1、電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第七章,1,第7章 電壓測(cè)量,2,7.1 概述,7.1.1 電壓測(cè)量的意義、特點(diǎn) 1)電壓測(cè)量的重要性 闡述電壓測(cè)量的意義、重要性及應(yīng)用。 2)電壓測(cè)量的特點(diǎn) 從電壓測(cè)量的頻率、范圍、要求等方面闡述其特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也反映了電子測(cè)量的主要特點(diǎn)。,3,1)電壓測(cè)量的重要性 電壓測(cè)量是電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ)； 電測(cè)量中，許多電量的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量： 表征電信號(hào)能量的三個(gè)基本參數(shù)：電壓、電流、功率 其中：電流、功率電壓，再進(jìn)行測(cè)量 飽和與截止，線性度、失真度電壓表征 非電測(cè)量中，物理量電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量 如：溫度、壓力、振動(dòng)、(加)速度,4,2)電壓測(cè)量的特點(diǎn) 1.頻率范圍廣：

2、零頻(直流)109Hz 低頻：1MHz以下；高頻(射頻)：1MHz以上。 2.測(cè)量范圍寬 微弱信號(hào)：心電醫(yī)學(xué)信號(hào)、地震波等,納伏級(jí)(10-9V)； 超高壓信號(hào)：電力系統(tǒng)中，數(shù)百千伏。 3.電壓波形的多樣化 電壓信號(hào)波形是被測(cè)量信息的載體。 各種波形：純正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；隨機(jī)噪聲。,5,2)電壓測(cè)量的特點(diǎn) 4.阻抗匹配 在多級(jí)系統(tǒng)中，輸出級(jí)阻抗對(duì)下一輸入級(jí)有影響。 直流測(cè)量中，輸入阻抗與被測(cè)信號(hào)源等效內(nèi)阻形成分壓，使測(cè)量結(jié)果偏小。 如：采用電壓表與電流表測(cè)量電阻： 當(dāng)測(cè)量小電阻時(shí)，應(yīng)采用電壓表并聯(lián)方案； 當(dāng)測(cè)量大電阻時(shí)，應(yīng)采用電流表串聯(lián)方案。 交流測(cè)量中，輸入阻抗的不匹

3、配引起信號(hào)反射。,6,2)電壓測(cè)量的特點(diǎn) 5.測(cè)量精度的要求差異很大10-1至10-9。 6.測(cè)量速度的要求差異很大 靜態(tài)測(cè)量：直流(慢變化信號(hào)),幾次/秒; 動(dòng)態(tài)測(cè)量：高速瞬變信號(hào),數(shù)億次/秒(幾百M(fèi)Hz) 精度與速度存在矛盾，應(yīng)根據(jù)需要而定。 7.抗干擾性能 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，存在較大的干擾。,7,7.1 概述,7.1.2 電壓測(cè)量的方法和分類 按對(duì)象：直流電壓測(cè)量；交流電壓測(cè)量 按技術(shù)：模擬測(cè)量；數(shù)字測(cè)量 1)交流電壓的模擬測(cè)量方法 表征交流電壓的三個(gè)基本參量：有效值、峰值和平均值。以有效值測(cè)量為主。 方法：交流電壓(有效值、峰值和平均值)直流電流驅(qū)動(dòng)表頭指示 有效值、峰值和平均值電壓表，

4、電平表等。,8,7.1.2 電壓測(cè)量的方法和分類 2)數(shù)字化直流電壓測(cè)量方法 模擬直流電壓A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量數(shù)字顯示(直觀) 數(shù)字電壓表(DVM)，數(shù)字多用表(DMM)。 3)交流電壓的數(shù)字化測(cè)量 交流電壓(有效值、峰值和平均值)直流電壓A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量數(shù)字顯示 DVM(DMM)的擴(kuò)展功能。,9,7.1.2 電壓測(cè)量的方法和分類 4)基于采樣的交流電壓測(cè)量方法 交流電壓A/D轉(zhuǎn)換器瞬時(shí)采樣值u(k)計(jì)算，如有效值 式中，N為u(t)的一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。 5)示波測(cè)量方法 交流電壓模擬或數(shù)字示波器顯示波形讀出結(jié)果,10,7.2 電壓標(biāo)準(zhǔn),7.2.1 直流電壓標(biāo)準(zhǔn) 電壓和電阻是電磁學(xué)中的兩個(gè)

5、基本量。 電壓基準(zhǔn)和電阻基準(zhǔn)其他電磁量基準(zhǔn)。 電壓標(biāo)準(zhǔn)有： 標(biāo)準(zhǔn)電池(實(shí)物基準(zhǔn)， 10-6)； 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) (固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)， 10-6)； 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) (量子化自然基準(zhǔn)，10-10)。 電阻標(biāo)準(zhǔn)有： 精密線繞電阻(實(shí)物標(biāo)準(zhǔn))； 霍爾電阻基準(zhǔn)(量子化自然基準(zhǔn)，10-9)。,11,1. 標(biāo)準(zhǔn)電池 原理：利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動(dòng)勢(shì)（1.01860V）。有飽和型和不飽和型兩種類型。 飽和型特點(diǎn)：電動(dòng)勢(shì)非常穩(wěn)定（年穩(wěn)定性可小于0.5V，相當(dāng)于510-7），但溫度系數(shù)較大（約40V/）。用于計(jì)量部門恒溫條件下的電壓標(biāo)準(zhǔn)器。 不飽和型特點(diǎn)：溫度系數(shù)很?。s4V/），但穩(wěn)定性較差。用于一般工作

