第五章 電壓測(cè)量 2019 OPEN CLASS主講人：辦圖網(wǎng)

一、電壓標(biāo)準(zhǔn)二、電壓測(cè)量概述三、直流電壓的測(cè)量四、交流電壓測(cè)量1、基本概念2、三種電壓表五、數(shù)字電壓表1、基本概念2、三種A/D轉(zhuǎn)換器授課內(nèi)容

電壓是電子測(cè)量的一個(gè)主要參數(shù)。電參量的基礎(chǔ)：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R電壓的派生量，例如，調(diào)幅度，波形的非線性失真系數(shù)等等。在非電量測(cè)量中，大多數(shù)物理量（如溫度、壓力、振動(dòng)、速度等）的傳感器大多是電壓作輸出的。因此，電壓測(cè)量是其它許多電參量、非電參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)。5.1概述/ 5.1.1 電壓測(cè)量的重要性

1. 應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍nV→ μV→mV→V→→kV 2. 應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍交流電壓的頻率范圍約從幾Hz到幾百M(fèi)Hz，甚至達(dá)GHz量級(jí)。目前，模擬電壓表可測(cè)量的頻率范圍要比數(shù)字表高得多。例如，92C型模擬射頻電壓表頻率上限達(dá)1.2GHz，而DP100型數(shù)字多用表只能達(dá)25MHz。3. 應(yīng)有足夠小的測(cè)量不確定度即可達(dá)10-6微伏量級(jí) 4. 應(yīng)有足夠高的輸入阻抗5. 應(yīng)具有高的抗干擾能力5.1概述/ 5.1.2 對(duì)電壓測(cè)量的基本要求

1. 模擬式電壓表指針式電壓表：用磁電式電流表作為指示器模擬示波器： 刻度比較 2. 數(shù)字式電壓表經(jīng)A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 5.1概述/ 5.1.3 電壓測(cè)量?jī)x器的分類

1.表頭： 三用表中直流電流、電壓通常由磁電式高靈敏度直流電流表作指示。直流電流表俗稱表頭，圖5.1給出了動(dòng)圈式電流表頭結(jié)構(gòu)的雙視圖。其工作原理是利用載流導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的作用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使導(dǎo)體框架轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度正比于通過(guò)線圈的被測(cè)電流。 5.2 模擬式直流電壓的測(cè)量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測(cè)量

I=Kθ式中K由設(shè)計(jì)決定的恒量，它與線圈匝數(shù)、線圈面積、磁場(chǎng)強(qiáng)度及游絲扭轉(zhuǎn)力矩有關(guān)。K值表示電流表偏轉(zhuǎn)單位角度時(shí)所需通過(guò)的電流，K值越小，電流表越靈敏。這樣就可以從指針?biāo)附嵌任恢脕?lái)測(cè)電流。 2．電流表量程擴(kuò)展 允許通過(guò)的最大電流值稱為量程Im，如50μA、100μA。1mA等。由于電流線圈匝數(shù)很多，其內(nèi)阻較大。 設(shè)現(xiàn)有一表頭，Im=50μA，r=3kΩ.現(xiàn)要測(cè)量500μA電流怎么辦？ 要并聯(lián)分流電阻RS以擴(kuò)展量程。因兩路端電壓相等 5.2 模擬式直流電壓的測(cè)量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測(cè)量

（5.1）式中n稱電流量程擴(kuò)大倍數(shù)，也稱分流系數(shù)。 3. 直流電壓測(cè)量用電流表頭能否直接測(cè)量電壓？能測(cè)，但測(cè)量的電壓范圍很小?，F(xiàn)以圖5.4，在指針指示滿刻度時(shí)，它兩端的電壓是：即它所能測(cè)量的最大電壓為0.15V。 5.2 模擬式直流電壓的測(cè)量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測(cè)量

為了能測(cè)量較高的電壓，需串聯(lián)倍壓電阻RP來(lái)擴(kuò)展量程。 （5.2） 圖5.5給出了三用表直流電壓檔量程擴(kuò)展的原理電路圖。圖中除最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三個(gè)量程。根據(jù)所需擴(kuò)展的量程，不難算出3個(gè)倍壓電阻值： 5.2 模擬式直流電壓的測(cè)量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測(cè)量

