第4章 数字化测量方法PPT讲稿.ppt
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1、第第4章章 数字化测量方法数字化测量方法第1页,共68页,编辑于2022年,星期二4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法第2页,共68页,编辑于2022年,星期二1 1)DVMDVM的组成的组成数字电压表(数字电压表(Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter,简称,简称DVMDVM)。)。组成框图组成框图第3页,共68页,编辑于2022年,星期二包括模拟和数字两部分。包括模拟和数字两部分。输入电路:对输入电压衰减输入电路:对输入电压衰减/放大、变换等。放大、变换等。核心部件是核心部件是A/DA/D转换器(转换器(Analog to Digi
2、tal Analog to Digital ConverterConverter,简称,简称ADCADC),实现模拟电压到数字量的),实现模拟电压到数字量的转换。转换。数字显示器:显示模拟电压的数字量结果。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。的协调有序工作。第4页,共68页,编辑于2022年,星期二应用应用直流或慢变化电压直流或慢变化电压信号的测量(通常采用高精度低信号的测量(通常采用高精度低速速A/DA/D转换器)。转换器)。通过通过AC-DCAC-DC变换电路,也可测量交流电压的有效值
3、、变换电路,也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值,构成平均值、峰值,构成交流数字电压表交流数字电压表。通过电流通过电流-电压、阻抗电压、阻抗-电压等变换,实现电流、阻电压等变换,实现电流、阻抗等测量,进一步扩展其功能。抗等测量,进一步扩展其功能。基于微处理器的智能化基于微处理器的智能化DVMDVM称为称为数字多用表(数字多用表(DMMDMM,Digital MultiMeterDigital MultiMeter)。DMMDMM功能更全,性能更高,一般具有一定的数据处理功能更全,性能更高,一般具有一定的数据处理能力(平均、方差计算等)和通信接口能力(平均、方差计算等)和通信接口(如如GPIB
4、)GPIB)。第5页,共68页,编辑于2022年,星期二2 2)主要性能指标)主要性能指标显示位数显示位数完整显示位完整显示位:能够显示:能够显示0909的数字。的数字。非完整显示位非完整显示位(俗称半位俗称半位):只能显示:只能显示0 0和和1 1(在最高位上)。(在最高位上)。如如4 4位位DVMDVM,具有,具有4 4位完整显示位,其最大显示数字为位完整显示位,其最大显示数字为9999 9999。而而 位(位(4 4位半)位半)DVMDVM,具有,具有4 4位完整显示位,位完整显示位,1 1位非完整位非完整显示位,其最大显示数字为显示位,其最大显示数字为19999 19999。量程量程基
5、本量程基本量程:无衰减或放大时的输入电压范围,由:无衰减或放大时的输入电压范围,由A/DA/D转换器转换器动态范围确定。动态范围确定。通过对输入电压(按通过对输入电压(按1010倍)放大或衰减,可倍)放大或衰减,可扩展其他量程扩展其他量程。第6页,共68页,编辑于2022年,星期二如基本量程为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
6、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7页,共68页,编辑于2022年,星期二分辨力分辨率: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/
7、秒几十次/秒。第8页,共68页,编辑于2022年,星期二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9页,共68页,编辑于2022年,星期二4.1.2 DVM的主要类型的主要类型1.逐次比较型逐次比较型DVM的工作原理的工作原理第10页,共68页,编辑于2022年,星期二第11页,共68页,编辑于2022年,星期二基本原理: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“对分搜索
8、”的策略,逐步缩小Vx未知范围的办法。第12页,共68页,编辑于2022年,星期二上式表示,若把上式表示,若把V Vr r不断细分(每次取上一次不断细分(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只取有限项时,则项数决定了其逼近的程度。如只取前度。如只取前4 4项,则项,则其逼近的最大误差为其逼近的最大误差为9.375V-10V=-0.625V9.375V-10V=-0.625V,相,相当于最后一项的值。当于最后一项的值。现假设有一被测电压现假设有一被测电压V Vx x8.5V8.5V,若用上面表示,若用上面表示Vr
9、Vr的的4 4项项5V5V、2.5V2.5V、1.25V1.25V、0.625V0.625V来来“凑试凑试”逼近逼近V Vx x,逼近过程如下:,逼近过程如下:第13页,共68页,编辑于2022年,星期二 V Vx x5V5V(首首先先,取取5V5V项项,由由于于5V8.5V5V8.5V,则则保保留留该该项项,记记为为数数字字1 1)+2.5V+2.5V(再再取取2.5V2.5V项项,此此时时5V+2.5V8.5V5V+2.5V8.5V5V+2.5V+1.25V8.5V,则则应应去去掉掉该该项项,记记为数字为数字0 0)+0.625V+0.625V(再再取取0.625V0.625V项项,此此时
