电子测量技术电压测量.pptx

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1、 电压的特点 电压在性质上可分为直流电压和交流电压（包括所有 非正弦电压）两种。在应用上，有工频电压和电子电路电 压。前者是强电，除电压范围大外，波形、频率等都是规 则的。而后者，却具有更多的特点： 1.频率范围宽。电子电路信号的频率往往是从直流到上 GHz范围内变化。 2.电压范围广。电子电路中的电压可在nV级到MV级， 其中微伏级的电压是非常多见的。 3.波形多种多样。电子电路中除正弦波外，大量的是非 正弦波，同时交直并存，甚至串入噪声干扰。 4.电子电路的等效阻抗一般都高，有的达兆欧级。 第1页/共72页 对电压测量的基本要求 针对电压量的特点，对电压测量提出了一系列要求， 主要有以下几

2、方面： 1.应有足够宽的频率范围。以满足测量从直流到上 GHz的频率要求。 2.应有足够宽的电压测量范围。以满足测量从nV级到 上MV级的要求。 3.应有足够高的测量准确度。由于电压测量的基准是 直流标准电压，同时直流测量中不存在分布参数的影响或 影响极小，因而直流电压的测量准确度最高，目前可达 10，甚至更高。交流电压测量因受频率、波形和分布参数 等的影响，测量准确度不高，一般在1010。第2页/共72页 4.应有足够高的输入阻抗。由于电子电路等效阻抗高， 为了减小仪器接入后对电路的影响，要求仪器输入阻抗要 高。目前模拟电压表的输入阻抗在M级，数字电压表的 输入阻抗达G级，甚至可达数千G。

3、5.应具有高的抗干扰能力。一般来说，测量都是在充满 各种干扰的条件下进行的。对于微小电压的测量，需要的 灵敏度就高，其干扰的影响就大。所以，电压表的抗干扰 能力要强，对数字电压表更是如此。 此外，还应要求高的测量速度和高的自动化程度，以实 现智能测试和自动测试。第3页/共72页 电压测量方法 电压的测量方法很多，要根据被测电压的不同和测量 的具体要求及客观条件的限制，合理选择测量方法。归结 起来，电压测量的方法有以下几种： 1.电工仪表测量法 电工仪表主要是指针式仪表，主要有磁电系、电动 系、电磁系等，其中磁电系仪表只能测直流量。用电工仪 表测电压在工程中应用十分普遍，因为电工仪表成本低,操

4、作简便，特别是一般工程测量对准确度要求不太高更是为 用电工仪表测电压大开“绿灯”。对交流高电压，通过互感 器等亦可用电工仪表进行测量。 第4页/共72页 2.电子电压表测量法 电子电压表是利用电子技术制成的，属于电子仪器 类，是模拟式电压表，在电子电路交流电压测量中广为应 用。 电子电压表根据将交流转换成直流原理的不同分为三 种类型： (1)公式法：按正弦交流电压有效值公式制成的有效 值电压表，该类电子电压表主要是频带窄、准确度低。 (2)热电转换法：利用热电偶转换制成的有效值电压 表，其优点是没有波形误差，但有热惯性、频带不宽、维 修不便等缺点。第5页/共72页 (3)检波法：通过整流将交流

5、转换成直流制成的电压 表，据整流电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效 值检波三种。同时， 据整流电路的不同可分为均值检波、 峰值检波、有效值检波三种。同时，据整流器的位置又分 为“检波放大”、“放大检波”式电压表。 可见，无论那种类型的电子电压表都具有由交流转换 为直流的过程，包括“调制式”电子电压表也不例外。 3.数字电压表测量法 严格讲，数字电压表也属于电子电压表，但因数字部 分电路在整个仪器中占有重要地位，因而人们往往对它叫 着数字电压表。 第6页/共72页 数字电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）转换为数 字量，然后用计数器计数，并用十进制数字显示被测电压 值。作为交流数字电压表

6、，还必须有交流/直流（AC/DC ）转换过程。 4.示波器测量法 前章介绍的示波器，除了直观形象地显示波形外，测 电压（信号幅度）具有它独特的优点，即能测各种波形的 电压幅值，特别是能测脉冲电压的各参数。利用示波器测 量电压的基本方法，在波形测试技术一章已介绍，故不再 重述。第7页/共72页电压测量中的误差问题电压测量是一种接触性测量，除仪器仪表误差外，由于负载效应必然要产生方法误差。对于图5-1所示的直流电动势Eo的测量，被测真值为Eo，接入内阻为R的直流电压表进行测量，其测量结果为： 误差为： （5-1） 图5-1 用电压表测电动势 式（5-1）中，“一”表明测量值比实际值小； 第8页/共