電壓靈敏度 “Ω/V”通常把電壓表內(nèi)阻RV與量程Um之比定義為電壓表的電壓靈敏度(每伏歐姆數(shù)Ω/V)： （5.4） “Ω/V”數(shù)越大，表明為使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需驅(qū)動(dòng)電流越小。“Ω/V”數(shù)一般標(biāo)明在磁電式電壓表表盤上，可依據(jù)它推算出不同量程時(shí)的電壓表內(nèi)阻，即 （5.5） 例如某電壓表的“Ω／V”數(shù)為20kΩ／V，則5V量程和25V量程時(shí)電壓表內(nèi)阻分別為100kΩ和 500kΩ。 5.2 模擬式直流電壓的測(cè)量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測(cè)量

直流電子電壓表通常是由磁電式表頭加裝跟隨器（以提高輸入阻抗）和直流放大器（以提高測(cè)量靈敏度）構(gòu)成，當(dāng)需要測(cè)量高直流電壓時(shí)，輸入端接入由高阻值電阻構(gòu)成的分壓電路。電子電壓表組成框圖如圖5.7所示。 5.2 模擬式直流電壓的測(cè)量 / 5.2.2 直流電子電壓表

5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.1 交流電壓的表征交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)以及波峰系數(shù)來(lái)表征。

5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.1 交流電壓的表征

3. 有效值若某一交流電壓u（t）在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)純阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓U在同樣情況下產(chǎn)生的熱量相等，則U的數(shù)值即為u(t)的有效值，U和u(t)的數(shù)學(xué)關(guān)系為 （5.10） 實(shí)際中，有效值是最廣泛應(yīng)用的參數(shù)。例如，電壓表的讀數(shù)除特殊情況外，幾乎都是按正弦波有效值進(jìn)行定度的。有效值獲得廣泛應(yīng)用的原因，一方面是它直接反應(yīng)出交流信號(hào)能量的大小，這對(duì)于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉(zhuǎn)換等是十分重要的；另一方面，則是它具有十分簡(jiǎn)單的疊加性質(zhì)，計(jì)算起來(lái)極為方便。 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.1 交流電壓的表征

4. 波形因數(shù)交流電壓的波形因數(shù)的定義為該電壓的有效值與平均值之比，即（5.11） 5. 波峰因數(shù) 交流電壓的波峰因數(shù)的定義為該電壓的峰值與其有效值之比，即 （5.12） 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.1 交流電壓的表征

正弦波半波整流波全波整流波5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.1 交流電壓的表征

5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量 1.均值電壓表 1)均值電壓表的組成

2)均值檢波器 余弦脈沖的直流頻率分量 當(dāng)θ=90°2θ5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

對(duì)于全波均值檢波器： 流過(guò)電表的平均電流 與被測(cè)電壓的平均值成正比，而與波形無(wú)關(guān)。靈敏度 提高靈敏度，就應(yīng)減小Rd和rm的值，為提高輸入阻抗檢波前要加放大器輸入阻抗 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

3)刻度特性 角標(biāo)“～”表示正弦波（5.17） K——定度系數(shù)，或稱為刻度系數(shù)。 由于正弦波及有效值的實(shí)際意義，電壓表的讀數(shù) 都用正弦有效值進(jìn)行定度。 這里為何等于1.11？對(duì)正弦波正好是其波形因數(shù)KF 證明： 見(jiàn)P159 表5.1：KF=1.11 因此,均值電壓表測(cè)的平均值,讀數(shù)是正弦波有效值（假有效值）5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

對(duì)于非正弦波，KF ≠1.11，直接讀數(shù)無(wú)物理意義，要通過(guò)換算求得有效值。 例5.l 用平均值電壓表測(cè)量一個(gè)三角波電壓，讀得測(cè)量值為 10V，試求有效值為多少伏？ 解: 對(duì)于均值表， 讀數(shù) （5.17）先求出均值，再通過(guò)KF換算成有效值。 三角波的均值為 查 P159 表5.1，得三角波KF=l.15，故被測(cè)三角波的有效值為 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

