电压测量技术

1、第五章 电压测量技术目的与要求：电压是表征电信号能量大小的基本参量之一，电压测量是其它许多电参量测量的基础。本章重点要求掌握电压的基本测量原理和各种电压测量仪表的正确使用。本章主要任务任务1：了解电压测量的必要性任务2：了解电压测量的特点任务3：了解电压表的分类任务4：掌握交流电压的基本参数任务5：了解模拟电压表的分类任务6：掌握均值电压表的工作原理任务7：掌握峰值电压表的工作原理任务8：掌握有效值电压表的工作原理本章主要任务任务9：掌握数字电压表的工作原理任务10：掌握数字多用表的工作原理任务11：了解电压标准任务12：了解失真度的测量任务1：电压测量的必要性 电压、电流、功率是表征电信号能

2、量大小的三个基本参量。在电子电路中，只要测量出其中一个参量就可以根据电路的阻抗求出其它两个参量。考虑到测量的方便性、安全性、准确性等因素，几乎都用测量电压的方法来测定表征电信号能量大小的三个基本参量。 任务1：电压测量的必要性此外，许多参数，例如频率特性、谐波失真度、调制度等都可视为电压的派生量。所以电压的测量是其它许多电参量测量的基础。非电量测量中，物理量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度任务2：电压测量的特点电子电路中的电压具有频率范围宽、幅度差别大、波形多样化等特点，所以对测量电压所采用的电子电压表也提出了相应的要求，主要有：1频率范围宽 除直流电压外，交流电压的频率可

3、以从0Hz到千兆赫兹范围内变化，甚至达到G兆赫兹。任务2：电压测量的特点2量程宽(测量范围) 通常，被测信号电压小到微伏级，大到千伏以上。 这就要求测量电压仪表的量程相当宽。 电压表所能测量的下限值定义为电压表的灵敏度，目前只有数字电压表才能达到微伏级的灵敏度。任务2：电压测量的特点3输入阻抗高电压测量仪器以并联方式连入电路，其输入阻抗是被测电路的附加并联负载。为了减小电压表对测量结果的影响，对于直流和低频电压，就要求电压表的输入阻抗很高，即输入电阻大；对于高频电压，要求输入电容小，使附加的并联负载对被测电路影响很小。目前，直流数字电压表在小量程上的输入阻抗高达10GM，高量程时可达10M。任

4、务2：电压测量的特点4测量精度高一般的工程测量，如市电的测量、电路电源电压的测量等都不要求高的精度，准确度在1%3%即可。一般对直流电压的测量可获得最高准确度，达10-410-7量级(数字表)；对交流电压的测量可获得10-210-4量级的准确度。模拟式电压表一般只能达到10-2量级。任务2：电压测量的特点5抗干扰能力強测量工作一般都在有干扰的环境下进行，所以要求测量仪表具有较強的抗干扰能力。对于数字电压表来说，这个要求更为突出。测量时，采取必要的措施，如接地、屏蔽等，可减小干扰的影响。任务2：电压测量的特点6.被测波形的多样性除正弦波外，电路中还有失真的正弦波和大量的非正弦波。测量时，应考虑不

5、同波形的需要。测非正弦波形时其读数无直接意义，被测电压大小要根据电压表的类型和波形来确定，即需要进行换算。任务3：电压表的分类电压表按其工作原理和读数方式分为模拟式电压表和数字式电压表两大类。1模拟式电压表模拟式电压表又叫指针式电压表，一般都采用磁电式直流电流表头作为被测电压的指示器。 测量直流电压时，可直接或经放大或经衰减后变成一定量的直流电流驱动直流表头的指针偏转指示。 任务3：电压表的分类测量交流电压时，必需经过交流-直流变换器即检波器，将被测交流电压先转换成与之成比例的直流电压后，再进行直流电压的测量。模拟式电压表按检波方式分为均值电压表、有效值电压表和峰值电压表。按电压表电路组成的方

6、式也可分为检波-放大式电压表、放大-检波式电压表、外差式电压表三类。 任务3：电压表的分类2数字式电压表数字式电压表实际上就是一种用AD变換器作测量机构，用数字显示器显示测量结果的电压表。测量交流电压及其它电参量的数字式电压表必须在AD变換器之前对被测电参量进行转换处理，将被测电参量变換成直流电压。 任务3：电压表的分类AD变換器是数字式电压表的核心部分，它的变換精度、分辨力、抗干扰能力直接影响数字式电压表的测量精度、灵敏度和抗干扰能力。任务4：交流电压的基本参数电路中某点的电压是指该点信号的电压，它可能是直流，一般是含有直流成分的复杂信号。波形是指电压随时间变化的U-t图形，反映电压瞬时值的

