电子测量技术-第4章-数字测量方法

电子测量原理第1页第4章数字测量方法用数字显示测量结果优点很多4.1电压测量的数字化方法4.2直流数字电压表4.3多用型数字电压表4.4频率的测量4.5时间的测量4.6相位的测量电子测量原理第2页第4章数字测量方法4.1电压测量的数字化方法数字电压表（DigitalVoltageMeter，简称DVM）。输入电路A/D转换器数字显示器逻辑控制电路时钟发生器模拟部分数字部分Vx图(4.1.1)组成框图分类：逐次逼近、V/F、双斜(多斜)积分、脉宽等。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。输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。A/D转换器(ADC），实现模拟电压到数字量的转换。电子测量原理第3页4.1电压测量的数字化方法电子测量原理第4页4.1.1DVM的特点DVM的特点主要体现在性能指标上完整显示位：能够显示0~9的数字。非完整显示位(俗称半位)：在首位上只能显示0和1。如4位半DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999。而位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，首位非完整显示位可以显示01，其最大显示数字为19999。214还有一种（4又4分之3位）DVM，具有4位完整显示位，首位非完整显示位可以显示05，其最大显示数字为59999。4341、数字显示（位数）数字显示可以消除指针表的视觉误差。4.1电压测量的数字化方法电子测量原理第5页2、准确度（精度）高取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差(温度)。固有误差表达式(第2章用过)：V=(%Vx+%Vm)由两部分构成，式中参数和误差分量定义为：读数误差：%Vx与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差：%Vm与当前读数无关，只与选用的量程有关。示值（读数）相对误差为：xmxmxxVVVVVVV%%%%Vx—被测电压的读数值；Vm—该量程的满度值；—误差的相对项系数；—误差的固定项系数。4.1.1DVM的特点电子测量原理第6页测量精度（续）有时将%Vm等效为“±n字”的电压量表示，即：V=(%Vx+n字)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：xmxmVVVV%005.0%01.0%%如某台4位半DVM，说明书给出基本量程为2V，V=(0.01%读数+1字)。则在2V量程上1字=0.1mV，由%Vm=%2V=0.1mV可知，%=0.005%，应当注意：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。4.1.1DVM的特点电子测量原理第7页3、测量范围（量程）基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减扩展量程。如基本量程为10V的DVM，可扩展出100mV、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、2000V等五档量程。4、分辨力（率）高（1）分辨力：指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。4.1.1DVM的特点电子测量原理第8页[例]3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字,即：当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”。（2）分辨率：用百分数表示分辨的能力。分辨率与量程无关，比较直观。如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力为0.1mV，0.1mV100%0.05%200mV则分辨率为：其它量程也一样。分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分1100%0.05%2000辨率为：4.1.1DVM的特点电子测量原理第9页对于交流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。并联电容将影响DVM的频率响应，上限频率通常在几十几百KHz。6、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10MΩ1000MΩ之间。5、测量速度快每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒几十次/秒。4.1.1DVM的特点电子测量原理第10页7、抗干扰能力强干扰是对有用被测信号的扰动，当被测信号微弱时,其影响尤为严重。提高抗干扰能力对于高分辨力的DVM更为重要。通常存在串模干扰和共模干扰。对这两种干扰的抑制是复杂的。4.1.1DVM的特点电子测量原理第11页抑制串模干扰的能力用串模抑制比表示：)1.1.4()(log20maxdBUUSMRsmp干扰峰值示值误差RSM越大越好，通常比值在101000倍（2060dB）。（1）串摸干扰指干扰Usm串接在测量回路中（图4.1.2）。起因：可能来自于被测信号源本身，如直流稳压电源输出就存在纹波干扰（图4.1.3）；也可能从测量引线感应进来的50Hz工频干扰（主要的）或高频干扰。干扰源的频率：可从直流低频超高频；干扰信号的波形：周期性的或非周期性的（雷电）；正弦波或非正弦波；甚至是随机的。