7、72页 5.2 交流电压测量 交流电压的表征 表征周期性交流电压的参数有峰值Up、平均值 、 有效值U，三者之间存在一定的关系。正是如此，构成了 不同工作原理的电子电压表。 1.电压的Up 、U值 交流电压的峰值，指一周内能达到的最大值。它以零 电位（时间轴）为参考。对于含直流分量的正弦交流电压 来说，正负峰值是不相等的，而正负振幅是相等的，因为 振幅以振荡中心为参考的。UU第9页/共72页 交流电压的平均值，指一个周期内等效的直流量，其 数学定义式为： （5-2） 交流电压的有效值，按式（5-3）定义为： （5-3） 2.三个参数间的关系 峰值、均值、有效值三者之间的关系，用波形因数和 波峰

8、因数来表示（有的书称波形系数和波峰系数。） 波形因数是指电压的有效值与平均值的比值，用Kf表 示，即： （5-4） TdttuTU0)(1TdttuTU02)(1UUKF第10页/共72页 波峰因数是指电压的峰值与有效值的比值，用Kp来表 示，即： （5-5） 无论任何波形的电压，只要知道峰值和按式（5-2）、（5- 3）求出平均值和有效值，便可按式（5-4）、（5-5）求出 对应的波形因数和波峰因数值。正弦波及常见非正弦波电 压的Kf、K p值，可见表5-1所示。UUKPP第11页/共72页第12页/共72页 低频电压测量 频率在1MHz以下的电压叫低频电压，多用平均值电 压表来测量。平均值

9、电压表由平均值检波而得名。 1.均值检波原理 （5-6） 图 5-2 均值检波电路 式中R是微安表的等效电阻。RUdtRtuTIIt00| )(|1第13页/共72页 式（5-6）表明，流过表头的电流与输入电压的平均值 成正比，即具有平均值响应。 2.均值电压表 以均值检波构成的电压表，一般是“放大检波”式 结构，例如DA-16型均值电压表（图5-3 所示）。阻抗变换 电路由场效应管构成，以获得低噪声电平和高输入阻抗。步进分压器以扩展量程。放大器由两级组成，一级是 A，另一级是由T、T组成的串联负反馈放大器，其频带范 围宽。检波电路由D、D、R、R组成，指示表头是磁电系 微安表。R是用来调整满

10、量程时使指针能满偏的，而R是用 来调零的。因检波后的一部分量负反馈到放大器，有效地 解决了温度影响和刻度的非线性。第14页/共72页图5-3 DA-16型均值电压表的原理电路第15页/共72页 3.均值表的刻度及误差 由于驱动微安表的电流I正比于被测电压平均值，同时 正弦电压有效值具有普遍意义，因此微安表的刻度按正弦 有效值刻度，也就是说将被测电压的平均值扩大1.11倍来 刻度。 不难理解，用均值电压表测非正弦电压（如三角波、 方波等电压）时，其示值不具有直接的物理意义，也就是 存在波形误差。但用于测正弦电压时，则示值即为被测结 果。当用均值电压表测失真的正弦波电压时，其误差不仅 取决于各次谐

11、波的幅度，还取决于各次谐波的相位。因为 相同的谐波次数，其各次谐波的幅度不同而相位相同，合第16页/共72页 成的波形各不相同；反之，在相同的各次谐波幅度下，若 相位不同，合成的波形也是各不相同的。分析可知，误差 随谐波初相角周期性变化，0或180时最大；而奇次谐 波比偶次谐波的误差大。 除了波形误差外，还有直流微安表本身的误差（等级 决定）、检波二极管老化或变值以及超过频率范围所造成 的误差等，但主要是波形误差。 4.波形换算 均值电压表测非正弦波电压时产生的波形误差，通过 波形换算来消除。方法是：先将测量时从表上得到的示值 除以1.11，求得被测电压的平均值，然后按被测电压的Kf第17页/