7、变化情况。一个交流电压的幅度特性可用峰值、平均值、有效值等基本参数来表征。任务4：交流电压的基本参数要点1峰值一个周期性交流电压u(t)在一个周期内所出现的最大瞬时值称为该交流电压的峰值U p。峰值U p是参考零电平计算的。有正峰值和负峰值之分，分别用Up+和Up-表示。含直流分量的交流电压，其正峰值Up+和负峰值Up-的绝对值大小是不相等的；任务4：交流电压的基本参数要点1峰值振幅Um是参考直流分量值开始计算。下图的直流分量U0大于零，注意 Up+、 Up-和Um的区别。其中，Upp是峰峰值 正峰值Up+负峰值Up-的绝对值交流电压的振幅值Um！任务4：交流电压的基本参数要点1峰值下图的直流

8、分量等于零。与前面的直流分量大于零的情况作对比，注意 Up+、 Up-和Um的区别。 正峰值Up+负峰值Up-的绝对值交流电压的振幅值Um！任务4：交流电压的基本参数要点2平均值又称为均值。交流电压的平均值在数学上定义为 显然，不含直流分量的正弦信号的电压平均值为零。平均值又分为半波平均值和全波平均值，分别记为 和 。 任务4：交流电压的基本参数要点2平均值半波平均值是指交流电压的正半周或负半周在一个周期内的平均值。 (U(t)0) (U(t)0)通常用全波检波后的波形的平均值来表征正弦信号的幅度特性，故有：任务4：交流电压的基本参数要点2平均值全波整流波形，表征正弦信号的幅度特性半波整流波形

9、，半波检波后的平均值是全波平均值的一半，即为正弦信号电压平均值的一半。 任务4：交流电压的基本参数要点3有效值交流电压的有效值理论上定义为：交流电压加在某个电阻上产生的功率与一个直流电压在同一个电阻上产生的功率相同时，则定义这个直流电压值为该交流电压的有效值。数学上交流电压的有效值定义为它的方均根值：任务4：交流电压的基本参数要点3有效值以正弦波为例， 代入有效值计算公式任务4：交流电压的基本参数要点3有效值对正弦波而言，其有效值为最大值的 倍。任务4：交流电压的基本参数要点4波形因数Kf 交流电压的有效值与平均值之比称为该交流电压的波形因数，用Kf表示。正弦信号的波形因数 1.11三角波的波

10、形因数 方波信号的波形因数 1任务4：交流电压的基本参数要点5波峰因数 Kp波峰因数Kp定义为峰值与有效值之比： 正弦信号的波峰因数 三角波的波峰因数 方波信号的波峰因数 任务5：模拟电压表的分类在模拟式交流电压表中，大都采用整流的方法将交流信号变成直流信号，再以其平均值驱动指示器，给出有效值读数。 这种方法在电子测量领域中称检波法。它具有准确度高、频带宽、灵敏度较高等优点，是目前使用比较广泛的方法。 任务5：模拟电压表的分类另外还有热电转换法和公式法。热电转换法是通过热电偶将交流电有效值转换成直流电压；公式法是利用有效值公式进行转换，经过模拟平方器、积分器、开平方器等转换环节来完成。根据电压

11、表电路组成的方式不同，模拟式电压表又可分为以下几种。任务5：模拟电压表的分类要点1检波-放大式检波-放大式电压表的电路结构如图所示。将被测电压Ux先变成直流电压，再经直流放大器放大，然后驱动直流微安表指针偏转。任务5：模拟电压表的分类要点1检波-放大式电压表的频带宽度主要取决于检波电路的频率响应。通常所称“高频电压表”或“超高频电压表”都属于这一类。由于二极管导通时有一定的起始电压，且采用普通直流放大器会有零点漂移，故其灵敏度不高，不适宜测量小信号。任务5：模拟电压表的分类要点2放大-检波式被测电压先经宽带放大器放大，然后再检波，变成直流电信号，驱动微安表指针偏转。这种电压表灵敏度由于先行放大

12、而提高，但受放大器内部噪声的限制；其频率范围主要受放大器带宽的限制，典型任务5：模拟电压表的分类要点2放大-检波式的频率范围为20HZ10MHZ,称“视频毫伏表”。 平均值电压表属于放大-检波式电压表。任务5：模拟电压表的分类要点3外差式检波-放大式和放大-检波式两种电压表，频率响应和灵敏度互相矛盾，很难兼顾，可以通过外差测量方法来解决。外差式电压表的电路结构图如下图所示，其原理与外差式收音机相似。任务5：模拟电压表的分类要点3外差式外差测量法的中频是固定不变的，中频放大器有良好的选择性，相当高的增益，这样就解决了放大器的带宽与增益的矛盾，削弱噪声的影响，提高了测量灵敏度，扩展了频率范围。一般

13、的高频微伏表即属于这一类。任务6：均值电压表在均值电压表内，电压的平均值指被测电压经整流后的平均值，这通常是就全波整流而言，即输入电压的绝对值在一个周期的平均值。均值电压表一般采用放大-检波式电路组成低频电压表，或采用外差式电路组成高频微伏表。任务6：均值电压表要点1.均值表的一般组成均值电压表框图如下。均值表的输入级，通常采用射极跟随器或源极跟随器来提高均值表的输入阻抗阻容分压电路，用来改变均值表的量程采用多级负反馈电路，其性能是整个电压表质量的关键通过整流和滤波提取宽放输出电压的平均值，并输出与它成正比的直流电流任务6：均值电压表要点2.(平)均值检波器电子电压表内常用的全波均值检波器电路