4) 波形誤差 因讀數(shù)是按標(biāo)準(zhǔn)無(wú)失真正弦波有效值定度的，而實(shí)際正弦波和非正弦波則會(huì)有誤差。 定義：讀數(shù)與實(shí)際有效值之間的相對(duì)誤差為波形誤差 （5.20） 用均值電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，其讀數(shù)應(yīng)作修正。 將式（ 5.20）代入上式，則有 求例5.1中波形誤差：三角波KF=1.15 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

典型產(chǎn)品： TH2172型：頻率范圍5Hz～2MHz，測(cè)量范圍 DA16型：頻率范圍20Hz～2MHz，測(cè)量范圍100μV～300V。最小量程l mV，誤差±3%，輸入電阻1.5MΩ。 指針式萬(wàn)用表：交流電壓測(cè)量檔采用了半波均值檢波器，并以正弦有效值刻度，由于它依據(jù)直接測(cè)量原理，且靈敏度低，因此，指針式萬(wàn)用表主要用于工頻（ 50Hz）及要求不高的低頻（一般為幾到幾十kHz以下）電壓的測(cè)量中。 TH2172500型5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

2. 峰值電壓表 峰值電壓表的工作頻率范圍寬、輸入阻抗較高，有較高的靈敏度，但存在非線性失真。 1)峰值電壓表組成 峰值電壓表，簡(jiǎn)稱峰值表，屬檢波―放大式電子電壓表，又稱為超高頻毫伏表。它由峰值檢波器（置于機(jī)箱外探頭中）、分壓器、直流放大器和微安表等組成（置于電壓表機(jī)箱中），如圖5.13所示。 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

2)峰值檢波器 條件： 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

3)刻度特性 峰值電壓表響應(yīng)被測(cè)電壓的峰值UP，讀數(shù)α（峰值表的指示值）為 K——定度系數(shù)， 對(duì)正弦波讀數(shù)α就是有效值 非正弦波讀數(shù)α無(wú)物理意義，要通過(guò)： 求出峰值，再由峰值因數(shù)KP求出有效值U 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

例5.2 用峰值電壓表測(cè)量一個(gè)三角波電壓，讀得測(cè)量值為10V， 試求有效值為多少伏？ 解：對(duì)于峰值表，讀數(shù)乘以 在就等于被測(cè)電壓的峰值。因此，三角波的峰值為 由表5.1查得三角波 故被測(cè)三角波的有效值為 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

4)波形誤差 由于峰值電壓表的讀數(shù)沒(méi)有直接的物理意義，測(cè)量非正弦波時(shí)， 如果不進(jìn)行換算，將產(chǎn)生波形誤差。其定義為 （5.28） 即 （5.29） 對(duì)于例5.2 可見(jiàn)，用峰值表測(cè)量失真的正弦電壓或非正弦電壓時(shí)，若將讀數(shù)當(dāng)成輸入電壓的有效值，就會(huì)產(chǎn)生波形誤差。而且，峰值電壓表的波形失真較大。 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

超高頻毫伏表都是峰值電壓表。典型產(chǎn)品DA－l型：頻率范圍10kHz～1000MHz，測(cè)量范圍0.3mV～3V，誤差優(yōu)于±l%（3mV檔）。 HFJ—8型頻率范圍5kHz～300MHz，測(cè)量范圍lmV～3V。HFJ一8A型頻率范圍5 Hz～1GHz，測(cè)量范圍lmV～3V，可擴(kuò)展到300V。HFJ-8B5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

3. 有效值電壓表以上均值表、峰值表測(cè)的不是有效值，只是按有效值讀數(shù)，故實(shí)為偽有效值。而有效值電壓表，直接獲得有效值，是真有效值表。 1)熱電偶式： 不同金屬界面逸出功不同，冷、熱端形成電位差 電勢(shì) E=kU2電勢(shì)正比輸入功率，可作微波功率計(jì)。 如何直接測(cè)電壓？ 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

典型產(chǎn)品：DA30型，頻率范圍10Hz~10MHz，量程范圍1mV~300V 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

2)計(jì)算式 硬件實(shí)現(xiàn)------有專用IC，如AD637 軟件實(shí)現(xiàn)------用計(jì)算機(jī)完成運(yùn)算 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

表5.2 三種電子電壓表主要特性比較 均值 1.11 U=KF 5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