12、共72页 或Kp值来求出被测电压的有效值或峰值。 例如，用按正弦有效值刻度的均值电压表测三角波电压， 得电压表的测量示值为1V，要求被测电压的有效值，先按 上述方法求被测电压的平均值为： 因三角波电压的Kf=1.15，则被测电压的有效值为： VUU9 . 011. 1111. 1 VU04. 115. 19 . 0第18页/共72页 高频电压测量 上述均值电压表测高频电压时，会产生较大的频率误 差。解决办法用“检波放大”式，把检波器置于探头 内，将高频交流变为直流后再放大显示。能实现这种结构 的，常采用“峰值电压表”。 1.峰检波原理 峰值表的检测电路，有“串联式”和“并联式”两种，如 图5-

13、4所示。 图5-4 峰值检波原理（a） （b） （c）第19页/共72页 （a）图是串联式峰值检波，电路要求： （5-7） 式中Tmax、 Tmin是被测电压最大周期和最小周期， RC是电容放电时间常数，RC是电容充电时间常数。式 （5-7）说明，充电要快，放电要慢。这样，电容的端压平 均值近似为峰值电压，即： 电路处于稳定工作状态时，只有 时D 才导通，电 容C被充电；而 Tmax 很难满足而产生误差，因而下限频率一 般限制在20Hz。频率太高时RC Tmin难以满足，而且还 受二极管高频参数和其它分布参数的影响，从而产生误差. 4.波形换算 峰值电压表测正弦波电压时，示值即为测量结果。当

14、测非正弦波电压时，就必须进行波形换算。因峰值电压表 按正弦有效值刻度，即将被测电压的峰值缩小了 倍。那 么，换算的方法是：先将测量时的示值乘 倍，得到被测 电压的峰值后，再按被测电压的Kf、Kp值来求其平均值和22第24页/共72页 有效值。 例如，用峰值电压表测量方波电压，得电压表的测量 示值为5 V，则按峰值电压表测非正弦波电压的波形换算 方法得被测方波电压的峰值为： (V) 因方波的Kp=1，则被测方波电压有效值为： (V)1 . 7522UUP1 . 7PUU第25页/共72页 脉冲电压测量 脉冲电压的特点在于，脉冲周期与脉冲宽度的比（也 就是占空比）很大。若用上述峰值电压表来测量，就

15、难以 满足充电快和放电慢（即难满足式（5-7），理论误差就 很大，须用脉冲电压表来测量。 1.峰值电压表测脉冲电压的误差分析 对于图5-6所示串联式峰值电 压表测脉冲电压，其理论误 差分析如下。 电容C充电时的电荷： 图5-6 峰值电压表测脉冲电压波形011diCPRRUUdtiQ第26页/共72页 式中Ri为被测电源的电阻，R为二极等效导 通电阻。 电容C放电时的电荷： 电路平衡时Q1=Q2，则： （5-9） 从而理论误差为： （5-10） 式中为占空比。 由式（5-10）可知，占空比越大，理论误差就越大。 2.脉冲电压表原理 测量脉冲电压的电压表应在峰值表基础上改进，在电 路上实现充电时R

16、 和C 都小，放电时R和C 都大，使 尽 TRUTRUdtiQCTC)(22)1 (TRRRUUdiCPTRRRUUUdicPcCU放充第27页/共72页 可能趋于Up。图5-7就是这样一个原理电路。T1是射随电 路，以提高仪器输入电阻。T2、T3都是源极跟随器。D1、 D2、C2、C3为检波电路， 其中C2 C3， C3作放电电 容。电路对C2充电，因射 随电路的输出电阻小，对 C2充电快；C2被充电到一 定程度后，又对3C充电。 电路处于稳态时，C3值大，且因T3源极输出器的输入阻抗很高，则C3的放电很慢（C2的放电也慢 ）。可见，电路实现了充电快、放电慢，满足了测脉冲电压的要求。第28页

17、/共72页 3高压脉冲等的测量 对于上万伏以上的高压脉冲和操作过电压等快速变化 冲击电压以及瞬态过程、电磁干扰等引起的尖脉冲等，可 先经过电容分压或RC分压 后，再用峰值电压表或示波 器等来进行测量，但需要经 过换算，误差也较大。此 外，还可以通过充放电法用 数字电压表来测量，其原理 电路如图5-8所示。 图5-8 充放电法测高压脉冲幅度 第29页/共72页 图中R为限流电阻，与高压硅堆D配合使用，通常为几 百欧。R、D、C组成串联式峰值检波器。R取决于被测脉 冲的幅值，可取几十到几百兆欧，以与微安表配合。R为 几百欧至一千欧的标准电阻，以取出毫伏级脉冲电压，通 过开关K送数字电压表（DVM）