14、如下图所示，图（a）为桥式电路，图（b）为半桥式电路。检波器输出平均电流正比于输入电压的平均值。滤波电容，使指针稳定滤去检波器输出电流中的交流成分R使检波器损耗增加，使流经微安表的电流减小，应保证充放电的时间常数相等。任务6：均值电压表要点2.(平)均值检波器被测电压为Ux，电表内阻rm，D1D4的正反向电阻分别为Rd、Rr。一般Rd为100500， Rr为13K。 由于Rr Rd ，忽略反向电流的作用，流过电表的平均电流为任务6：均值电压表要点3.定度系数和波形换算几乎所有的交流电压表都是按照正弦波电压有效值定度的。显然，均值检波器不是有效值响应，则标称值 （即示值）与实际响应值之间存在一个

15、系数，此系数即为定度系数，记作 。任务6：均值电压表要点3.定度系数和波形换算对于均值响应检波器，在额定频率下加正弦波电压时的示值可见，均值表的读数乘以0.9等于被测电压的平均值。任务6：均值电压表要点3.定度系数和波形换算同理，对于半波均值表，有半波均值表的读数乘以0.45等于被测电压的平均值。对于全波均值表，如果被测电压不是正弦波，而是任意波形时，如果要求它的有效值，则利用波形因数Kf= ，则任务6：均值电压表要点3.定度系数和波形换算综上所述，波形换算的方法是：当测量任意波形电压时，将测量结果U（即表盘上的示值）先除以定度系数K折算成被测电压的平均值，再乘以被测电压的波形因数Kf（如果被

16、测电压的波形已知）即可得到被测的非正弦电压有效值Ux。 任务6：均值电压表要点3.定度系数和波形换算例5-1 用全波式均值电压表分别测量方波及三角波电压，示值均为1V，问被测电压的有效值分别为多少？解 示值U1V （1）对于方波（ Kf 1）（2）对于三角波（ Kf 1.15 ）任务6：均值电压表要点4.误差分析(波形误差)均值电压表误差的主要来源有：指示电流表的误差、检波二极管的不稳定性、被测电压超过频率范围及波形所造成的误差。着重分析波形误差。以全波均值表为例，当把示值U作为被测电压的有效值Ux时会引起的绝对误差为任务6：均值电压表要点4.误差分析(波形误差)示值相对误差u 为当被测电压为

17、方波时(Kf 1)， u (10.9 Kf)100% 10当被测电压是三角波时(Kf 1.15 )， u (10.9 Kf )100% 10.91.15-3.5 任务6：均值电压表4.误差分析(波形误差)如果知道检波器的类型及被测电压的波形因数，进行换算也是很方便的。均值电压表电路简单，灵敏度高，波形失真小，因此它得到了广泛应用。任务7：峰值电压表峰值电压表的工作频率范围宽，输入阻抗高，有较高的灵敏度，但存在非线性失真。峰值电压表简称峰值表，属于检波放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。任务7：峰值电压表要点1.峰值表组成峰值表由峰值检波器、分压器、直流放大器和微安表组成，如下图所示。检波输出

18、的直流电压与输入交流信号峰值成比例的检波器任务7：峰值电压表要点2.峰值检波器峰值检波器有串联式和并联式两种。(a串联式，b并联式，c波形)任务7：峰值电压表要点2.峰值检波器通过二极管正向快速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。即且被测回路的内阻Rs 应小，负载电阻RL要大(常取10M100M)，以保证上式的成立。任务7：峰值电压表要点2.峰值检波器这样，检波器输出的直流电压(RL的两端电压)就正比于被测电压的峰值。设被测电压为U(t)=Umsinwt,对于上述串联式及并联式均可得到：电容器充电时间很快，放电时间非常缓慢，能一直维持电容器两端的平均电压与被测电压的峰值

19、近似相等。任务7：峰值电压表要点2.峰值检波器由于RL取值很大，故峰值检波器作输入级也可使电压表具有很高的输入电阻。峰值表适合于高频电压的测量。其特点是增益高、噪声低、漂移小，灵敏度可达几十V。又称为超高频毫伏表。峰值检波器中，流经负载电阻RL的电流非常小，因此，直流放大器是检波放大式电压表中必不可少的部分。任务7：峰值电压表要点3.定度系数和波形换算峰值电压表响应被测电压的峰值Up。按正弦波有效值定度，则读数UK：定度系数，K=Up：被测电压峰值，Kp：正弦波波峰因数。峰值电压表的读数乘以 后所得就是输入电压的峰值。任务7：峰值电压表要点3.定度系数和波形换算用一台理想的峰值电压表去测任意波

