电压测量(part3)

第五章电压测量part35.6比较式A/D转换器分为:比较式A/D反馈比较式直接比较式逐次比较式余数循环比较式A/D并联比较式分级式（流水线式）5.6.1逐次逼近比较式A/D转换器1.物理思想：对分搜索图5.45天平示意图8盘1未知重量Wx盘2指示标尺214砝码图5.46对分搜索过程示意图0弃弃留留110846WD/A转换器图5.48D/A转换原理图R1000→8V10Kd1_R2R4R8RUo+Urd2d3d40100→4VK4K1K2K3D输入数字寄存器......数字位模拟开关基准电压源权电阻网络放大器运算图5.49D/A转换原理框图U0与原理电路对应得一般性原理框图)2222(44332211ddddUUFSO（5.58）例如，设UFS=16v，当输入数码为“0110”时，输出电压为12341116(02121202)16(00)648OUv)222(2211nnFSOdddUU（5.59）型号位数建立时间线性度功耗DAC083281μS0.2200mW5G752010500μS0.0550mWMX7541120.6μS450mWDAC7644EB1610μS15mW表5.9常用的逐次逼近比较式A／D变换器型号位数通道数输入电压范围转换时间功耗ADC0809880~5V100μS15mWADC08168160~5V100μSAD5741210~5V15μSADS78051610~5V100μS100mW逐次逼近，只能逼近，不能完全与被测电压相等。若要减小误差，只有增加位数。但位数增加，电路复杂，成本提高，关键是末位比较电压太小易受干扰噪声影响以至无法工作。5.6.3并联比较式A/D转换器（flashADC）并联比较式是转换速度最快的一种A/D转换器，最高采样速率可达1000MSps。（像“闪烁”那样快，俗称闪烁型）表5.11输入电压与比较器输出电平的关系图5.51并联比较式A/D原理图RRRRErUitctbb2C1C2C3+++___编码器b1输入模拟电压比较器编码器Ui(V)C3C2C1Bb2b1Ui0.25000000.25Ui0.5001010.5Ui0.75011100.75Ui11111并联比较式A/D转换器的优缺点如下：(1)由于采用同时比较方式，因此它是一种速度最快的A/D，转换时间可达10ns。(2)转换时间为固定值，不随输入电压的改变而变化型号位数采样速率输入电压比较器数AD90028150MSpsECL电平255AD90201060MSps±1.75V512（特技）AD90166500MSpsECL电平63ADC-833615MSps2.5V～10V63表5.12并联比较式A/D产品(3)电路复杂，需要的元器件多，需要2n-1个比较器。例如，要得到8比特的分辨力，则需要255个比较器。在数字示波器、瞬态信号测试、视频图象采集等领域获得广泛应用。上述并行比较式A/D转换器速度很高，但分辨率只有6~10位，再提高位数用集成工艺制造也很困难。解决高速、高分辨率ADC的一种设计思想是将两个（或多个）低分辨率的并行比较式ADC组合起来，合并一个高分辨率的ADC。研究：如何使精度↑，位数↑而比较器不是很多的方案。表5.13各类模数转换器的比较类型并行比较型分级型逐次逼近型∑－Δ型积分型VFC型主要特点超高速高速速度精度价格等综合性价比较高高分辨率高精度高精度低成本高抗干扰能力低成本高分辨率分辨率(位)6～108～168～1616～2412～168～16转换时间几十nS几十～几百nS几～几十μS几～几十mS几十～几百mS几十～几百mS采样频率几十MSps几MSps几十～几百kSps几十kSps几～几十Sps几～几十Sps价格高高中中低低主要用途超高速视频处理视频处理高速数据采集数据采集工业控制音频处理数字仪表数字仪表数字仪表简易ADC5.7数字多用表DMM数字多用表DMM(DigitalMultiMeter)是具有测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻等多种功能的数字测量仪器。直流数字电压表AC－DCI－VDCΩ－VDCUmIxRxU∽图5.55数字多用表方框图5.7.1交流—直流(AC—DC)转换器TidtuTU021被测信号ui送入到X、Y输入端，从XY／Z端输出的电压经平均值电路(有源低通滤波器)再送回Z输入端，故直流输出电压为+XYXY/ZZRC－Uoui2ui2uiUoUo图5.56均方根法的AC-DC转换器oioUuU22iouU（5.63）真有效值5.7.2电流-电压（I-U）转换器Ix=Uo/RfR1R2R3Rsuo－+ixRf+－ixuo图5.57大信号电流－电压转换电路图5.58基本电流－电压转换电路（5.64）5.7.3电阻—电压(Ω—V)转换器当在被测的未知电阻Rx中流过已知的恒定电流IS时，在RX上产生的电压降为U＝RxIs，故通过恒定电流可实现Ω—V转换。ErRsRxuo－+AIsOxSURI5.7.4数字多用表的发展简况台式DMM的位数较多，精度及自动化程度较高。