18、进行显示。 第30页/共72页 交流高电压的测试 交流高压一般都要经过降压后再进行测量。降压的方 法较多，一是电阻分压，但具有相位误差和幅值误差，因 而很少用；二是电容分压，不存在相位误差，仅存在幅值 误差，因而常用；三是采用电压互感器来降压，这是用得 很广的一种方法。 此外，可用静电系电压表来测交流高压，可达几百千 伏，而频率可达1MHz，其仪表的等级在1.52.5。第31页/共72页 5.3 噪声电压测量 在电子电路中，噪声主要是各种元器件（晶体管、电 阻等）内部带电质点运动的不规则所造成的现象。对于内 部微粒不规则的热运动产生的噪声，叫热噪声。而电流通 过晶体管PN结时，因电荷运动的不连

19、续而产生的晶体管噪 声，称为散粒噪声。这两种噪声在线性频率范围内其能量 分布是均匀的，而对于频率能量分布均匀的噪声，叫着白 噪声。噪声的存在，严重影响系统传输微弱信号的能力， 因而对噪声电压的测量也是十分有意义的。第32页/共72页 对于噪声，是用分贝来衡量。而噪声电压，则不采用 分贝衡量，而是用电平的分贝来衡量，主要用在通信系统 测试中（参见本书第二章关于电平的分贝测量问题）。下 面我们介绍噪声电压的常用两种测量方法。第33页/共72页用均值电压表测量 噪声电压信号是一种随机的，波形是非周期的，变化是无规律的。白噪声电压瞬时值的分布规律符合正态分布，其概率密度函数为高斯型： （5-11）式中

20、：u 为噪声电压， 是标准差。 用式（5-11）可以求出白噪声电压的波形因数Kf，从而用均值电压表进行测量。表5-1中已给出白噪声的Kf=1.25，按用均值电压表测非正弦电压的波形换算方法，可得：2221)(ueu第34页/共72页 （5-12） 式中U为测量时均值表的示值。 若用表分贝刻度测量，则应在分贝指示值上加1.1dB即 可（ 因为对U按分贝计算有 ）。 用均值表测量时，应利用衰减器（量程开关）适当将 被测信号衰减，使指针在标尺刻度的一半为宜。因为噪声 随机的峰值可能在某时刻太高，超过放大器的动态范围而 被削波，影响准确度。此外，就是均值表的频带应比被测 噪声的频带要宽，以减小测量误差

21、。UUUKUF13. 111. 125. 111. 1775. 0lg201 . 1775. 0lg2013. 1lg20775. 0lg20UUU第35页/共72页 用有效值电压表测量 有效值电压表能测任意波形电压而不存在波形误差， 因而被用来测正弦及非正弦波电压，如噪声电压的测量、 非线性失真度测量中谐波电压的测量等。所以，有效值电 压测量十分重要。 有效值电压表主要有下述三种原理： 1.均值检波的原理 均值检波的原理见图5-9所示。直流Eo 是用来建立工 作点Q，使D工作在伏安特性的“平方律”部分，同时使D工 作在甲类（一周内均导通）。当设U为正弦电压时，二极 管有：第36页/共72页

22、则： 因正弦一周内的平均值为零，则： （5-13） 式中的第一项叫起始电流（静态工作电流），在电路上是可以抵消的，则送到直流电流表的电流为： （5-14） 从而实现了有效值检波（非正弦按付氏级数分解后有 同样的结果）。20202022)(xxxKuuKEKEuEKKui2020021xxTKUUKEKEidtTI220 xKUKEI2xKUI 第37页/共72页 有效值电压表具有无波 形误差的优点，但刻度是非 线性的。实际中，二极管只 有起始部分特性是平方律， 范围小，因而实际电路采用 分段逼近的方法来得到平方 律特性曲线。如DY-2型有 效值电压表就是如此。 第38页/共72页 2.热电偶有