20、形的非正弦波电压，其读数没有直接的物理意义，该读数只有乘以 后才等于其峰值。若要求其有效值，还需通过本身的波峰因数和求得的峰值来加以换算。 Ux：被测电压有效值； Kp：被测电压波峰因数。任务7：峰值电压表要点4.误差分析(波形误差)峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时，如果不进行换算，将产生波形误差u 。任务7：峰值电压表要点4.误差分析(波形误差)例5-2 用峰值电压表测量一个三角波电压，示值为10V，问被测电压的有效值为多少？波形误差为多少？如果是方波结果又是多少(请同学自己思考)？解 任务7：峰值电压表要点4.误差分析(波形误差)可以看出，用峰值电压表测量失真的正弦波或非

21、正弦波电压时，若将读数当成输入电压的有效值，则会产生较大的波形误差。但用峰值表测量正弦波时，读数就是其有效值。任务8：有效值电压表实际测量中，遇到的往往是失真的正弦波且难以知道其波形参数(Kp和Kf)，因此，电压表若能响应有效值，那么测量其有效值就变得容易。有效值电压表属于放大检波式电压表。其交直流变换电路主要有热耦式和计算式等类型。任务8：有效值电压表要点1热电转换式它利用具有热电效应功能的热电偶来实现有效值变换。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。当热端T和冷

22、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。任务8：有效值电压表要点1热电转换式右图是热电转换电压表的示意图。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 任务8：有效值电压表要点1热电转换式图5-10是DA-24型有效值电压表简化组成方框图，它采用热电偶作为ACDC变换元件。其中M1为测量热电偶，M2为平衡热电偶。 K为热电偶转换系数任务8：有效值电压表要点1热电转换式当直流放大器的增益足够高且电路达到平衡时，其输入电压UinExEf0， 即ExEf，所以U

23、outA1Ux。由此可知，如两个热电偶特性相同（即K相同），则通过图示反馈系统，输出直流电压就正比Ux(t)有效值Ux，所以表头示值与输入呈线性关系。平衡热电偶M2与M1的性能相同，其作用有二：一使表头刻度线性化，二是提高热稳定性。 任务8：有效值电压表要点1热电转换式这种仪表的灵敏度及频率范围取决于宽带放大器的带宽及增益，表头刻度线性，基本没有波形误差，读数与波形无关。其主要缺点是有热惯性，使用时需等指针偏转稳定后才能读数，而且过载能力差，容易烧坏，使用时应注意。任务8：有效值电压表要点2计算式有效值电压表交流电压的有效值即其方均根值。根据这一概念，利用模拟电路对信号进行平方、积分、开平方等

24、运算即可得到测量结果。任务8：有效值电压表要点2计算式有效值电压表第一级为模拟乘法器，第二级为积分器，第三级对积分器的输出电压进行开方使输出电压大小与被测电压有效值成正比，从而得到最后测量结果。任务9：数字电压表DVM的组成数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。组成框图任务9：数字电压表要点1：基本组成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

25、路的协调有序工作。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能1电压测量范围(1) 量程：DVM的量程以其基本量程（即未经衰减和放大的量程，亦即AD 转换器的电压范围）为基础，再和输入通道中的步进衰减器及输入放大器适当配合向两端扩展。如DS-14型电压表的量程为500V、50V、5V、0.5V四档，5V为基本量程。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能(2) 显示位数：DVM的位数指完整显示位，显示09十个数码。最大显示为9 99、1 999和5999的数字电压表都是三位数字电压表。不完整位，常用分数表示，把最大显示为1 9999(首位只能显示0、1)的数字电压表称作 位数字电压表；

26、最大显示为59999(首位显示05)的电压表称为 位数字电压表。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能(3) 超量程能力：指DVM所能测量的最大电压超过量程值的能力，且不降低测量结果的精度和分辨力。如，当满量程为10V的四位表，其输入电压从9.999V变至10.001V时，若无超量程能力，计数器溢出，量程自动切换到100V，得到“10.00V”的显示，丢失了0.001V的信息；若有超量程能力，则不会降低精度和分辨力，量程仍为10V，显示为“10.001V”。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能数字式电压表有无超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。显示

27、位数全是完整位的DVM，没有超量程能力。带有1/2位的数字电压表，如最大显示为1999，如果按2V、20V、200V分挡，也没有超量程能力。带有1/2位并以1V、10V、100V分挡的DVM，才具有超量程能力。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能如5位的DVM，在10V量程上，最大显示19.9999V电压，允许有100的超量程。如果数字电压表的最大显示为5.9999，如量程按5V、50V、500V分挡，则允许有20超量程。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能2分辨力指DVM能够显示输入电压最小变化值的能力，即显示器末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。在不同的量程上，分辨

28、力是不同的。在最小量程上，DVM具有最高分辨力。如DO26型DVM，最小量程为0.100000V末位跳一个字为1V，即该DVM的分辨力为1V。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能3测量误差固有误差：标准条件下的误差，常以下述形式给出： 式中，Ux为被测电压读数；Um为该量程的满度值；为误差的相对项系数； 为误差的固定项系数任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能读数误差Ux为读数误差，式中第一项与读数成正比，它包括由仪器各单元电路(如衰减器、AD变换器等)引起的转换误差，非线性等产生的误差，可以看做随机误差。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能满度误差（可看做作系统误

