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1、电子测量技术,制作:曹建峰,第五章 电压测量技术,第5章 电压测量技术,5.1 对电压测量的基本要求及电压测量仪器的分类5.2 交流电压的测量5.3 分贝的测量5.4 噪声的测量5.5 电压的数字化测量方法,5.5 电压的数字化测量方法,5.5.1 概述及特点 5.5.2 DVM的主要类型及其工作原理 1 逐次比较型DVM及其工作原理 2 U-T积分型DVM及其工作原理 3 U-F转换器实用电路5.5.3 DVM的测量误差及其优缺点,5.5.1概述及特点,1 概述数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。意义：基础、多接口、自动测量主要内容：电压的数字化测量方法关键
2、：A/D变换A/D变换过程：,A/D变换过程说明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。,5.5.1概述及特点,1 概述分类：AD转换方式可分为,5.5.1概述及特点,2 DVM测量的特点 数字显示：消除视觉误差准确度高：准确度可达1.2ppm，分辨力可达1nV or 1/(140M),转换准确度3/(10M)。测量范围广：由量程及超量程能力来描述。分辨力
3、高：10V1nV，可测量弱信号测量速度快：1000次/秒输入阻抗高：Ri一般为10M，1010：Ci101000pF抗干能力强：串模干扰SMR20-60dB；共模干扰CMR86120dB。可具有数据存储处理能力：可与计算机通信具有自动校正能力：,5.5.2 DVM的主要类型及工作原理,DVM的主要类型:1 逐次比较型DVM 2 U-T积分型DVM(1)双斜积分型(2)U-F积分型,1 逐次比较型DVM,（1）电路组成框图,1 逐次比较型DVM,（2）工作原理：,2 U-T积分型DVM-双斜积分型,（1）电路组成,双积分式DVM框图,2 U-T积分型DVM-双斜积分型,（2）工作原理：,准备阶段
4、(t0t1):采样阶段(t1t2):比较阶段(t2t3):,工作波形图,（1）电路组成：,2 U-T积分型DVMU-F积分型,（2）工作原理：,2 U-T积分型DVM-双斜积分型,（1）恢复型U-F转换器（F008构成）电路组成：,3 U-F转换器实用电路,工作原理：,工作原理：,（2）工作原理：,3 U-F转换器实用电路,（2）由LM331构成100kHz U-F转换器：,5.5.3 DVM的测量误差及其优缺点,1、测量误差,2、优缺点,（1）固有误差：,（2）影响误差：输入阻抗、环境温度,UaUx bUm UaUx 几个字,测量相对误差xU/Ux(aUx bUm)/Ux例：用一只4位DVM
5、（准确度为1Ux 1个字）的5V量程去测量5V和0.1V，则由仪表的固有误差引起的测量误差为？,5.5.1 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。,5.5.1 DVM的组成原理及主要性能
6、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。,5.5.2 A/D转换原理,A/D转换器分类积分式：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。非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。1）逐次逼近比较式ADC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”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。
7、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：,1）逐次逼近比较式ADC,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，相当于最后一项的值。现假设有一被测电压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：,1）逐次逼近比较式ADC,Vx5V（首先，取5V项，由于5V8.5V，则应去掉该项，记为数字0）+0.625V（再取0.625V项，此
8、时5V+2.5V+0.625V8.5V，则保留该项，记为数字1）8.125V（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Vr的各分项值，按照“大者去，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果，其数字表示为1101。,1）逐次逼近比较式ADC,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0.625/2V。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
9、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。,1）逐次逼近比较式ADC,原理框图,1）逐次逼近比较式ADC,图中，SAR（Successive Approximation Register）为逐次逼近移位寄存器，SAR在时钟CLK作用下，对比较器的输出（0或1）每次进行一次移位，移位输出将送到D/A转换器，D/A转换结果再与Vx比较。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UxNUr/2n,式中，NA
10、/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=eN，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。,1）逐次逼近比较式ADC,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。2）单斜式ADC非积分V-T式A/D转换。原理如下图
11、（a.原理框图，b.波形图）：,2）单斜式ADC,原理框图,2）单斜式ADC,波形图,2）单斜式ADC,工作原理斜波发生器：通常由积分器对一个标准电压Vr积分产生，斜率为：(式中RC为积分电阻和电容)斜波发生器产生斜波电压与输入比较器（Vx）和接地（0V）比较器比较。比较器的输出触发双稳态触发器，得到时间为T的门控信号。在门控时间T内，计数器对时钟脉冲计数，即T=NT0，T0为时钟信号周期。计数结果N即表示了A/D转换的数字量结果。即(式中，k为斜波电压的斜率，单位为V/秒),2）单斜式ADC,工作原理将 代入 得，式中，为定值，于是，即，可用计数结果的数字量N表示输入电压Vx。误差分析斜波电
12、压的线性和稳定性、门控时间的测量精度。比较器的漂移和死区电压。一般精度较低。特点、应用,2）单斜式ADC,特点、应用线路简单，成本低。转换速度：门控时间T即为单斜式ADC的转换时间，取决于斜波电压的斜率，并与被测电压值有关，在满量程时，转换时间最长，即转换速度最慢。可应用于精度和速度要求不高的DVM中。例 设一台基于单斜A/D转换器的4位DVM，基本量程为10V，斜波发生器的斜率为10V/100ms，试计算时钟信号频率。若计数值N=5123，则被测电压值是多少？解 4位DVM即具有4位数字显示，亦即计数器的最大值为9999。,2）单斜式ADC,满量程10V（即A/D转换器允许输入的最大电压为1
13、0V），又，斜波发生器的斜率为10V/100ms，则在满量程10V时，所需的A/D转换时间即门控时间为100ms。即在100ms内计数器的脉冲计数个数为10000（最大计数值为9999）。于是，时钟信号频率为 若计数值N=5123，则门控时间为又由斜率k=10V/100ms，即可得被测电压为显然，计数值即表示了被测电压的数值，而显示的小数点位置与选用的量程有关。,(1）双积分式ADC,基本原理：通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。原理框图包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。下图a.原理框图，b.工作波形图。,3）双积分式ADC,工
14、作过程复零阶段（t0t1）。开关S2接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Vo回到零（Vo=0）。对被测电压定时积分(t1t2)。接入被测电压（设Vx为正），则积分器输出Vo从零开始线性地负向增长，经过规定的时间T1，Vo达到最大Vom，式中，为Vx的平均值，为积分波形的斜率(定值)对参考电压反向定值积分(t2t3)。接入参考电压(若Vx为正，则接入-Vr)，积分器输出Vo从Vom开始线性地正向增长(与Vx的积分方向相反)直至零。,3）双积分式ADC,此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有：将Vom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（设计数值分别为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 或式中，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Vx，N2即为双积分A/D转换结果。,