23、效值电压表 热电偶式有效值电压表的原理见图5-10所示。AB是加 热丝，M为热电偶，它由两种不同的导体组成，其中与AB 耦合端C叫热端，而D、E端为冷端。 AB 加热的温度正比于被测电压 有效值的平方，热电偶热端C温度高 于冷端D、E而产生热电势。此热电 势与温度成正比，也就是说与被测 电压有效值的平方成正比。于是 电路中产生一个与被测电压有效值的平方成正比的电流， 驱动微安表偏转。实际中，平方律关系不利于刻度和读 数，误差大，须采取措施使表头刻度线性。第39页/共72页 图5-11是利用热电偶原理制成的DA-24型有效值电压表的简化组成框图。图中M为测量热电偶，M是与M特性相同 的同型号热电

24、偶，它作 为平衡热电偶，实现表 头刻度线性化，并提高 热稳定性（温度影响互 相抵消）。 图5-11 DA-24型有效值电压表原理电路 设衰减放大后的总传输系数为1，则M输出电势为： （5-15）而M输出热电势：2xxKUE20KUEf第40页/共72页 放大器增益足够大时有： E=Ex-Ef0 所以，有 Ex=Ef，将式（5-15）、（5-16）代入得： （5-17） 式（5-17）表明输出直流电压Uo与输入电压有效值U呈线 性关系，实现了线性化。 由于M与M同型号，输出又是反极性串联，则环境温度 对它们的影响互相抵消，提高热稳定性。热电偶式有效值 电压表的缺点是，具有热惯性，稳定后才能读数，

25、同时易 受温度影响。同时，高频时因分布参数及加热丝趋肤效应 的影响，易产生误差。 0UUx第41页/共72页3.计算型有效值电压表 由模拟计算电路来实现有效值电压的测量，利用计算电路直接完成下列运算： 图5-12 计算型有效值电压表原理框图 图5-12 计算型有效值电压表原理框图 据此原理已做成集成电路，如 AD637KRms-dc型号的集成块。第42页/共72页 5.4 电压测量的数字化方法 概述 数字电压表（DVM）是随着数字技术的发展而发展起 来的精确、灵活多用的电子仪器。它将连续的模拟量变换 成离散的数字量，然后进行编码、显示或打印等。特别是 由于微处理器的问世，数字化测量有了全新的发

26、展，性能 大为提高。 尽管数字电压表从上世纪五十年代初问世来时间不长 ，由于电子技术的发展，至今已全部集成化或智能化。它 具有这样一些优点：准确度高（8位显示误差可达0.0001%）、分辨率高（可达1V）、数字显示第43页/共72页 （不存在视觉误差）、测量速度高（无指针的机械惯性） 、输入阻抗高（可达1010）、易实现自动化等。所以， 数字电压表发展迅速。 数字电压表的主要内容可归结为电压测量的数字化方 法。关键是如何把随时间连续变化的模拟量变换为数字量 ，即“模数”变换器（A/D变换器）。不同的A/D变换 器，就有不同特性的数字电压表。因此，根据A/D的工作 原理可分类为： 1.比较型A/

27、D转换器，是采用将输入模拟电压与标准电 压进行比较的方法，属直接转换式。其中又分反馈比较式 和无反馈比较式，具有闭环负反馈系统的逐次比较式是常第44页/共72页用的类型。 2.积分型A/D转换器，是一种间接转换式。首先将模拟电压通过积分器变成时间（T）或频率（F），再把中间量转换成数字量。“V/T”式有双斜积分式、三斜积分式、脉宽调制式等，“V/F”式有 脉冲反馈式和电压反馈式等。 图5-13 数字电压表原理框图 上述两大类各有优缺点，若将二者结合起来，便构成了复合型。 数字电压表的原理结构，可用图5-13来概括，可见由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三部分组成，但核心是A/D转换器。 第45

28、页/共72页逐次比较型DVM 逐次比较型DVM的原理与天平称重物很相象，它将基准电压分成若干基准码，把被测电压与可变码压进行比较，直至达到平衡，从而显示出被测电压值。图5-14逐次比较型DVM的原理框图 基准源作为砝码电压Us的机内参考电压源，D/A转换第46页/共72页 器将寄存器送来的二进制码在基准作用下产生步进砝码电 压 Us，其步进值为1、2、4、8，即砝码电压按8421码给 出。 工作原理是这样的：在程序控制下，先将最高位码的 电压Us与U进行比较，若U=U-Us0，则寄存器中的“1” 保留；若U0,则寄存器的“1”舍弃（变为“0”），同时此 位码压Us也取消。然后，在程序控制下再将