29、差）为误差的固定项系数，Um表示满度误差；对于给定的量程，Um是不变的。一部分是不随被测电压而变的固定成分(如仪表放大器、基准器、积分等的零点漂移所引起的误差)；另一部分是量化误差(1个字)，有时又用与之相当的末位数字的跳变个数来表示，任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能记为n个字，即在该量程上末位跳n个单位时的电压值恰好等于Um 。如，国产DS-14型数字电压表在5V量程时，误差 ，其中第二项误差的数值为0.004%5=0.0002V，显示数字为5位，所以0.0002V相当于2个字，则上述误差又可以写成任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能DVM测量的相对误差写成如用DS-

30、14型数字电压表5V量程测量0.4V电压时，其相对误差如换用0.5V量程测量(=0.01=0.0006)任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能4输入电阻和输入偏置电流 输入电阻Ri，一般不小于10M，高准确度的可优于1000M。 输入偏置电流I0 由于仪器内部产生的表现于输入端的电流，在信号源内阻上建立一个 附加电压I0Rs与被测电压叠加，带来误差。应尽量使该电流减小，小于10-9A。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能5抗干扰特性表示数字电压表的抗干扰能力。按干扰作用在仪器输入端的方式分为串模干扰和共模干扰。 串模干扰指在仪器输入端叠加在被测 电压上的交流干扰电压，它 可能

31、是信号源的一部分，也 可能是从输入端引线感应而 来。右图为示意图。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能通常用串模干扰抑制比(NMR)来表示仪器对这种干扰的抑制能力。式中，Unm为串模干扰电压峰值； Unmax：由Unm产生的最大干扰电压，即读数的最大变化(干扰引起的转换误差)。一般串模干扰抑制比可达5090dB 。NMR越大，表示DVM的抗干扰能力越强。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能抑制原理及基本方法直流串模干扰：由于串模干扰是叠加在被测信号上，则很难从硬件上予以抑制，通常可采用软件校准和数据处理的方法来处理。周期性串模干扰：可采用滤波的方法抑制（从被测信号中滤除掉干

32、扰信号）。另外，采用积分式A/D转换器的DVM，由于积分对输入信号的平均作用，因此，具有较好的抑制干扰的作用。尖峰脉冲的干扰：由于干扰强度大持续时间短，一般首先应在信号输入端加入限幅，再采用模拟硬件滤波器或软件数字滤波。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能共模干扰是指被测信号Ui的地线与电压表的地线之间存在着电位差(直流或交流)，它所产生的电流对高、低两根输入线都有干扰。即被测信号与 电压表之间不 共地。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能常用共模抑制比(CMR)来表示仪器对这种干扰的抑制能力。式中，Ucm为共模干扰电压峰值； Ucmax：由Ucm产生的最大干扰电压，即读数

33、的最大变化(干扰引起的转换误差)。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能分析表明，只有当共模干扰电压形成串模干扰时才会产生测量误差。共模干扰有交流和直流电压，CMR也有交流和直流抑制比之分，CMR越大，仪器的抗干扰能力越强。一般共模干扰抑制比可达80150dB。 任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能共模干扰的抑制措施浮置测量：将DVM的接地端浮置，即不与机壳地连接（隔离），DVM接地端到机壳的绝缘电阻Z2。浮置双端对称测量：双端对称输入浮置方法。 屏蔽与隔离：采用双层屏蔽技术，即将内部模拟电路部分（包括输入电路）设置在一个屏蔽盒内（其模拟地与屏蔽盒之间有很高的绝缘电阻），同时

34、，屏蔽盒与DVM的外壳（外层屏蔽）也高度绝缘。任务9：数字电压表要点2：DVM的主要技术性能6测量速率测量速率是DVM在单位时间内以规定的准确度完成的最大测量次数，每秒几次或几十次不等，一般规律是测量速度越高的仪表，测量误差也大。测量速度主要取决于数字电压表中的A/D转换器的转换速度。任务9：数字电压表要点3.DVM的主要类型 根据AD变换的基本原理进行分类，分为比较式、积分式和复合式。任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器1.工作原理线性电压常称为锯齿波电压或斜坡电压，其电压随时间呈线性变化，一定的时间间隔相应于一定的电压变化，所以电压可以转换为一定的时间间隔。任务9：数字电压表要点4.