若在示波器上分別觀察峰值相等的正弦波、方波、三角波，得Up＝5V；現(xiàn)在分別采用三種不同檢波方式并以正弦波有效值為刻度的電壓表進(jìn)行測(cè)量，試求其讀數(shù)分別為多少？5.3 交流電壓的測(cè)量/ 5.3.2 交流電壓的測(cè)量

5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.1 數(shù)字電壓表組成原理 數(shù)字電壓表(DVM—Digital Voltmeter)

5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性1. 測(cè)量范圍 1）量程---借助于分壓器和輸入放大器來(lái)實(shí)現(xiàn) 2)位數(shù) 顯示位數(shù)：通常為3?位～8?位。 判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則： ① 能顯示從0～9所有數(shù)字的位是整數(shù)值； ② 分?jǐn)?shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿量程時(shí)最高位數(shù)字做分母。 例如，1999≈2000， 3 1/2 三位半 39999 ≈40000， 4 3/4 四又四分之三位 499999 ≈500000， 5 4/5 五又五分之四位

3) 超量程能力 在臨界量程處，不會(huì)降低精度和分辨力。 10V檔： 9.999V（只能顯示0.006）100V檔： 99.99V（只能顯示10.00）測(cè)量 ： 10.006V溢出1丟失65.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位1個(gè)字所代表的電壓值，稱做儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。 例如，3?、6?位、8?位DVM的最高分辨力分別為1mV、1μV、10nV。 分辨率：數(shù)字電壓表的分辨力指標(biāo)亦可用分辨率來(lái)表示。分辨率是指所能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。例如，3?位DVM的分辨率為1/1999≈0.05％。 由于分辨力與數(shù)字電壓表中A/D的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨力愈高，故有時(shí)稱具有多少位的分辨力。例如，稱12位A/D具有12位分辨力，有時(shí)也用最低有效位LSB的步長(zhǎng)表示，把分辨力說(shuō)成分辨率1/212或1/4096或。同時(shí)，分辨力越高，被測(cè)電壓愈小，電壓表愈靈敏，故有時(shí)把分辨力稱作靈敏度。 5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

3.最大允許誤差與不確定度數(shù)字電壓表的說(shuō)明書(shū)上用絕對(duì)誤差Δ表示，其表示方式有多種： ΔU=±(a％Ux十b％Um) =± (a％Ux十n個(gè)字) =± (appmUx十bppmUm) 例：DS-14基本量程5V，4 4/5位ΔU=±(0.006％Ux十0.002％Um) =± (0.00006Ux十0.00002*5) =±(60*10-6Ux+0.0001V)=± (60ppmUx十1個(gè)字) 4.9999V 末位跳1個(gè)字 100μV滿度誤差決定量化誤差、內(nèi)部噪聲讀數(shù)誤差決定轉(zhuǎn)換系數(shù)、非線性 DVM廠家給出的絕對(duì)誤差 實(shí)際上也就是該DVM的最大允許誤差，即該儀器的置信區(qū)間。這是由廠家產(chǎn)品質(zhì)量決定的，不是通過(guò)多次測(cè)量由標(biāo)準(zhǔn)差求得的，故屬B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

由于最大允許誤差 在5V量程內(nèi)對(duì)測(cè)量值都有影響，即其在5V范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率相同，故應(yīng)屬于均勻分布。因此，這里a即為均勻分布的半寬，按表2.10查得 。 故該數(shù)字電壓表示值的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為： 第二章已經(jīng)指出最大允許誤差的“?！奔唇^對(duì)值 ，就是置信區(qū)間的半寬a，由它可以求得B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。 現(xiàn)仍用例5.3中DS-14 DVM來(lái)求其在5V量程上測(cè)量3V電壓時(shí)的不確定度 5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

