电子测量技术基础电压的测量.pptx

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1、3.1 3.1 概述概述311 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99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99页2 2）电压测量的特点1.频率范围广：零频（直流）

2、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，数十千伏。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99页2 2）电压测量的特点4.阻抗匹配电压表的输入阻抗是指它的两个输入端之间的等效阻抗，是被测电路的额外负载。 -测量仪器应具有较高的输入阻抗直流测量中，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

3、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。输入阻抗典型数值为1M和15并联。第4页/共99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99页3 31 12 2 电压测量的方法和分类按对象：直流电压测量；交流电压测量 按技术：模拟测量；数字测量 1）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

4、表（DMM）。第6页/共99页3 31 12 2 电压测量的方法和分类2）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。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99页3 31 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

5、流电压-模拟或数字示波器-显示波形-读出结果211( )NkVukN第8页/共99页直流电压的测量 1 普通直流电压表 由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成。 设电流表的满偏电流为Im ,电流表本身内阻为Re,串联电阻Rn 所构成的电压表的满度电压为:)(nemmRRIUAReR1R2R3UoU1U2U3emRIU0第9页/共99页直流电压的测量1 普通直流电压表 所构成的电压表的内阻为: 图中电流表串接了3个电阻后除了最小量程外增加了3个量程U1、U2、U3，根据扩展的量程，可以估算出3个扩展电阻的阻值： emRIUR)/(11mmneVIURRRmIUUR/ )(122mIUUR/

6、 )(233AReR1R2R3UoU1U2U3第10页/共99页直流电压的测量u1 1 普通直流电压表普通直流电压表 通常把内阻通常把内阻RvRv与与UmUm之比（每伏欧姆数）定义为电压表之比（每伏欧姆数）定义为电压表的的电压灵敏度电压灵敏度。 数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电数越大，表明使指针偏转同样角度所需要的电流越小。一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电流越小。一般标明在电磁式电压表的表盘上，可以根据电压灵敏度推算出不同量程时的电压表内阻。压灵敏度推算出不同量程时的电压表内阻。 优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩优点：结构简单、使用方便、误差来源表头本身和扩展电

7、阻的准确度。展电阻的准确度。1%1% 缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输缺点：灵敏度不高、输入电阻低。在量程较低时，输入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果入电阻更小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽略。的影响不可忽略。mmvvIURK1V/第11页/共99页直流电压的测量u普通直流电压表的误差普通直流电压表的误差 用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压，设被测电路输出电阻为测电路输出电阻为RoRo，被测电压实际值为，被测电压实际值为EoEo，电压表内阻为，电压表内阻为R RV V，则电压表度数值

8、为则电压表度数值为: :相对误差为：相对误差为： mmV00V000IUURRERRREVVRRREEU00000第12页/共99页直流电压的测量为了消除这一影响，可使用两个不同量程为了消除这一影响，可使用两个不同量程U U1 1、U U2 2 进行测进行测量。将电压表的两次读数值量。将电压表的两次读数值U UO1O1、U Uo2o2 代入下式，即可计算得代入下式，即可计算得到被测电压的近似值：到被测电压的近似值： 上例中，电压表的每伏欧姆数为上例中，电压表的每伏欧姆数为20k20k/V/V，先后用，先后用5V5V和和25V25V量程测量端电压量程测量端电压UoUo的读数值分别为的读数值分别为

9、2.5V2.5V和和4.17V4.17V，代入，代入上式得上式得EoEo=5.01V=5.01V21201OOOUUUKKE12UUK 第13页/共99页直流电压的测量直流电子电压表通常由磁电式表头加装直流电子电压表通常由磁电式表头加装跟随器跟随器、直直流放大器流放大器构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入高构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入高阻值电阻构成的分压电路。阻值电阻构成的分压电路。提高输提高输入阻抗入阻抗提高测量提高测量灵敏度灵敏度第14页/共99页直流电压的测量在理想运放情况下：在理想运放情况下：式中式中 K-K-分压器和跟随器的电压传输系数分压器和跟随器的电压传输系数若电

