电子测量技术(第3版)第五章第2部分.

数字式电压表（DVM）是利用模/数（A/D）转换器，将模拟的被测电压量转换成数字量，然后利用十进制数字显示方式显示被测量数值的电压表。数字多用表的框图如图5.13所示。5.4数字式多用表图5.13数字多用表的框图目前数字电压表的品种很多，按其模/数转换器（A/D）原理来区分，可分为斜坡式、双积分式、比较式和复合式等四类。5.4.1数字电压表的分类1．斜坡式数字电压表斜坡式数字电压表是利用积分器产生的线性斜坡电压与被测电压进行比较，把被测电压转换成与其瞬时值成比例的时间间隔T，即采用的是U-T（电压-时间）变换式，并在T时间内，用时钟脉冲进行计数，计数的结果即为被测电压值。2．双积分式数字电压表利用积分器对被测电压进行正向和反向两次积分，得到与输入电压平均值成正比的时间间隔T，并在T的时间间隔内对时钟脉冲进行计数，最后用数字显示被测电压值。3．比较式数字电压表利用输入的模拟电压与基准电压进行比较的方法，把模拟量直接转换成数字量的电压表。4．复合式数字电压表复合式数字电压表是将积分式与比较式结合起来，取长补短发展起来的一种测速快、抗干扰能力强的高精度DVM。1．测量范围测量范围包括显示的位数、量程的范围和是否具有超量程能力等。（1）显示位数位数是指能显示0~9共十个完整数码的显示器的位数。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能将0~9十个数码全部显示的位。（2）量程的范围DVM的量程范围包括基本量程和扩展量程。基本量程是测量误差最小的量程，它不经过衰减和放大器；扩展量程是采用输入衰减器和放大器来完成的，它的测量精度比基本量程的测量精度降低。5.4.2数字电压表的主要技术指标（3）超量程能力1/2位和基本量程结合起来，说明DVM是否具有超量程能力。2．分辨率分辨率是指DVM能够显示的被测电压的最小变化值，即显示器末位跳动一个数字所需的电压值。在不同的量程上DVM的分辨率是不同的，在最小量程上，DVM具有最高分辨率。3．测量速率测量速率是指每秒对被测电压的测量次数，或一次测量全过程所需的时间。4．输入特性输入特性包括输入阻抗和零电流两个指标。直流测量时，DVM输入阻抗用Ri表示。量程不同，Ri也有差别，一般在10～1000MW之间。交流测量时，DVM输入阻抗用Ri和输入电容Ci的并联值表示，一般Ci在几十至几百皮法之间。5．抗干扰能力DVM的干扰分为共模干扰和串模干扰两种。仪器中采用共模抑制比和串模抑制比来表示DVM的抗干扰能力。一般共模干扰抑制比为80～150dB；串模抑制比为50～90dB。在DVM中抑制串模干扰的措施有两种，一是在DVM的输入端设置滤波器；二是从A/D转换原理上采用双积分电路来消除干扰。在DVM中抑制共模干扰主要采用输出端浮置的办法。6．固有误差和工作误差DVM的固有测量误差主要是读数误差和满度误差，通常用测量的绝对误差表示。△U＝±（α％·Ux+β%·Um）式中α——误差的相对项系数；β——误差的固定项系数；Ux——被测电压读数；Um——该量程的满度值。工作误差指在额定条件下的误差，通常也以绝对值形式给出。1．数字电压表的组成数字电压表的组成如图5.14所示。5.4.3数字电压表的工作原理图5.14数字电压表的组成框图整个框图包括两大部分，模拟部分包括输入电路（如阻抗变换电路、放大和扩展量程电路）和A/D转换器。A/D转换器是数字电压表的核心，完成模拟量到数字量的转换。数字部分主要完成逻辑控制、译码和显示功能。2．逐次逼近比较式DVM的基本原理（1）电路组成框图。如图5.15所示，逐次逼近比较式A/D转换器由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。图5.15逐次逼近比较式A/D转换框图(2)工作原理逐次逼近比较式A/D变换是属于直接式A/D变换。其基本原理是用被测电压和一个可变的已知的电压（基准电压）进行比较，直至比较结果相等。达到测出被测电压值的目的。(3)工作特点①测量速度快。