分辨力 準(zhǔn)確度（誤差） ≠需要指出，分辨力與準(zhǔn)確度屬于兩個(gè)不同的概念。前者表征儀表的“靈敏性”，即對(duì)微小電壓的“識(shí)別”能力；后者反映測(cè)量的“準(zhǔn)確性”，即測(cè)量結(jié)果與真值的一致程度。二者無(wú)必然的聯(lián)系，因此不能混為一談，更不得將分辨力（或分辨率）誤以為是類似于準(zhǔn)確度的一項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)際上分辨力僅與儀表顯示位數(shù)有關(guān)，而準(zhǔn)確度則取決于A/D 轉(zhuǎn)換器等的總誤差。從測(cè)量角度看，分辨力是“虛”指標(biāo)（與測(cè)量誤差無(wú)關(guān)），準(zhǔn)確度才是“實(shí)”指標(biāo)（代表測(cè)量誤差的大?。?因此，任意增加顯示位數(shù)來(lái)提高儀表分辨力的方案是不可取的。例選用分辨率為24位的A/D，并不能保證實(shí)現(xiàn)24位的準(zhǔn)確度。 在設(shè)計(jì)上通常，分辨力應(yīng)高于準(zhǔn)確度，保證分辨力不會(huì)制約可獲得的準(zhǔn)確度，以保證從讀數(shù)中檢測(cè)出小的變化量。 例：見(jiàn)下頁(yè)。 5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

例：用4 ?位sx1842DVM測(cè)1.5V電壓，分別用2V檔和200檔測(cè)量，已知：2V檔固有誤差：±0.025%Ux ±1個(gè)字，200V檔固有誤差：±0.03%Ux ±1個(gè)字問(wèn)：兩種情況下由固有誤差引起的測(cè)量誤差各為多少？解：因4 ?位DVM最大顯示為19999，所以2v和200v檔的±1個(gè)字分別代表：結(jié)論：1.不同量程“±1個(gè)字”誤差對(duì)測(cè)結(jié)果不一樣，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量選擇合適的量程。同模擬電壓表結(jié)論一致。 2.雖然DVM有4 ?位分辨力，但不正確使用，則達(dá)不到應(yīng)有的準(zhǔn)確度。故分辨力高不等于準(zhǔn)確度高。5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

4. 測(cè)量速率 測(cè)量速率是每秒鐘對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù)或測(cè)量一次所需的時(shí)間，它主要取決于DVM中所采用的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。 5. 輸入阻抗與輸入電流目前，多數(shù)數(shù)字電壓表的輸入級(jí)用場(chǎng)效應(yīng)管組成，在小量程上，其輸入阻抗可高達(dá)104MΩ以上，在大量程時(shí)(如100V、1000 V等)，由于使用了分壓器，輸入阻抗一般為10MΩ。 6. 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是DVM跟蹤輸入電壓突變所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間與量程有關(guān)，故可按量程分別規(guī)定或規(guī)定最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間分為三種。 7.抗干擾能力——串模抑制比和共模抑制比 數(shù)字電壓表的內(nèi)部干擾有漂移及噪聲，外部干擾有串模干擾及共模干擾。 5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

例：兩臺(tái)DVM ，最大計(jì)數(shù)容量分別為①19999；②9999。 若前者的最小量程為200mV，試問(wèn)： (1) 各是幾位的 DVM ； (2) 第①臺(tái)DVM的分辨力是多少？ (3) 若第①臺(tái)DVM的工作誤差為0.02%Ux±1字，分別用2V檔和20V 檔測(cè)量Ux=1.56V電壓時(shí)，問(wèn)固有誤差各是多少？5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性

1. 按結(jié)構(gòu)形式分1)臺(tái)式通常5 以上 2)便攜式 通常3 及4 位數(shù) 3)面板表也稱數(shù)字表頭。多為3 ～4 直流電壓表，只有一個(gè)基本量程，如0~5V，用于機(jī)器面板上，取代原來(lái)模擬指針式表頭。 5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.3 數(shù)字電壓表的分類

2.按A/D轉(zhuǎn)換器原理 各種數(shù)字面板表5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.3 數(shù)字電壓表的分類

5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.3 數(shù)字電壓表的分類

5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.3 數(shù)字電壓表的分類

5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.3 數(shù)字電壓表的分類

5.4 數(shù)字電壓表概述 / 5.4.3 數(shù)字電壓表的分類

5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器 1. 工作原理 Ui-Ur+UrK1K1K2K2K3K3K4K4ARC+--+比較器積分器CD發(fā)生器時(shí)鐘顯示器數(shù)字輯電路控制邏計(jì)數(shù)器過(guò)程：三階段準(zhǔn)備期----復(fù)零，K4接通取樣期----第一次積分，K1接通 特點(diǎn)：定時(shí)積分T1固定， UO1∞(正比)于Ui比較期----第二次積分，K3/K4接通 特點(diǎn)：定值積分（反向） N2∞UO1∞UIB