35、斜坡式AD转换器式中，Ui 表示被转换的输入电压；T21，k为斜波电压斜率。利用斜波电压和输入电压进行比较，在规定时间间隔T内，斜波电压的变化与输入电压相等，则这段时间间隔与输入电压Ui成正比。任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器斜坡电压式DVM转换过程分为两步：第一步是用线性斜坡电压发生器和比较器将模拟直流电压变换成时间间隔，而该时间间隔与被测量成正比。第二步是利用脉冲发生器和计数器， 脉冲发生器提供频率稳定的脉冲源作为时间间隔整量化的基准单位，计数器记录这个时间间隔内的脉冲个数，把被测量用数字形式显示出来。任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器斜坡电压分别接到两个比较器：信号比较

36、器和接地(零)比较器。任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器转换开始时，启动信号使线性电压发生器输出线性压，设输入Ui0。t1时刻Ui和线性电压相等，信号比较器输出正信号开门脉冲使控制门打开，计数器开始计数t2时刻，线性电压为零，零比较器输出一正信号使控制门关闭，计数器停止计数任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器当U2=0时有下列关系：即输入电压与所计得的脉冲数成正比。当确定了T0和K以后，即可用T内所计得的数N来表示被测电压Ui。 思考：分析Ui0时，工作波形与前所述有何不同？对不同的极性的输入电压，开门与关门信号将从不同的比较器获得，故可以根据比较器前、后输出的不同来判别被测信号

37、的极性。任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器例如斜坡电压的斜率为10V/50ms，要求四位数字读出，则时钟脉冲频率应为 200kHz若被测电压Ux9.163V，则门控时间 50ms45.815ms累计脉冲计数45.815ms200kHz9163个脉冲通过确定小数点位置，可显示出9.163V。任务9：数字电压表要点4.斜坡式AD转换器2.测量准确度这种转换器是对输入电压Ui的瞬时值进行转换，因此抗干扰能力差，当Ui上叠加有噪声电压时会产生测量误差。转换精度主要取决于斜坡电压的线性与绝对斜率稳定性以及时间测量的准确度此外，比较器的稳定性也是影响测量误

38、差的重要因素。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器1.工作原理：双斜积分式AD转换器在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，积分对象分别是被测电压Ux和基准电压U r ，先对Ux定时积分，再对U r定值积分。通过两次积分的比较，将Ux变换成与之成正比的时间间隔。故这种AD转换属U-T转换。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器其工作过程可分三个阶段进行分析。 (1) 准备阶段（t0t1）：由逻辑控制电路将电子开关中的S4闭合，使积分器的输入接地；S5闭合，使积分电容短路，故积分器输出电压uout0，此为初始状态，对应下图（b）中的t0t1

39、区间。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器(2) 采样阶段（t1t2）：设被测电压（-Ux）0。在t1时刻，接入被测，进行定时积分，积分器作正向积分，输出电压uout从零开始线性增加。 基准电压Ur接至积分器的输入端，开始定值反向积分，输出uout2从Uoutm开始线性下降任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器经过预置时间T1，即在t2时刻，计数器溢出，复零，进位脉冲使逻辑控制电路将S1断开，S2闭合，采样阶段结束，计数器计得N1。此时，积分器输出电压为任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器积分器对（-Ux）作定时积分时的输出电压uout1的斜率由Ux决定，Ux大则斜率高，Uou

40、tm值高。积分器响应的是被测电压(-Ux)的平均值。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器(3) 比较阶段（t2t3）：自t2时刻起，开始比较阶段。同时，计数器重新从零开始计数。到t=t3时刻，积分器输出uout20，逻辑控制电路发出控制信号，S2断开，S4和S5闭合，积分器恢复到零状态；同时关闭闸门，计数器停止计数，此时计得N2个脉冲，译码显示。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器t2t3之间的间隔为T2，在T2期间uout2下降的斜率是常数。在此期间：式中，Ur、T1均为固定值，故Ux正比于时间间隔T2。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器则如果参数选取合适，被测电压Ux就

41、等于在T2期间计数器所计的时钟个数，即 Ux N2（电压单位）至此，完成一个测量周期。转换器随着进入休止阶段（t3t4），做下一个测量周期的准备，自动转入第二个测量周期。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器归纳一下这种AD转换器的工作过程： 在同一个测量周期内，首先对被测直流电压Ux在限定时间T1内进行定时积分；然后切换积分器的输入电压为基准电压(Ux0时，Ur0；Ux0时，Ur0)，再对Ur进行定值反向积分，直到积分器输出电压等于零为止，此时积分时间为T2；再利用脉冲计数法对T1、T2两段时间间隔进行数字编码，从而得出被测电压数值。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器2.双积分式

42、转换器的特点积分常数RC不影响转换精度由于在两次积分过程中RC相互抵消，故RC值的变化对变换时间T2没有直接影响。T2由输入Ux，基准电压Ur及采样时间T1决定。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器时钟频率改变不影响转换精度由于两次积分都是对同一时钟脉冲源输出脉冲进行计数，只要时钟频率在转换期间(T1和T2)内是稳定的，对转换精度没有影响。故对脉冲频率准度要求不高，即使采用一般的自激多谐振荡器充当时钟脉冲发生器仍可以得到足够高的精度。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器对串模干扰的抑制能力好由于测量结果所反映的是被测电压在采样期间T1内的平均值，故串入被测电压信号中的干扰成分，尤其