10、流表满偏电流为若电流表满偏电流为ImIm，则由上式可得该直流电子电压，则由上式可得该直流电子电压表的量程为：表的量程为：FxFiORKURUIKRIUFmm第15页/共99页直流电压的测量为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电为了保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻阻R RF F都要使用精密电阻。都要使用精密电阻。 缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提缺点：直流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提高。高。 故电子电压表中常采用斩波式放大器（调制式放大器）故电子电压表中常采用斩波式放大器（调制式放大器）以抑制零点漂移，可使电子电压表能测量微伏级的电压。以抑制零点漂移，可使电

11、子电压表能测量微伏级的电压。第16页/共99页直流电压的测量 将直流数字电压表的表头用将直流数字电压表的表头用A/DA/D转换器和数字显示器代转换器和数字显示器代替，即构成直流数字电压表。替，即构成直流数字电压表。第17页/共99页3 32 2 交流电压的测量 峰值、平均值、有效值、波峰系数和波形系数。 峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示 ）。注：注：振幅：振幅：以直流分量为参考的最大电压幅值（通常以直流分量为参考的最大电压幅值（通常用用U Um m表示）。表示）。第18页/共99页3 32 21 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

12、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波形的平均值（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 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV第19页/共99页3 32 21 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_=

13、Q，有效值2VTR20( )TutdtR201( )TVut dtT第20页/共99页3 32 21 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 波峰系数和波形系数 波峰系数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，u对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T10.7072ppVVVppVKV峰值有效值21.41/2pppVKV第21页/共99页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量 波峰系数和波形系数 波形系数定义：有效值与平均值的比值

14、，用KF表示， 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/TFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）第22页/共99页3 32 21 1 表征交流电压的基本参量 波峰系数和波形系数 常见波形的波峰系数和波形系数可查表得到：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。TT第23页/共99页3 32 22 2 交流/ /直流转换器的响应特性及误差分析 1

15、）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。第24页/共99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）DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第25页/共99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

16、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。minmax(),sdLRr CTR CT第26页/共99页 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

17、，避免指针摆动）1 1）交流/ /直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0第27页/共99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。 01( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrroI( )u t第28页/共99页1 1）交流/ /直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理 有效值检波原理(三

18、种) 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。201( )TVu t dtT第29页/共99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。2( )ut0TAu(t)Vrms第30页/共99页1 1）交流/ /直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理 利用热电偶有

19、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。冷冷端端T T0 0热热端端T T第31页/共99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

20、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。第32页/共99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， 2IVR Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加热热丝丝热热端端T T热热偶偶M Mu uA A连连接接导导线线I I第33页/共99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：

21、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。通过平衡热偶形成一个电压负反馈系统。R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加热热丝丝热热端端T T测测量量热热偶偶电电流流表表平平衡衡热热偶偶+ +- -V Vo oE Ex xE Ef fV Vi i热热端端T T连连接接导导线线差差分分放放大大器器第34页/共99页1 1）交流/ /直流电压（AC-DCAC-DC）转换原理 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(V

22、2- 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35页/共99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

23、际应用中，常采用峰值或均值电压表测有效值。2212(.)kVkVV第36页/共99页 原理 峰值响应，即：u(t)峰值检波放大驱动表头 二极管峰值检波电路DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析第37页/共99页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 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。峰峰值值检检波波表表头头( (读

24、读数数= =) )Vpu(t)第38页/共99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V22pVV第39页/共99页2 2）峰值电压表原理、刻度特性和误差分析 刻度特性 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系数（查表可得），其有效值2ppVV任意pV任意2pppVVKK任意任意任意任意第40页/共99页2 2）峰值电压表原理、刻度特

25、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）。2,pppppppppVVK VKVkkKKKKK任意任意任意任意任意任意任意第41页/共99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，Kp为波峰系数。 波形误差: 若将读数直接作为有效值，产生的误差。21.4121.41ppKKp（任意波）峰值V（任意波）有效值V221222pp

26、ppKKKK第42页/共99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 均值检波器由二极管桥式整流电路组成 整流电路输出直流电流整流电路输出直流电流I I0 0，其平均值与被测输入电压，其平均值与被测输入电压u(t)u(t)的平均值成正比（与的平均值成正比（与u(t)u(t)的波形无关）。的波形无关）。I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I001( )( )22Todmdmu tu tIdtTrrrr第43页/共99页 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