5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器

2. 關(guān)系式 1)數(shù)學(xué)推導(dǎo) （5.45） （5.46） （5.47） 5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器

令 e——刻度系數(shù)（伏/字）。例如，Ur=10V，N1=10000，則e=Ur/N1=1mV/字。 2) 面積相等S1=T1Ui， S2=T2Ur相等，則S1=S2， 故 3)電荷相等 T1期間充電電荷Q1=(Ui/R1) T1與T2期間放電電荷Q2=(Ur/R2)T2相等。則Q1=Q2，故 （5.48） 式（5.48）當(dāng)充放電電路中限流電阻不等時(shí)，應(yīng)用很方便。當(dāng)R1=R2時(shí)，則與（5.45）的結(jié)果相同。 5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器

3. 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn) 1)抗串模干擾能力強(qiáng)5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器

5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器 所謂串模干擾是指與被測(cè)信號(hào)相串聯(lián)地加到DVM輸入端的干擾信號(hào)對(duì)脈沖性質(zhì)的干擾信號(hào)，雙斜積分式A/D也有一定的平均作用。 2)對(duì)積分元件及時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度要求大為降低 因?yàn)?，在采樣和比較測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段內(nèi)使用的是同一積分器和時(shí)鐘信號(hào)，其影響可以相互抵消。對(duì)它們只要求有足夠的短期穩(wěn)定性即可。 3)測(cè)量靈敏度較高 雙積分式DVM有效地解決干擾問(wèn)題，只要適當(dāng)選擇R、C、T1，積分放大器可以得到很高的增益(A＝T1／RC)，可測(cè)mV級(jí)電壓。4)測(cè)量速度慢是其主要缺點(diǎn)為了抑制電源50Hz工頻干擾，一般T1取20~l00 ms，再加上T2等時(shí)間，故測(cè)量速率一般只有5~ 30次／s左右。 5)積分器、比較器中運(yùn)放的零點(diǎn)漂移會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換誤差

5.單片雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器7106是把模擬電路與數(shù)字邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模CMOS集成電路，其工作原理與ICL7126、ICL7135基本一致。7106是目前在各種數(shù)顯表和萬(wàn)用表中使用較多的一種芯片。 5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器

例：DS－18型五位雙積分型數(shù)字電壓表中Us＝－6.0000V，fc＝0.75MHz，計(jì)數(shù)器滿量程N(yùn)1＝60000，求被測(cè)電壓Ux＝2.5000V時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值N2為多大？采樣時(shí)間Tl和測(cè)量時(shí)間T2分別為多大？ 5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器

5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發(fā)展1. 雙斜積分ADC的不足⑴ 精確度不夠高，自動(dòng)校零后也僅做到3 ~4 位，若要提高到5~4 怎么辦呢？ ⑵ 轉(zhuǎn)換速度低，因?yàn)槊看螠y(cè)量要經(jīng)歷復(fù)零、采樣、比較三個(gè)階段，尤其采樣階段T1按n倍工頻周期設(shè)計(jì)，測(cè)量速率一般只有5~ 30次／s左右。若要提高到500~1000次/s要采用什么措施？ 當(dāng)前積分式DVM精度已達(dá)8 ，測(cè)量速率高的可達(dá)1000次/s。在高精度、高速度的DVM產(chǎn)品中，各廠商都有自己的專利技術(shù)，不會(huì)公開(kāi)其關(guān)鍵技術(shù)與工藝。現(xiàn)介紹改進(jìn)的基本思路。 2. 改進(jìn)的基本途徑 ⑴放棄T1=nT~ 的設(shè)計(jì)原則，改用對(duì)工頻干擾進(jìn)行濾波、屏蔽等措施，從而縮短T1采樣期。

故 比較期分兩步：（先用大刻度系數(shù)e提高速度，后用小e保證分辨率）為放電快→Ur↑→e↑→分辨率↓討論：如何提高速度？設(shè)法使T2 ↓（應(yīng)加速放電）：5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發(fā)展