43、是周期等于T1或等于T2的几分之一的对称干扰从理论上讲有无穷大的抑制能力。在工业系统中常碰到50Hz市电或市电倍频干扰，故选择T1为交流电源周期(20ms)的整数倍，则使电源干扰平均值近于零。任务9：数字电压表要点5.双斜式AD转换器转换速度较低 这是双积分式U-T转换器的主要缺点。进行一次转换需要两次积分，所以转换速度慢。但在低速、高精度的U-T转换中仍得到广泛应用。价格低廉，制作容易任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器1.工作原理设有一套基准电压，分别为2.5V、2.5/2V(即1.25V)、2.5/22V(即0.625V) 2.5/23V(即0.3125V)2.5/210V共十

44、一种电压，相邻两个电压为2倍关系，即二进制的关系。现在要把3V的电压转换成为二进制数码，其步骤如下：先用最大电压2.5V与3V比较，2.5V3V，小者留，把2.5V留下来，记“1”(最高位)；任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器在2.5V上再加上1.25V后与3V比较，(2.5+1.25)V3V，大者弃，去掉1.25V，记为“0”(第二位)；在步的基础上，再加上0.625V与3V比较，(2.5+0.625)V 3V，把0.625V去掉，记为“0”(第三位)；在步的基础上，再加上0.3125V与3V比较，(2.5+0.3125)V 3V，把0.3125V留下来，记为“1”，此时数码寄存

45、器记有“1001”； 任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器依次类推，直至试到2.5/210V这个电压为止。这样，就把3V电压转换成进进制数码来表示，即10011001100。把一个电压转换为二进制数码表示的形式，必须具有以下条件：有一套基准电压，即电压砝码，它们间的关系为二进制，这套部件称为“解码网络”，即图中所示的D/A转换器；有一个电压比较器，把由解码网络送任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器来进行试探的电压U0与被转换电压Ux进行比较，并判别出谁大谁小，若U0 Ux ，则比较器输出Qc=0(逻辑低电平)；若U0 Ux ，则Qc=1(逻辑高电平)。有一个寄存器，每次比较

46、的结果由它保存下来，或“0”或“1”，称为“逐次逼近寄存器”(SAR)；任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器有控制电路来完成下列两个任务：A.比较由最高位开始，由高位到低位逐位比较；B.根据每一次比较的结果，使相应位的逐次逼近寄存器记“0”或“1”，并由此决定是否保留这位“解码网络”送来的电压。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器 2.逐次比较式AD转换器组成任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器 输入被测电压Ux经过输入电路作用到比较器，另一方面，通过受数码寄存器控制的解码网络(D-A变换器)，将基准电压Us分成若干按二进制或十进制编码组合的基准电压砝码U0，同时

47、作用于比较器。在程序控制线路的控制下，被测电压Ux与基准电压砝码U0由高位到低位逐位加码比较，大者弃(记“0”)，小者留(记“1”)，任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器逐次累加，逐步逼近，最后所留基准电压砝码的累加总和即近似等于被测电压的大小。逐次逼近寄存器(SAR)所寄存的数码，就是与被测电压的模拟量相对应的数字量，译码显示器根据逐次逼近寄存器的状态，显示出该被测电压的数字。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器D/A包括基准电压源、电子开关电路和由分压分流电路组成的解码网络，其功能是将二进制数字量转换成模拟量。比如基准电压源的基准电压是Ur2.8V，对于8位D/A，当输

48、入数字量为10000000时，输出模拟电压为Uo(27/28)2.8V= (128/256)2.8V1.4V；输入数字量为00000001时，输出模拟电压Uo (20/28)2.8V=任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器(1/256)2.8V10.94mV，可见同是二进制数码“1”，它在二进制数中的位置不同，其所代表的值也不同，不同位置上的“1”所代表的值，称为权值。下图是权电阻D/A变换原理，其中K0K7是电子开关，其通断对应于相应位ai的取值，若ai1，则Ki通；若ai0，则Ki断。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器当K0闭合（对应n位二进制数最低位a01）时任务9：

49、数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器当D/A输入为任意二进制数字量a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0时，输出电压权电阻解码电路中电阻个数较少，但阻值大小不一，制造较为困难。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器下图(a)所示的T型解码电路虽然电阻个数较多，但电阻值仅为两种，很适宜集成制造工艺。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器如图(b)，左边两侧的等效电阻均为2R，因此其节点电位（a11时）当该节点电位传送到输出端时，要经过多节电阻网络衰减，每节衰减数均为1/2，比如“0”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任务9：数字电

50、压表要点6.逐次比较式AD转换器根据叠加原理，对于任意二进制数a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0，输出电压任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器现以一个简单的3比特（3位二进制）逐次比较过程再体会其原理。设基准电压Us8V，输入电压Ux5V， 3比特SAR的输出为Q2Q1Q0。流程图如右图所示。 任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器三位逐次比较过程（US8V，UX5V）上述过程是在控制电路依次发出的节拍脉冲的作用下完成的。 任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器由SAR的状态决定了“解码网络”的输出电压，而这个输出电压反过来又要与输入的被测电压进行比较，根