②测量精度取决于标准电阻和基准电压源的精度，还与D/A转换器的位数有关。③由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗串模干扰能力差。3．双积分式DVM的基本原理V-T变换原理是用积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此间隔内累计脉冲数，数字显示测量结果，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。(1)电路模型电路模型如图5.16所示，双积分器的电路模型实际上是一个线性的积分器，它利用电容和运算放大器获得线性的充放电电压。图5.16双积分器的电路模型(2)工作原理在一个测量周期内，借助于积分器的两次积分过程，获得与积分电压成比例的时间间隔。如图5.17所示，首先将被测电压Ux加到积分器的输入端，在确定的时间第一次积分，对Ux定时积分，定时时间为t1~t2段，记为T1，积分输出第二次积分，对标准电压定值积分，积分时间段为t2~t3，记为T2，积分输出uTuuxxottRCdtRC2111)(1UTUurefrefoRCdtttRC22321两次积分后输出电压为Uo=Uo1+Uo2=0，则——ux=——Uref解得若用计数器在T1、T2时间间隔内计数，计数脉冲周期为T0，计数值分别为N1、N2，则T1RCT2RCUTTurefx12UNNUTNTNurefrefx120102通过以上分析，我们可以设计出双积分型A/D转换器的原理框图，如图5.18所示，包括积分器、比较器、计数器、逻辑控制和时钟信号源等几部分。图5.18双积分型A/D转换器的原理框图5.5电压测量的应用5.5.1直流电压的测量电子电路中的直流电压一般分为两大类，一类为直流电源电压，它具有一定的直流电动势E和等效内阻R；另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对地的电位。1．用数字式万用表测量直流电压用数字式万用表测量直流电压时，要选择合适的量程，当超出量程时会有溢出显示。2．用模拟式万用表测量直流电压模拟式万用表的直流电压档由表头串联分压电阻组成，其输入电阻一般不太大，而且各量程档的内阻不同，同一块表，量程越大内阻越大。在用模拟式万用表测量直流电压时，一定要注意表的内阻对被测电路的影响，否则将可能产生较大的测量误差。3．用零示法测量直流电压为了减小由于模拟式万用表内阻不够大而引起的测量误差，可用如图5.20所示的零示法。图5.20零示法测量直流电压4．用电子电压表测量直流电压一般在放大-检波式的电子电压表中，为了提高电压表的内阻，都采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度。5．用示波器测量直流电压6．微安法测量直流电压为了准确地测量大电压中的微小变化量，可以用微差法来测量。微差法和零示法都是减小系统误差的典型技术。7．含交流成分的直流电压的测量对于含交流成分的直流电压的测量一般采用模拟式电压表的直流挡测量。（1）模拟式万用表测量交流电压。测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。可以用它直接测量两点之间的交流电压。5.5.2交流电压的测量交流电压的测量一般可分为两大类，一类是具有一定内阻的交流信号源，另一类是电路中任意一点对地的交流电压。交流电压的常用测量方法有电压表法和示波器法。交流电压表分为模拟式与数字式两大类。（2）示波器测量交流电压。用示波器法测量交流电压与电压表法相比具有如下优点：①速度快②能测量各种波形的电压。③能测量瞬时电压。④能同时测量直流电压和交流电压。1．电平的概念电平是指两功率或电压之比的对数，有时也表示两电流之比的对数，单位为贝尔（Bel）。在实际应用时，常用贝尔的十分之一作为单位，称为分贝，用“dB”表示。常用的电平有功率电平和电压电平两类，它们各自又可分为绝对电平和相对电平两种。