⑵三斜積分---比較期T2分步進(jìn)行?？闯?，為了保證分辨率，刻度系數(shù)e要小，則基準(zhǔn)電壓Ur不能大大，則比較期對(duì)積分電容反向充電速度慢。若將雙斜式改為三斜式，將比較期分為兩步： 5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發(fā)展

5.5 積分式A/D轉(zhuǎn)換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發(fā)展

分為 : 5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器

1. 物理思想：對(duì)分搜索 5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.1 逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器

2.電路實(shí)現(xiàn)：（與天平秤對(duì)應(yīng)） 1閉0開(kāi)5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.1 逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器

常用的逐次逼近比較式A／D變換器 逐次逼近，只能逼近，不能完全與被測(cè)電壓相等。若要減小誤差，只有增加位數(shù)。 但位數(shù)增加，電路復(fù)雜，成本提高，關(guān)鍵是末位比較電壓太小易受干擾噪聲影響以至無(wú)法工作。能否不要很多位（如只有1位），逐次比較一遍，將相差的余數(shù)(剩余誤差)存下來(lái)，放大10倍再又比較一遍，又將余數(shù)存下 來(lái)，放大后又再比較一遍，這樣反復(fù)循環(huán)下去，則可以用較少的位數(shù)實(shí)現(xiàn)非常精確的逼近。這就是下面介紹的余數(shù)循環(huán)式A/D。 5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.1 逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器

放大器減法器采樣保持電路5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.2 余數(shù)循環(huán)比較式A/D

表5.10 余數(shù)循環(huán)比較過(guò)程余數(shù)循環(huán)式A/D的特點(diǎn)如下： (1)分辨力高 目前余數(shù)循環(huán)比較式A/D的分辨力還僅限于10-6～10-7量級(jí)。 (2)轉(zhuǎn)換速度快 完成一次22bit轉(zhuǎn)換約需1.6ms時(shí)間， 美國(guó)FLUKE公司的DMM以余數(shù)循環(huán)比較式A/D著稱，該公司的8520A型DMM在進(jìn)行直流電壓測(cè)量時(shí)，最高分辨力達(dá)1μV，讀數(shù)速率為500次/秒。 5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.2 余數(shù)循環(huán)比較式A/D

(3)具有自動(dòng)糾錯(cuò)能力，即使在轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)某些判別錯(cuò)誤， 最后也能給出正確結(jié)果。 5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.2 余數(shù)循環(huán)比較式A/D

例：P208.5.125.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.2 余數(shù)循環(huán)比較式A/D

表5.13 各類模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較 5.6 比較式A/D轉(zhuǎn)換器/5.6.2 余數(shù)循環(huán)比較式A/D

數(shù)字多用表DMM ( Digital MultiMeter)是具有測(cè)量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻等多種功能的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。 5.7 數(shù)字多用表DMM

兩種 DMM 5.7 數(shù)字多用表DMM

被測(cè)信號(hào)ui送入到X、Y輸入端，從XY／Z端輸出的電壓經(jīng)平均值電路(有源低通濾波器)再送回Z輸入端，故直流輸出電壓為 （5.63） 真有效值5.7 數(shù)字多用表DMM/5.7.1 交流—直流(AC—DC)轉(zhuǎn)換器

Ix=Uo/RS （5.64） 5.7 數(shù)字多用表DMM/5.7.2 電流-電壓（I-U）轉(zhuǎn)換器

5.7 數(shù)字多用表DMM/5.7.3 電阻—電壓(Ω—V)轉(zhuǎn)換器當(dāng)在被測(cè)的未知電阻Rx中流過(guò)已知的恒定電流IS時(shí)，在RX上產(chǎn)生的電壓降為U＝RxIs，故通過(guò)恒定電流可實(shí)現(xiàn)Ω—V轉(zhuǎn)換。

臺(tái)式DMM的位數(shù)較多，精度及自動(dòng)化程度較高。各廠家都有自己的專利技術(shù)，近年已做到8 位的極限精度。噪聲電壓源Un2=4kTRB 對(duì)于DVM來(lái)說(shuō)，在低源電阻情況下可以測(cè)到0.1μV 小于μV級(jí)的低電平測(cè)量要選用專門的納伏表（KEITHLEY）5.7 數(shù)字多用表DMM/5.7.4 數(shù)字多用表的發(fā)展簡(jiǎn)況