27、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。3 3）平均值电压表原理、刻度特性和误差分析 V平平均均值值检检波波表表头头( (读读数数= =) )u(t)第44页/共99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系数（

28、查表可得），其有效值V0.91.112 2FVVVKV0.9VV任意V任意0.9FFVKVK任 意任 意任 意任 意V第45页/共99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）。 ,FFFFVVKVKVKkK任意任意任意任意任意0.91.11FFFFKKkKK任意任意任意第46页/共99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

29、行换算，换算关系归纳如下：式中，为均值电压表读数，KF为波形系数。 波形误差。若将读数直接作为有效值，产生的误差0.90.9FK（任意波）均值V（任意波）有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK第47页/共99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，方波的波峰系数Kp=1，则

30、该方波的有效值为：V=Vp/Kp=1.4V。波形误差为：11.4100%29%1.4 %3 .22%1001414.173.1%1001PPKKVKVVpp82. 032三角波三角波第48页/共99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，方波的波形系数 =1，则该方波的有效值为: 0.9V。波形误差为

31、FVKV方波VVVVFK方波1 0.9100%11%0.9VKVF035.10.19.015.19.0%5.3%100115.111.1%100111.1FK三角波三角波第49页/共99页3 33 3 直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理 数字化测量：将连续的模拟量转换成断续的数字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。 进行这种处理，比较方便的量是直流电压和脉冲的频率，对应的测量仪器是数字电压表和电子计数器。第50页/共99页3 33 3 直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理 331 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 Me

32、ter，简称DVM）。 组成框图输输入入电电路路A A/ /D D转转换换器器数数字字显显示示器器逻逻辑辑控控制制电电路路时时钟钟发发生生器器模模拟拟部部分分数数字字部部分分Vx第51页/共99页3 33 31 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52页/共99页3 33

33、31 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53页/共99页3 33 31 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09的

34、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，可扩展量程。142第54页/共99页3 33 31 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

35、、2000V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55页/共99页3 33 31 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

36、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。0.1mV100%0.05%200mV1100%0.05%2000第56页/共99页3 33 31 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：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

37、。 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 示值（读数）相对误差为：( %)xmVVV ( %)mxxVVVV%xV%mV第57页/共99页3 33 31 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，

38、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%mV( %)xVVn 字V%mV%(0.01% 0.005% )mxVV第58页/共99页3 33 31 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59页/共99页3 33 32 A/D2 A/D转换原理 A/D转换器分类 积分型：首先对输入的模

39、拟电压通过积分器变成时间或频率等中间量，再把中间量转换成数字量。 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。 比较型：采用对输入模拟电压与标准电压进行比较的方法。 比较式（逐次逼近式、零平衡式）第60页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 基本原理：用被测电压和一个可变的已知电压（基准电压）进行比较，直至达到平衡，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，未知电压按指令从大到小与基淮电压码（通过DA转换）像天平一样比较，比较时大者弃，小者留，直至逼近被测电压。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“

40、对分搜索”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。第61页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 假设基准电压为Vr=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。Vr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9.375V-10V =-0.625V。111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV第62页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 现假设

41、有一被测电压Vx8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：Vx5V（首先，取5V项，由于5V8.5V，则保留该项，记为数字1） +2.5V（再取2.5V项，此时5V+2.5V=7.5V8.5V，则应去掉该项，记为数字0） 第63页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 上述逼近结果与Vx的误差为8.125V8.5V0.375V。 显然，当Vx(7.8125V8.4375V)之间时，采用上面Vr的4个分项逼近的结果相同，均为8.125V， 其误差为Vx(0.3125V0.3125V)，最大误差限相当于Vr最后一个分项的一半，即

42、 V。 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。10.6252第64页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC比较流程：比较流程：第65页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 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， NA/D转换结果的数字量，nA/D位数，Vr参考电压，VxA/D输入电压上式还可写成：Vx=e

43、N， e=Vr/2n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。2xrnNVV第66页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 刻度系数也表示了A/D转换结果的每个“字”（1LSB）代表的电压量。它是逼近时可用的最小“电子砝码”。 如上面Vx8.5V，Vr10V，当用Vr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）213，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。 241101)108.1252xVVV（第67页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC 权

