共84页5 54 41 DVM1 DVM的组成原理及主要性能指标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10M1000M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。第57页/共84页5 55 5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表551 电流、电压、阻抗变换技术AC/DC变换将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。I/V变换 基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。如下图。第58页/共84页5 55 51 1 电流、电压、阻抗变换技术如图，假如变换后采用的电压量程为200mV，则通过量程开关选择取样电阻分别为1k、100、10、1、0.1，便可测量200A、2mA、20mA、200mA、2A的满量程电流。Z/V变换同样基于欧姆定律。第59页/共84页5 55 51 1 电流、电压、阻抗变换技术对于纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的电压，即可得到被测电阻阻值。而对于电感、电容参数的测量，则需采用交流参考电压，并将实部和虚部分离后分别测量得到。电阻-电压（R/V）变换原理图。a.实现R/V变换的简单原理 b.通过运放实现比例测量的R/V变换第60页/共84页5 55 51 1 电流、电压、阻抗变换技术如图a，直接通过恒流源Ir流过被测电阻Rx，并对Rx两端的电压放大后送入A/D转换器。为了实现不同量程电阻的测量，要求恒流源可调。图a对于大电阻的测量不利，因为要求的恒流源电流Ir很小，对测量精度影响较大。图b中，将被测电阻作为反馈电阻，将恒流源输出Ir流过一个已知的精密电阻，从而得到参考电压Vr如图，放大器输出 ,于是如果将Vo作为A/D转换器的输入，并将Vr直接作为A/D转换器的参考电压，即可实现比例测量。第61页/共84页5 55 52 2 数字多用表组成框图数字多用表（DMM）的主要特点DVM的功能扩展。DMM可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半8位半。第62页/共84页5 55 52 2 数字多用表数字多用表（DMM）的主要特点一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。数字多用表的使用二端法和四端法测电阻。如下图（图中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4为等效导线电阻和接触电阻）。第63页/共84页5 55 52 2 数字多用表 a.二端法b.四端法图a中，实际测量得到的电阻值为Rx+Rl1+Rl2（即包含了引线电阻和接触电阻），使测量值偏大。只有当 (即测量大电阻时)Rl1和Rl2才可忽略。图b中，由于 (Rin为DMM输入电阻)，Rl3和 Rl4上基本上无电流流过（线上无压降），所测电压为Rx两端的电压。第64页/共84页5 55 52 2 数字多用表实际产品Agilent 3458A：8位半DMM。主要技术指标：Math/statistics；20 kB memory；Self-adjusting autocalibration；dc Volts；100 mV to 1000 V ranges；10 nV sensitivity 0.05 ppm transfer accuracy；ac Volts；10mV to 1000V ranges；Ohms；Analog,random and subsampled modes；0.002 ppm transfer accuracy 10 Ohms to 1 GOhm ranges；2-and 4-wire with offset compensation 第65页/共84页5 57 7 电压测量的干扰及抑制技术干扰是对有用被测信号的扰动，特别是当被测信号较小（或微弱）时，干扰的影响显得更为严重。因此，必须提高电压测量的抗干扰能力，特别是对于高分辨力高精度的数字电压表更为重要。571 干扰的来源及分类分类：串摸干扰和共摸干扰。串摸干扰(差模干扰)是指干扰信号以串联叠加的形式对被测信号产生的干扰；共摸干扰是指干扰信号同时作用于DVM的两个测量输入端（称为高端H和低端L）。第66页/共84页5 57 71 1 干扰的来源及分类串模干扰起因及特性：可能来自于被测信号源本身（例如，直流稳压电源输出就存在纹波干扰）；也可能从测量引线感应进来的工频（50Hz）或高频干扰(如雷电或无线电发射引起的空中电磁干扰)。就干扰源的频率来说，可从直流、低频到超高频；干扰信号的波形可以是周期性的或非周期性的，可以是正弦波或非正弦波（如瞬间的尖峰脉冲干扰），甚至完全是随机的。各种干扰信号中，50Hz的工频干扰是最主要的干扰源。第67页/共84页5 57 71 1 干扰的来源及分类共模干扰起因及特性：被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）。如测量一个直流电桥的输出。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。共模干扰电压也分直流电压和交流电压两类。共模干扰电压可能很大，如上百伏甚至上千伏。第68页/共84页5 57 72 2 串模干扰的抑制抑制原理及基本方法直流串模干扰：由于串模干扰是叠加在被测信号上，则很难从硬件上予以抑制，通常可采用软件校准和数据处理的方法来处理。周期性串模干扰：可采用滤波的方法抑制（从被测信号中滤除掉干扰信号）。