表5.15 幾種手持式數(shù)字多用表的主要性能5.7 數(shù)字多用表DMM/5.7.4 數(shù)字多用表的發(fā)展簡(jiǎn)況

表5.16 幾種臺(tái)式的數(shù)字多用表主要性能 5.7 數(shù)字多用表DMM/5.7.4 數(shù)字多用表的發(fā)展簡(jiǎn)況

當(dāng)制作為一臺(tái)實(shí)際的數(shù)字電壓表，從設(shè)計(jì)開(kāi)始就得研究如何減小誤差和防止干擾。本節(jié)對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題分別進(jìn)行討論，以加深對(duì)數(shù)字電壓表性能的理解。 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾

形式1 形式2 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.1 數(shù)字電壓測(cè)量誤差公式

以雙積分DVM為例作簡(jiǎn)要說(shuō)明： 各部分誤差最終影響： 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.2 數(shù)字電壓表主要部件誤差分析

式中a、b怎么求得的？ 1. 誤差鏈及a、b誤差系數(shù)的計(jì)算 1)誤差系數(shù)a的求得 由誤差合成定理，總相對(duì)誤差是各部分相對(duì)誤差之和。 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.3 數(shù)字電壓測(cè)量的誤差合成

2)誤差系數(shù)b的求得 在儀器鏈形結(jié)構(gòu)的每一個(gè)部件中還存在不隨被測(cè)量Ux變化的誤差量，例如器件的失調(diào)電壓及溫漂。這種誤差屬于誤差公式的Δb部分，現(xiàn)在討論其分析方法。 在圖5.64中，認(rèn)為每一部件所產(chǎn)生有關(guān)Δb項(xiàng)的絕對(duì)誤差都?xì)w算到各部件自身的輸入端，它們分別為ΔU1，ΔU2，…，ΔUn。它們?nèi)繗w算到儀器的輸入端的表達(dá)式為 （5.81） 因此，在儀器的輸入端總的絕對(duì)誤差為 （5.82） 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.3 數(shù)字電壓測(cè)量的誤差合成

數(shù)字電壓表的測(cè)量精度達(dá)10-5～10-6量級(jí)，最高達(dá)10-8。這里主要討論影響電壓測(cè)量精度的各種因素以及為了提高測(cè)量精度而采取的各種措施。1.影響電壓精密測(cè)量的因素 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測(cè)量的干擾及其抑制技術(shù)

2.串模干擾的抑制方法 特點(diǎn)：Un與UX串聯(lián)，最嚴(yán)重最常見(jiàn)的是市電50~工頻干擾 措施：輸入端加濾波器 采用積分式DVM 3.串模抑制比（Normal Model Reject Rate，簡(jiǎn)寫為 NMRR） 正弦波干擾電壓Un（即使是非正弦波電壓也可以分解為各種頻率的正弦波分量），即 →串模干擾的幅值→串模干擾引起的最大測(cè)量誤差. （被平均抑制后的值）推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)教材 p2105.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測(cè)量的干擾及其抑制技術(shù)

積分式DVM對(duì)串模干擾的抑制特性 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測(cè)量的干擾及其抑制技術(shù)

3.共模干擾的抑制方法 1)共模抑制比的定義 特點(diǎn)：Ucm同時(shí)影響 DVM的H、L端原因：Ux較遠(yuǎn)，與DVM地電位不同Ucn------共模干擾電壓在DVM的H、L端引入的等效干擾電壓（相當(dāng)于串模干擾電壓）。 5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測(cè)量的干擾及其抑制技術(shù)

定義：共模抑制比CMRR(Common Model Reject Rate) 為 前面已求得代入定義2)提高共模抑制比的措施DVM采用雙重屏蔽和浮置（原理：加大干擾回路阻抗，使Ucn減?。?→共模干擾電壓→共模干擾H、L輸入值rcm<

代入 CMRR定義Ucm/Ucn5.8 數(shù)字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測(cè)量的干擾及其抑制技術(shù)

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