44、电阻D/A变换原理图第68页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC T型电路D/A变换原理图 这种解码电路电阻个数较多，但阻值仅为两种，很适宜这种解码电路电阻个数较多，但阻值仅为两种，很适宜集成制造工艺。对于任何一个节点，左右两侧的等效电阻都集成制造工艺。对于任何一个节点，左右两侧的等效电阻都为为2R2R，因此，节点电位为：，因此，节点电位为：SiUU31第69页/共99页1 1）逐次逼近比较式ADCADC T型电路D/A变换原理图 当该节点电位传送到输出端，要经过多节电阻网络衰减，当该节点电位传送到输出端，要经过多节电阻网络衰减，每节衰减数均为每节衰减数均为1/21/2，比如，比如“0

45、 0”节点电位传送到输出时，要节点电位传送到输出时，要经过七节电阻网络衰减，所以传送到输出端的电压为经过七节电阻网络衰减，所以传送到输出端的电压为 根据叠加原理，对于任意二进制数根据叠加原理，对于任意二进制数 输出电压输出电压为：为： 00min71123SUUU01234567aaaaaaaamin07002UaUiii）或（10iiaa第70页/共99页2 2）双斜积分式ADCADC 基本原理： 通过两次积分过程的比较，得到被测电压值。对被测电压的定时积分对参考电压的定值积分 原理框图包括积分器、0比较器、计数器及逻辑控制、闸门、电子开关等。第71页/共99页2 2）双斜积分式）双斜积分式

46、ADCADC 第72页/共99页主主门门计计数数器器逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-VrVr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1 S S2 2Vot0t1复复零零t2t3VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入a.b.清清零零T0f0T011T0被测电压Ux为正被测电压Ux为负 xttxomURCTdtURCU121101322ttNomodtURCUu第73页/共99页2 2）双斜积分式ADCADC 工作过程 准备 阶段（t0-t1）。开关S4接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Uo回到零（Vo=0）。 采样阶段 (

47、t1-t2)。接入被测电压（设Ux为正），则积分器输出Uo从零开始线性地负向增长，经过规定的时间T1，Uo达到最大Uom，式中， 为Ux的平均值， 为积分波形的斜率(定值) 比较阶段(t2-t3)。接入参考电压(若Ux为正，则接入-UN)，积分器输出uo从Uom开始线性地正向增长(与Ux的积分方向相反)直至零。1TRCxxttxomoURCTURCttdtURCUu12111211011TxxdtUTU第74页/共99页2 2）双斜积分式ADCADC 此时，零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有： 将Uom代入可得： 由于T1、T2是通过对同一时钟信号（设周期T0）计数得到（设计数值分别

48、为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 式中， 为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）。 可见计数结果N2（数字量）即可表示被测电压Ux，N2即为双积分A/D转换结果。NxUTTU12012322NttomNomoURCTUdtURCUu22112eNNNUUTTUNNx1NUeN第75页/共99页2 2）双斜积分式ADCADC 双斜积分式ADC特点： 基于V-T变换的比较测量原理。 一次测量包括3个连续过程，所需时间为T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2则与被测电压Vx有关，Ux愈大T2愈大。一般转换时间在几十ms几百ms，（转换速度为几次/秒几十次/秒），其速度

49、是较低的，常用于高精度慢速测量的场合。 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。 参考电压UN的精度和稳定性对A/D转换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。 （例如，一个16bit的A/D转换器，其分辨率1LSB=1/216 =1/655361510-6，那么，要求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于15ppm（即百万分之15）。第76页/共99页2 2）双斜积分式ADCADC 双积分式ADC特点： 比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力（响应带宽）。如一个6位数字电压表的A/D转换器，若满度时积分器输出电压为10V，则ADC的

50、1LSB=10V/106=10uV，则要求比较器的灵敏度优于10uV。响应带宽则决定了比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。 积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好的抗干扰能力。如输入电压Ux=Ux+usm，则T1阶段结束时积分器的输出为 DVM的最大干扰来自于电网50Hz工频电压（周期为20ms），因此，只要选择T1时间为20ms的整倍数，则干扰信号usm的平均值为零。smxttsmxomRCTURCTdtuURCUu11121第77页/共99页3 3）U-FU-F积分型ADCADC 基本原理: 将被测的模拟电压转换成与之成正比的脉冲频率，然后用计数的方法测出此频