另外，采用积分式A/D转换器的DVM，由于积分对输入信号的平均作用，因此，具有较好的抑制干扰的作用。尖峰脉冲的干扰：由于干扰强度大持续时间短，一般首先应在信号输入端加入限幅，再采用模拟硬件滤波器或软件数字滤波。第69页/共84页5 57 72 2 串模干扰的抑制串模干扰的误差分析以积分式DVM为例。设在被测电压Vx上叠加有平均值为零的串模干扰信号un，即对输入电压定时(T1)积分结束时，积分器的输出为：可见，干扰电压以其平均值对测量结果产生误差。其平均值为：第70页/共84页5 57 72 2 串模干扰的抑制为使 =0，由 =0，=由 =0，=因此，只要满足上面两个条件之一，就可使 =0它们是串模干扰抑制的理论依据。串模抑制比（NMR，Normal Mode Ratio）。用于定量表示DVM抑制串模干扰的能力。的最大值为：(Un为干扰信号的幅度)第71页/共84页5 57 72 2 串模干扰的抑制定义NMR：则，可见，NMR与干扰信号周期（频率）有关（如下图，图中给出了积分时间T1=10ms和T1=100ms的两组曲线）。当满足T1=kTn（k为正整数）时，NMR=(干扰被完全抑制)；当T1一定时，若Tn愈小（干扰信号频率愈高），则NMR愈大；反之，则NMR愈小；因此，串模干扰的最大危险在低频，而50Hz的工频干扰最为严重。第72页/共84页5 57 72 2 串模干扰的抑制一般DVM的NMR为2060dB。例如，假设干扰信号最大幅度为1mV，若NMR=20dB，则干扰引入的最大误差为0.1mV，相当于干扰信号最大幅度的10%；若NMR=60dB，则最大误差为1V，相当于干扰信号最大幅度的0.1%。第73页/共84页5 57 72 2 串模干扰的抑制积分式DVM中的串模干扰抑制措施依据：和以50Hz工频干扰为例，讨论相应的抑制措施。取定时积分时间T1为工频周期的整数倍，即T120ms，40ms，80ms，100ms等，这通过定时器（对标准时钟信号分频）即可简单实现。考虑到，50Hz工频由于受电网波动其频率是变化的，因此，需使积分时间T1跟随工频频率自动调整变化。取工频信号的k个周期作为T1期；工频锁相法。选择干扰信号的初相角：使初相角 （对工频干扰信号作过零检测）。第74页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制抑制原理及基本方法存在共模干扰时的DVM输入等效电路（共模干扰是通过环路地电流对两根测试导线（H、L端）共同产生影响）。第75页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制如图，共模干扰电压Ucm通过环路电流I1和I2同时作用于DVM的H、L端（但是，他们对H、L端的影响量并不相等，见后面的分析），从而造成测量误差。因此，抑制共模干扰的基本原理是：减小两路环路电流；或使共模干扰对H、L端的影响能互相削弱或抵消。共模干扰的误差分析共模干扰电压Ucm转换为DVM的H、L端的串模干扰电压为：第76页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制式中，为两根引线的电阻（包括接触电阻），分别为被测信号和干扰信号的等效内阻，为DVM的等效输入阻抗，为共模干扰电压。上式表明，共模干扰电压完全100%引入到了测量输入端（由共模干扰引起的串模干扰等于该共模电压）。第77页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制共模抑制比（CMR，Common Mode Ratio）定量表示DVM的对共模干扰的抑制能力，定义为CMR表示共模干扰电压转换为影响测量结果的串模干扰电压的大小。前例中，由于 ,所以，CMR0dB，即完全没有抗共模干扰能力。共模干扰的抑制措施浮置测量：将DVM的接地端浮置，即不与机壳地连接（隔离），DVM接地端到机壳的绝缘电阻Z2。第78页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制浮置测量时DVM的输入等效电路：由图可得：(因 =第79页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制将 （由于 ）代入上式，可得此时，CMR为：由于 ,所以浮置测量具有较高的共模抑制比。共模电压为直流时（Z2表现为纯电阻）,CMR较高;而当共模电压为交流时（由于有容抗的并联作用，Z2比纯电阻时减小了），CMR会有所降低。第80页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制例 一台采用浮置测量的DVM，Z2=109/1000pF，分别计算对直流和50Hz交流时的共模抑制比。导线电阻r2取标称值1k。解 对于浮置测量，有：对直流共模干扰，将 ,r2=1k代入上式，得：对交流共模干扰，于是，(为共模干扰信号的频率)第81页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制将 =50Hz，=1000pF，=1k代入上式，得 可见，在交流干扰情况下，共模抑制比CMR比直流时小许多，而且随着干扰信号频率的提高，还要减小。双端对称测量：采用双端对称输入连接到DVM，即DVM的H、L端对地均有较大阻抗。第82页/共84页5 57 73 3 共模干扰的抑制由于Z1、Z2较大，可以有效的减小I1、I2。当满足平衡输入条件时：可使 =0。其他措施：浮置双端对称测量：双端对称输入浮置方法。屏蔽与隔离：采用双层屏蔽技术，即将内部模拟电路部分（包括输入电路）设置在一个屏蔽盒内（其模拟地与屏蔽盒之间有很高的绝缘电阻），同时，屏蔽盒与DVM的外壳（外层屏蔽）也高度绝缘。第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页