各厂家都有自己的专利技术，近年已做到8位的极限精度。表5.16列出了21几种具有代表性的台式DMM的主要性能。表5.16几种台式的DMM主要性能型号公司位数精度方案带微处理机接口8500A/8503AFluke(美)5,6c0.001%+6误差加减型再循环余方式有1.IEE-4882.RS-232B/C3.比特并行7065SOCLARTRON(英)60.001%±4脉冲宽度调制式有1.GP-IB2.RS-232C比特3.比特并行3455AHP(美)5,6c±0.005%多斜式有HP-IB5900RACALDANA(美、英)5±0.001%延时式双积分有GB-IB2002KEITHELY81/210nV有GBIB5.8数字电压表的误差与干扰γ0a%a%b%UxUXLb%UmUXL(b)VxUXLa%×UXLb%×UXL(a)0∆)%%(mxUbUa5.8.1数字电压测量误差公式形式1)%%(mxUbUa形式2)%(dUaxxmxUUbaU%%1、采用某电压表（正弦有效值刻度）测量峰值相等（Vp=5V）的正弦波、方波、三角波，发现读数相同，则该表为____检波方式，读数____。2、某数字电压表的最大计数容量为19999，通常称该表为________位数字电压表；若其最小量程为0.2V，则其分辨力为________。•3、一台5位DVM，其基本量程为10V，则其刻度系数（即每个字代表的电压值）为_____mv/字。•4、一台5位半DVM，其基本量程为2V，则其刻度系数（即每个字代表的电压值）为_____mV/字。•二、判断题：•1、对双积分式DVM来说，串模干扰的最大危险在低频。（）•2、数字电压表的固有误差由两项组成，其中仅与被测电压大小有关的误差叫读数误差，与选用量程有关的误差叫满度误差。（）•3、峰值电压表按有效值刻度，它能测量任意波形电压的有效值。（）•4、双斜式DVM中，其平均特性可以抑制共模干扰影响。（）•三、选择题：•1、交流电压的波峰因素Kp定义为____。•A:峰值/平均值B:有效值/平均值C:峰值/有效值D:平均值/峰值•2、波形因素为______。•A:平均值与有效值之比B:有效值与平均值之比C:峰值与平均值之比D:峰值与有效值之比•3、一台4位半的DVM，因有误差为•±（0.01%Ux+1字），则在2V量程上的满度误差为（）。•A:±1mVB:±2mVC:±0.1mVD:±0.2mV•3、在双斜式积分DVM中，积分过程可简述为____。•A:对被测信号定斜率正向积分，对基准电压定时反向积分B:对被测信号定时正向积分，对基准电压定斜率反向积分C:对被测信号定时正向积分，对基准电压定时反向积分D:对被测信号定斜率正向积分，对基准电压定斜率反向积分•四、简答题•1、双斜积分式DVM基准电压Vr=10V，第一次积分时间T1=100ms，时钟频率f0=100kHz，问：（1）该DVM为多少位的电压表？（2）该DVM的分辨力为多少？（3）DVM显示出T2时间内的计数值N2=5600，问被测电压Vx=?•2,甲、乙两台DVM，甲的显示器显示的最大值为9999，乙为19999，问：•（1）它们各是几位的DVM，是否有超量程能力？•（2）若乙的最小量程为200mV，其分辨率为多少？•若乙的固有误差为，分别用2V和20V档测量电压时，绝对误差和满度相对误差各为多少？•3逐次逼近比较式DVM和双积分式DVM各有哪些特点？各适用于哪些场合？•逐次逼近比较式DVM的特点：•（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以及D/A转换器的位数（3）由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，抗干扰能力较差。逐次逼近比较式DVM多用于多点快速检测系统中•双积分式DVM的特点：•（1）它通过两次积分将电压转换成与之成正比的时间间隔，抵消了电路参数的影响。（2）积分器时间可选为工频的整数倍，抑制了工频干扰，具有较强的抗干扰能力。（3）积分过程是个缓慢的过程，降低了测量速度，特别是为了常选积分周期，因而测量速度低。双积分式DVM适用于灵敏度要求高,测量速度要求不高,有干扰的场合•4、用正弦有效值刻度的均值电压表测量正弦波、方波和三角波，读数都为1V，三种信号波形的有效值为多少？•先把=1V换算成正弦波的平均值。•按“平均值相等则读数相等”的原则，方波和三角波电压的平均值也为0.9V，然后再通过电压的波形因数计算有效值。•VKUUF9.011.11~~~VUKUF19.011.1正弦波正弦波正弦波VUKUF9.09.01方波方波方波VUKUF04.19.015.1三角波三角波三角波5、欲测量失真的正弦波，若手头无有效值电压表，只有峰值电压表和均值电压表可选用，问选哪种表更合适些？为什么？•利用峰值电压表测失真的正弦波时可能产生非常大的误差。因为峰值检波器对波形响应十分敏感，读数刻度不均匀，它是在小信号时进行检波的，波形误差可达30％左右。若用均值电压表测量波形误差相对不大，它是对大信号进行检波，读数刻度均匀。所以，选用均值电压表更合适。