51、据比较结果再来决定这位SAR的状态。这是一个互相联系互相依赖的过程，这个过程就是“电压反馈”，整个比较过程又是一位一位地进行的，所以又称这种电压-数字转换方法为“电压反馈逐位比较法”。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器3.主要特点这种转换器速度快，转换时间由转换位数和时钟频率决定，一般能做到1ms1s的中速范围。转换精度高，转换精度取决于基准电压砝码的精度和稳定性，比较器的漂移、灵敏度等。元部件容易实现集成化，可以降低成本，增加可靠性。任务9：数字电压表要点6.逐次比较式AD转换器主要缺点是抗干扰性能差将被测电压的瞬时值与基准电压进行比较，故叠加于被测电压上的干扰信号将会影响转换结

52、果。现在，AD转换器一般都是用大规模集成电路制作的，如ADC0809、ADC0816、ADC7574等都是8位（二进制）逐次逼近式AD转换器，ADC1210是12位逐次逼近式AD转换器。任务9：数字多用表与普通的模拟式多用表相比，数字多用表（DMM）的测量功能较多，它不但能测量直流电压、交流电压、交流电流、直流电流和电阻等参数，而且能测量信号频率、电容器容量及电路的通断等。除以上测量功能外，还有自动校零、自动显示极性、过载指示、读数保持、显示被测量单位的符号等功能。 任务9：数字多用表它的基本测量方法以直流电压的测量为基础。测量时，先把其它参数变换为等效的直流电压U，然后通过测量U获得所测参数

53、的数值。任务9：数字多用表要点1. 基本原理在数字直流电压表前端接相应的交流-直流转换器(ACDC)、电流-电压转换电路（IV）、电阻-电压转换电路（V）等，就构成了数字多用表，如右图所示。 任务9：数字多用表要点1. 基本原理可以看出，数字式多用表的核心是数字直流电压表。由于直流数字电压表是线性化显示的仪器，因此要求其前端配接的ACDC、IV、V等变换器也必须是线性变换器，即变换器的输出与输入间成线性关系。任务9：数字多用表要点2.线性ACDC变换器 数字多用表中的线性ACDC变换器主要有平均值ACDC和有效值ACDC。 有效值ACDC可以采用前面介绍的热偶变换式和模拟计算式。平均值ACDC

54、通常利用负反馈原理以克服检波二极管的非线性，从而实现线性ACDC转换。 任务9：数字多用表要点3.IV变换器将直流电流Ix变换成直流电压最简单的方法，是让该电流流过标准电阻RS，根据欧姆定律，RS上的端电压US=RSIx，从而完成了IV线性转换。为了减小对被测电路的影响，电阻RS的取值应尽可能小， RS取值不一样，电流的量程也不一样。任务9：数字多用表要点3.IV变换器如图，假如变换后采用的电压量程为200mV，则通过量程开关选择取样电阻分别为1k、100、10、1、0.1，便可测量200A、2mA、20mA、200mA、2A的满量程电流。任务9：数字多用表要点3.IV变换器图a采用高输入阻抗

55、同相运算放大器，不难算出输出电压U0与被测电流Ix之间满足： 任务9：数字多用表要点3.IV变换器当被测电流较小时(Ix小于几个毫安)，采用图（b）转换电路，即反相输入变换。忽略运放输入端漏电流，输出电压U0与被测电流Ix间满足：任务9：数字多用表要点4. V变换器下图是恒流法V变换器原理图。图中Rx为待测电阻，RS为标准电阻，US为基准电源，该图实质上是由运算放大器构成的负反馈电路，可以得到改变RS，可以改变Rx的量程。任务9：数字多用表要点5.数字多用表的基本组成下图是某种型号数字多用表的整机方框图。全机由集成电路ICL-7129、4位LCD显示器、电流-电压变换器（A/U）、电阻-电压变

56、换器（/U）、ACDC转换器、电容-电压变换器（C/U）、频率-电压变换器（F/U）、蜂鸣器电路、电源电路等组成。任务9：数字多用表要点5.数字多用表的基本组成任务9：数字多用表要点5.数字多用表的基本组成对于电流、电阻、电容量、频率等非电压量，都必须经过变换器转换成电压量后，送入AD转换器。对于高于基本量程的输入电压，还须经分压器变换到基本量程范围。ICL-7129型AD转换器内部包括模拟电路和数字电路两大部分。模拟部分为积分式AD转换器。任务9：数字多用表要点5.数字多用表的基本组成数字部分用于产生AD变换过程的控制信号及对变换后的数字信号进行计数、锁存、译码，最后送往LCD显示。每秒可完成AD转换1.6次。任务9：数字多用表要点6.测量电路1.电压测量电路电压和电阻测量共用一个输入端。电压的基本量程为 200mV。测量 时对高于200 mV的被测电压， 需通过分压电路 变换到基本量程 范围。 任务9：数字多用表要点6.测量电路2.电流测量电路被测电流流过取样电阻，将电流量转换为电压量送至AD转换器。取样电阻的大小依量程而定，它保证在满量程电流值时，取样电压为200mV。测量交流电压和 电流时，还须经 过