干扰信号Usm被测电压UxHLDVM图4.1.2/3ux4.1.1DVM的特点电子测量原理第12页)2()sin(sin)2sin(2sin2]cos)[cos()sin(111111111011smsmsmsnsmpsmpsmpTsmpsmTTTTTTTUTTTUTTUdttUTU当T1是Tsm的整数倍即n=0,1,或n-=0时，串模干扰完全被抑制，这是串模干扰抑制的理论依据，依串模抑制比定义则:设被测电压Ux上叠加串模干扰Usm，即ux=Ux+Usmpsint,若以积分式DVM为例。对ux定时(T1)积分后的输出为：)()(1101smxTsmxcmUURCTdtUURCU可见，串模干扰以其平均值对测量结果产生误差Usm。其平均值为：nnnnUUUUUUSWRsmpsmpsmsmpsmpsinlg20/sinlg20lg20lg20maxmax)()sin(sin1smsmpTTnnnnU电子测量原理第13页4.1.1DVM的特点)(sinlg20lg201maxsmsmpTTnnnUUSWR当T1一定时，若Tsm愈小（干扰信号频率愈高），则SMR愈大；反之，则SMR愈小；因此，串模干扰的最大危险在低频，而50Hz(Tsm=20ms)工频干扰最严重。积分式DVM中的串模干扰抑制措施：以50Hz工频干扰为例，讨论相应的抑制措施。（1）取定时积分时间T1为工频周期(Tsm=20ms)的整数倍，即T1＝20ms，40ms，80ms，100ms等，这通过定时器（对标准时钟信号分频）即可简单实现。（2）考虑到50Hz工频由于受电网波动其频率是变化的，因此，需使积分时间T1跟随工频频率自动调整变化。选择干扰信号的初相角：使初相角=0（对工频干扰信号作过零检测）。综合(1)(2)用工频作时钟，再分频作为积分时间T1。电子测量原理第14页4.1.1DVM的特点（2）共模干扰图4.1.4UxR1R2RcUccmRsHLGZ1I1I2DVM(机壳)Z2指干扰Ucm存在两地之间。抑制共模干扰的能力用共模抑制比表示：)(log20maxdBUUCMRcmp22222)(log20RIZRRIC)3.1.4(log2022RZ大比值好，通常在2104106倍或86120dB。（2）被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）。如测量一个直流电桥的输出。HLDVM+EUcm起因：（1）被测电压与DVM相距较远，被测电压与DVM的参考地电位不相等，将引起测量时的共模干扰。电子测量原理第15页[例]一只DVM，Z2=109Ω//1000pF，分别计算直流和50Hz交流时的共模抑制比。导线电阻R2取标称值1kΩ.图4.1.4UxR1R2RcUccmRsHLGZ1I1I2DVM(机壳)Z2dBCfRRZCMR7010502101log2021log20log2093222[解]对直流共模干扰dBRZCMR1201010log20log203922CjCjRZ11122对交流共模干扰下的可见CMR(交)CMR(直)，随着干扰信号频率的提高，CMR还要减小。特点：共模干扰电压分直流和交流两类。干扰电压可能很大如上百上千伏。电子测量原理第16页4.1电压测量的数字化方法4.1.2DVM的主要类型测量直流电压通常采用高精度低速A/D转换器，A/D转换器主要分积分型和非积分型两类(数电里讲过)。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。积分式最为常用。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。通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。通过电流电压、阻抗电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能，构成多用表。基于微处理器的智能化数字多用表。其功能更全，性能更高，有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口。电子测量原理第17页设Ux=8.5V，用UN前4项(5、2.5、1.25、0.625)“凑试”逼近Vx的过程:设基准电压为UN=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。UN可分解为：VUUUUUNNNNN10625.025.15.25161814121细分可无限逼近，如只取前4项，则最大误差为9.37510=0.625V。若用UN的前8项，需8步8位，精度为UN/28。步骤搜索比较弃留数字1558.5保留100022.57.58.5保留110031.258.758.5弃舍110040.6258.1258.5保留11014.1.2DVM的类型1、逐次比较型DVM的工作原理（数电讲过）（1）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”和“凑试”的策略逐步缩小Vx未知范围的办法。电子测量原理第18页1、逐次比较型DVM的工作原理SAR启动后在时钟下由MSB向LSB逐位置1，SAR的初值为100，SAR输出经D/A转换后的Uo与Ux比较，若UxUo比较器输出1则保留(设i位)置1，否则弃舍i位置1并置i1位为1，直至LSB。最后SAR输出数字为N的A/D转换结果已逼近Ux，此时Ux=N∙UN/2n。该式还可写成Ux=N∙e，其中e=UN/2n称为A/D转换器的刻度系数或LSB的“V/字”或“单位电压”，表示了A/D转换器的分辨力。逐次逼近移位寄存器(SAR)D/A转换器Ux+比较器CLKTSART2-12-nMSBLSBUNA/D转换结果(N位)（2）工作原理1(UxUo)0(UxUo)Uo时钟启动最低位最高位基准电压被测电压图4.1.6电子测量原理第19页1、逐次比较型DVM的工作原理N＝(1101)2＝13，即Ux=(1101)2(10V/24)=8.125V单片逐次比较式ADC：常见产品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。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Ux＝8.5V，UN＝10V，当用UN