29、次高位码电压 加上最高位码电压与U比较，同样是U0时寄存器中该 位“1”保留，否则该位“1”舍去变为“0”。就这样重复下去， 直到最低位码为止。比较结束后，在程控下将寄存器中的 数码送去译码显示。第47页/共72页 为了进一步说明这个原理，我们举一个一位数的逐次比较，其原理图见5-15。设被测电压U=5V，其逐次比较的步骤如下： 1.在节拍脉冲作用 下双稳1翻 转，放出Us=8V与U比较， U=5-80，双稳2保持不变，4V保存，并将“1”送寄存器. 第48页/共72页 3.节拍脉冲送双稳3，使其翻转，放出Us=2V，再与4V 相加后与U比较，有U=5-60），比较器输出打开主门，则 时钟脉冲

30、通过主门进入计数器计数。当计数满预先给定的 N时（即定时积分T= NT（T为时钟周期）时），逻辑控制 电路使电子开关K断开，第一次积分（正向积分）结束。积分电压： （5-18）)(11011ttRCUdtRUCuttxx第53页/共72页 当t=t时： （5-19） 比较阶段（tt），是在t时刻逻辑控制电路在断开K的 同时接通K，此刻逻辑控制电路还使计数器清零。积分器 开始反向积分，主门仍开启，计数器重新对脉冲计数，直 到反向积分输出为零。其计数结果存入寄存器。积分电 压： （5-20） 当t=t时： 即： （5-21）112)(TRCUttRCUUxxom)(120022ttRCUUdtRU

31、CUuSttomSm2023002)(0TRCUUttRCUUuSmSm20TRCUUSm第54页/共72页 由式（5-19）、（5-21）得： （5-22） 需要注意的是，两次积分过程中，采样阶段是定时积 分，即T不变。由式（5-18）知，当U小时积分斜率也小， 积满T时的U也小。比较阶段是定值积分，即Us不变，由 式（5-20）知，积分斜率不变。当U小就有U也小，从U积 到零所需的时间T也就小。所以，式（5-22）中Us、T （或N）均不变，被测电压U正比于时间隔T（或N）。 设时钟脉冲周期T=10s，T时间内N=6000个脉冲，Us=6000mV，则式（5-22）变为： （5-23）SS

32、SxUNNUTNTNUTTU120102122120102NUNNUTNTNUSSx第55页/共72页 可见，如果参数选择合适，被测电压U（mV）就等于T时 间内填充的脉冲个数N。 其次应注意，这种VT型变换结果与积分参数RC无 关，因为两次积分都是同一积分器完成的，所以可得高的 测量准确度。 第三，由式（5-22）知，被测结果取决于两个因数，一 是标准电压Us的准确度和稳定度，二是比值T/ T。对于后 者，因是同一时钟脉冲决定的，则对时钟源的频率准确度 不要求，但对短期稳定度则要求要高。（此外，被测为正 电压（+U），定值积分由K接入-Us）第56页/共72页 第四，抗干扰能力强。双斜积分的

33、本质是平均值转换 ，对幅值对称的交流串模干扰有很强的抑制能力。通常工 频是最主要的串模干扰源，选定时积分时间T为工频周期 的整数倍（如20ms、40ms、80ms等）时，可将对称的工 频干扰全部消除。而共模干扰，因模拟电路和数字电路间 易于隔离，并可采用双层屏蔽、浮地技术，易于提高抗共 模干扰能力。 目前，集成双积分A/D转换器的应用日趋普遍，它的原 理同前。此类集成片，比逐次比较型集成简单，成本也低 ，故而广为应用。 常见的DF-6、DS-14等型号的数字电压表均采用V/T型 双积分转换。第57页/共72页 积分型DVM V/F转换过程也是不断进行积分过程，因而V/F式DVM 也具有抑制串模

34、干扰的能力。它先将被测模拟电压转换成 振荡频率f，然后再以数字频率测量电路测频率值来表示被 测电压的大小。V/F式A/D转换的突出优点是可以输出与被 测模拟信号成正比的频率信号，便于远距离传送，所以不 仅在数字电压表中，而且在遥测、遥控及其它工业自动控 制技术中都被广泛应用。 V/F式A/D转换通常有定时间复原型、定电荷复原型和 电压反馈型等三类。目前市场上都有相应的单片集成电路 。最常见的是定电荷复原型V/F转换电路，下面予以简介.第58页/共72页 图5-18为定电荷平衡式V/F转换的原理图。 它由积分器、比较器和复位电路三部分组成，而复位 电路由单稳态电路、恒流源IR和模拟开关K组成。电