10、时5V+2.5V+0.625V8.5V5V+2.5V+0.625V8.5V,则则保保留留该该项项,记记为数字为数字1 1)8.125V8.125V(得到最后逼近结果)(得到最后逼近结果)总结上面的逐次逼近过程可知,从大到小逐次取出总结上面的逐次逼近过程可知,从大到小逐次取出V Vr r的各的各分项值,按照分项值,按照“大者去,小者留大者去,小者留”的原则,直至得到最后逼的原则,直至得到最后逼近结果,其数字表示为近结果,其数字表示为11011101。第14页,共68页,编辑于2022年,星期二上述逼近结果与上述逼近结果与V Vx x的误差为的误差为8.125V8.125V8.5V8.5V0.37
11、5V0.375V。显然,当显然,当V Vx x(7.8125V(7.8125V8.4375V)8.4375V)之间时,采用上之间时,采用上面面V Vr r的的4 4个分项逼近的结果相同,均为个分项逼近的结果相同,均为8.125V8.125V,其,其误差为误差为VVx x(0.3125V0.3125V0.3125V)0.3125V),最大误差,最大误差限相当于限相当于V Vr r最后一个分项的一半,即最后一个分项的一半,即 V V。上述逐次逼近比较过程表示了该类上述逐次逼近比较过程表示了该类A/DA/D转换器的基转换器的基本工作原理。它类似天平本工作原理。它类似天平称重的过程称重的过程,V Vr
12、 r的各分项的各分项相当于提供的有限相当于提供的有限“电子砝码电子砝码”,而,而V Vx x是被称量的是被称量的电压量。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,而同于称重中的加减法码的过程,而称重结果的精度称重结果的精度取决于所用的最小砝码。取决于所用的最小砝码。第15页,共68页,编辑于2022年,星期二2.U-T积分型积分型DVM的工作原理的工作原理(1)双斜积分式双斜积分式DVM基本原理:通过通过两次积分过程两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分考电压的定值积分”)的比较,得
13、到被测电压值。的比较,得到被测电压值。原理框图原理框图包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。第16页,共68页,编辑于2022年,星期二第17页,共68页,编辑于2022年,星期二第18页,共68页,编辑于2022年,星期二准备阶段准备阶段采样阶段采样阶段设时钟脉冲的周期设时钟脉冲的周期T0=10S比较阶段比较阶段第19页,共68页,编辑于2022年,星期二(2)U-F积分型积分型DVM工作原理工作原理Uxkf第20页,共68页,编辑于2022年,星期二第21页,共68页,编辑于2022年,星期二第22页,共68页,编辑于2022年,星期二
14、第23页,共68页,编辑于2022年,星期二第24页,共68页,编辑于2022年,星期二取决于取决于DVMDVM的固有误差和使用时的附加误差(温度等)。的固有误差和使用时的附加误差(温度等)。固有误差表达式:固有误差表达式:示值(读数)相对误差为:示值(读数)相对误差为:式中,式中,VxVx被测电压的读数;被测电压的读数;VmVm该量程的满度值(该量程的满度值(Full Full Scale,FSScale,FS););误差的相对项系数;误差的相对项系数;误差的固定项系误差的固定项系数。数。固有误差由两部分构成:读数误差和满度误差。固有误差由两部分构成:读数误差和满度误差。读数误差:读数误差:
15、与当前读数有关。主要包括与当前读数有关。主要包括DVMDVM的刻度系数误差的刻度系数误差和非线性误差。和非线性误差。满度误差:满度误差:与当前读数无关,只与选用的量程有关。与当前读数无关,只与选用的量程有关。4.1.3 DVM的测量误差的测量误差第25页,共68页,编辑于2022年,星期二有时将有时将 等效为等效为“nn字字”的电压量表示,即的电压量表示,即 如某台如某台4 4位半位半DVMDVM,说明书给出基本量程为,说明书给出基本量程为2V2V,=(0.01%0.01%读数读数+1+1字)字)。则在则在2V2V量程上,量程上,1 1字字=0.1mV=0.1mV,由,由 2V=0.1mV 2
16、V=0.1mV可知,可知,=0.005%=0.005%,即表达式中,即表达式中“1 1字字”的满度误差项与的满度误差项与“0.005%0.005%”的表示是完全等价的: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测量较大时,读数误差起主要作用。为减小满度误差的影。为减小满度误差的影响,应合理选择量程,以响,应合理选择量程,以使被测量大于满量程的使被测量大于满量程的2/32/3以上以上。第26页,共68页,编辑于2022年,星期二例例 一台一台3位半的位半的DVM给出的精度为:给出的精度为:
17、(0.1%读数读数+1字),字),如用该如用该DVM的的020V DC的基本量程分别测量的基本量程分别测量5.00V和和15.00V的电源电压,试计算的电源电压,试计算DVM测量的固有误差。测量的固有误差。解解 首先,计算出首先,计算出“1 1字字”对应的满度误差。对应的满度误差。在在020V020V量量程程上上,3 3位位半半的的DVMDVM对对应应的的刻刻度度系系数数为为0.01V/0.01V/字,因而满度误差字,因而满度误差“1 1字字”相当于相当于0.01V0.01V。当当Vx=5.00VVx=5.00V时,固有误差和相对误差分别为:时,固有误差和相对误差分别为:VVx x(0.1%5
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