（1）绝对功率电平LP。以600W电阻上消耗1mW的功率作为基准功率，任意功率与之相比的对数称为绝对功率电平。5.5.3分贝的测量（2）相对功率电平。任意两功率之比的对数称为相对功率电平。（3）相对功率电平与绝对功率电平之间的关系为PL0AAPPAPBB0B10lg10lg()(dB)PPPLLLPPP（4）绝对电压电平LU。当600W电阻上消耗1mW的功率时，600W电阻两端的电位差为0.775V，此电位差称为基准电压。任意两点电压与基准电压之比的对数称为该电压的绝对电压电平.（5）相对电压电平。任意两电压之比的对数称为相对电压电平。UL（6）绝对电压电平与相对电压电平的关系为AAUUAUBBB0.77520lg20lg()(dB)0.775UULLLUU（7）绝对电压电平与绝对功率电平的关系为2x2xxxP20x60010lg10lg10lg()10lg0.775(0.775)600UPRULPRUx60010lgLR表5.2显示了分贝、绝对功率电平和绝对电压电平之间数值的对应关系。表5.2dB4020630-3-6-20-40LP100001004211/21/41/1001/10000LU1001021.41/21/1.41/21/101/1002．采用电平概念的意义电平的测量实际上也是电压的测量。电平刻度是以1mW功率消耗于600Ω电阻为零分贝进行计算的，即0dB＝0.775V。电平量程的扩大实质上也是电压量程的扩大，电压量程扩大N倍时，电平增加20lgN。NNUULxxUlg20775.0lg20775.0lg20取零刻度的基准阻为Z0=600Ω，即0dB刻度相当于阻抗两端电压等于0.775V。当Ux0.775V时，测量所得dB值为正；当Ux0.775V时，测量所得dB值为负。3．电平与电压的关系4．分贝的测量方法和刻度1．非线性失真和线性失真线性失真又称为频率失真，是由于器件内部电抗效应和外部电抗元件的存在，使得电路对同一信号中不用的频率分量的传输系数不同或相位移不同而引起的。线性失真一般采用频率特性来描述。非线性失真是由于器件的非线性引起的。两种失真的区别在于非线性失真使得电路的输出信号中产生了不同于输入信号的新的频率成分；线性失真则不会产生新的频率成分。非线性失真一般用非线性失真系数来描述。5.5.4失真度的测量非线性失真系数，也称为失真度，可以衡量非线性失真的大小。定义为%100UUUU122322n＋＋＝式中γ——失真度；U1——基波分量电压的有效值；U2、U3、Un——各次谐波分量的电压有效值。2．非线性失真系数的定义常先求非线性失真系数γ0，再算出失真度γ。γ0定义为被测信号中各次谐波电压有效值与被测信号电压有效值之比的百分数。%1002232221223220UUUUUUUnn可以证明，与的关系为02001（1）连接图。测量信号源的失真度时，直接将信号源输入失真度仪进行测量；测量电路或设备的失真时，需采用一个低失真的正弦信号源作为被测电路的激励源，如图5.21所示。（2）失真度测量仪的组成框图。一个简单的失真度测试仪组成框图如图5.22所示。失真度测试仪由输入电路、带阻滤波器和电压表组成。3．抑制基波法测量非线性失真图5.21失真度测量仪器的连接图5.22简单的失真度测试仪框图用失真度测量仪测量非线性失真系数时应注意以下几点：①测量时，应最大限度地滤出基波成分。因此要反复调节带阻滤波电路中的调谐、微调和相位旋钮。②测量电路的非线性失真系数时，应在被测电路的通频带范围内选择多个频率测试点进行多次测试；选择的测试点除了应包括上、下截止频率外，还应在中间频率段选择几个测试点，然后逐一进行非线性失真系数的测试，最后取其中最大的一个非线性失真系数值作为被测电路的非线性失真系数。4．测量注意事项③如果测试用信号源输出信号的非线性失真系数不可忽略，则被测电路的实际非线性失真系数可近似等于被测电路输出信号的非线性失真系数减去其输入信号的非线性失真系数。④测量时，可用示波器进行监视，可以判断有无失真和有无干扰信号存在。对于一个放大器，如将其输入端短路，即在输入信号为零时，