35、路的 工作过程是：第59页/共72页 当积分器的输出电压Uint下降到EK时，比较器A的输 出Uo负跳变，使单稳态定时电路输出一个宽度为to的正脉 冲，使K 导通to时间，将恒流源IR与积分器电流相加接通 。因设计时保证I=（U/R）0 时，电子 开关K接通+Ur；当Uo| U|+|Ur|，以 保证节拍方波对调宽周期的控制，并使系统稳定和比较器 不灵敏区的影响大大减小。 图5-20示出了脉宽调制的波形，（a）图为积分器输入 信号波形，（b）图是合成输入波形，（c）图是积分器输 出信号波形，（d）图为比较器输出波形。 第64页/共72页 根据积分电容充放电电量相等的原则，因节拍方波对 称而充电与

36、放电已相等，则： （5-26） 即： （5-27） 当R=R时，有： （5-28） 式中节拍周期T=T+T，是常数。可见，被测电压U与 正、负基准电压接入时间之差（T- T）成正比，U不同，T 分割成的T、T也不同，其差值也就不同，从而实现了V/T 转换。0)(11110201TTRTRTxdtUdtUCRdtUCR0)(1221TTRUTRURxRxUTTTU12第65页/共72页 式中节拍周期T=T+T，是常数。可见，被测电压U与正、 负基准电压接入时间之差（T- T）成正比，U不同，T分 割成的T、T也不同，其差值也就不同，从而实现了V/T转 换。 当U为负时： （5-29） 由式（5-

37、28）、（5-29）可知，只需要在时间|T1-T2| 内对时钟脉冲进行计数即可反映被测U值的大小。利用这 种原理构成的DVM有SD-693B 型等。 RxUTTTU21第66页/共72页 图5-20 脉宽调制电路波形 这种DVM 的准确度主要取决于Ur、R及R，与积分电 容C和和节拍电压Uc的准确度基本无关。由于积分器与零 比较器均在负反馈闭环系统内，因而对二者的要求可以低 一些，这一点比双斜积分式为佳。 第67页/共72页 数字电压表的工作特性 上面我们对数字电压表的两大类型中应用最广的A/D转 换DVM进行了较详细地介绍，对于复合型DVM 没有介绍 。这里，我们要特别指出的是，尽管介绍的D

38、VM都是以测 直流电压U来讲原理的，对于交流电压u，只需要加一个电 子电压表中介绍的检波器将交流转换成直流即可。下面介 绍与模拟电子电压表不同的主要工作特性。 1.测量范围 DVM的范围有两方面内容。一是量程，通常是nV级到 kV级，而基本量程多半为1V或10 V，亦有2V或5V的。其 次是显示位数，有3位、4位等，还有3位、4位、6位等。 第68页/共72页 所谓位，有两种含义：第一种情况，表示具有超量程 能力，如基本量程10V，4位DVM最大显示9.999V，而4位 最大显示19.999V（首位只显示0或1），后者就具有超量程 能力。第二种情况，基本量程为2，4位最大显示数1.9999 V

39、，无超量程能力。可见，附加首位（即位），在1V或10 V基本量程时具有超量程能力。 2.分辨力 分辨力指DVM能显示的U的最小变化值，即显示器末 位跳一个字所需的最小输入电压值。最小量程的分辨力最 高。第69页/共72页 3.测量速度 他指每秒钟对被测电压的测量次数，或完成一次测量 过程所需的时间。逐次比较式最高可达105次/秒以上，比 积分式高。 4.抗干扰能力 积分型DVM抗串模干扰能力较强，适当延长采样时间 可改善抗干扰性能。分析可知，低频串模干扰大，特别是 工频干扰。当取采样时间为干扰信号周期的整数倍时，串 模干扰抑制相当好。所以，常取采样时间为20ms、40ms 、80ms等（因为工频周期为20ms）。第70页/共72页 其他 数字电压表除功能为手动外，已发展为具有自动调零 、自动量程转换和小数点自动定位等自动功能，使电压的 数字测量具有更强的生命力。 在大型综合测试系统中，目前都采用计算机为核心构 成自动化、智能化测量。在这样的测试系统中，电压测量 极为方便，只要采用“A/D”集成片通过接口电路，便可与 计算机联机，对电压自动智能测试，并实现屏幕显示和打 印结果。第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页