6、量具，如實(shí)驗(yàn)室中常用的便攜式電位差計(jì)。,12,1. 標(biāo)準(zhǔn)電池 使用中應(yīng)注意： 1）不能傾倒；不能震動(dòng)、沖擊（不易運(yùn)輸）。 2）溫度修正（特別是對(duì)飽和型）。 “溫度電動(dòng)勢(shì)”修正公式 ： 式中，Et、E20分別為t（使用時(shí)的溫度）和20（出廠檢定時(shí)溫度）時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì) 。 3）標(biāo)準(zhǔn)電池存在內(nèi)阻，儀表輸入電阻應(yīng)較大,13,2. 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) 原理：利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電子式電壓標(biāo)準(zhǔn)（也稱為固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)）。 齊納管的穩(wěn)壓特性仍然存在受溫度漂移的影響，采用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部恒溫控制電路可使其溫度系數(shù)非常小 。 將齊納管與恒溫控制電路集成在一起的精密電壓基準(zhǔn)源，如LM199/299/399、

7、REF系列。,14,2. 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) 為克服輸出電壓的波動(dòng)，還可將多個(gè)精密電壓基準(zhǔn)源并聯(lián)，得到它們的平均值。,15,2. 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) 為克服輸出電壓的波動(dòng)，還可將多個(gè)精密電壓基準(zhǔn)源并聯(lián)，得到它們的平均值。 右圖中，假設(shè)運(yùn)放是理想的， 則流入運(yùn)放同相端電流I+=0，即 若R1=R2=R3=R4，則 而輸出電壓,16,2. 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn) 齊納管電壓標(biāo)準(zhǔn)器整機(jī)輸出電壓有： 10V、1V和1.0186V。 10V輸出便于檢定和傳遞到高電壓，且運(yùn)輸、保存和使用方便。 如WUK7000系列直流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)： 10V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá)0.510-6 ； 1V和1.018V輸出的年穩(wěn)定性可達(dá)到210

8、-6，溫度系數(shù)為0.0510-6。,17,3. 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) 原理 基于約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)的量子電壓基準(zhǔn) 約瑟夫森效應(yīng) 約瑟夫森隧道結(jié)：在兩塊相互隔開（約10埃的絕緣層）的超導(dǎo)體之間，由于量子隧道效應(yīng)，超導(dǎo)電流（約mA量級(jí)）可以穿透該絕緣層，使兩塊超導(dǎo)體之間存在微弱耦合，這種超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（SIS）結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫森隧道結(jié)。 約瑟夫森效應(yīng)：當(dāng)在約瑟夫森結(jié)兩邊加上電壓V時(shí)，將得到穿透絕緣層的超導(dǎo)電流，這是一種交變電流，這種現(xiàn)象稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。,18,3. 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) 約瑟夫森效應(yīng) 即：電壓V 約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)電流。 超導(dǎo)交變電流的頻率為： 式中：e為電

9、子電荷，h為普朗克常數(shù)，因而KJ為一常數(shù)。當(dāng)電壓V為mV量級(jí)時(shí)，頻率f相當(dāng)于厘米波。 逆效應(yīng)：若將約瑟夫森結(jié)置于微波場(chǎng)中（即用微波輻射到處于超導(dǎo)狀態(tài)下的約瑟夫森結(jié)上）時(shí)，將在約瑟夫森結(jié)上得到量子化階梯電壓Vn。即：微波（頻率f）約瑟夫森結(jié)量子化階梯電壓Vn（第n個(gè)階梯）。,19,3. 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) 約瑟夫森電壓基準(zhǔn) 根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)： 由穩(wěn)定的頻率（f）確定電壓V。 即：通過時(shí)間（頻率）單位得到量子化電壓基準(zhǔn)。 量子化電壓基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度可接近時(shí)間（頻率）準(zhǔn)確度。 國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的建議： 從1990年1月1日開始，在世界范圍內(nèi)同時(shí)啟用了約瑟夫森電壓量子基準(zhǔn)（JJAVS，10-10）。并給出

10、 KJ-90=483597.9GHz/V。,20,3. 約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) 約瑟夫森結(jié)陣（JJA） 約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的量子電壓較低（mv級(jí)）。 在一個(gè)芯片上將成千上萬(wàn)個(gè)或更多的約瑟夫森結(jié)串聯(lián) 得到約瑟夫森結(jié)陣（JJA），可產(chǎn)生1V至10V的電壓 。 我國(guó)的約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn) 由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)量子部建立。 1993年底，1V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，測(cè)量不確定度達(dá)到610-9 ； 1999年底，10V約瑟夫森結(jié)陣電壓基準(zhǔn)，合成不確定度為5.410-9(1) 。 應(yīng)用：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電池、固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞，高精度數(shù)字多用表等的計(jì)量檢定，測(cè)量不確定度為1E-8)。,21,7.2 電壓標(biāo)準(zhǔn),

11、7.2.1 交流電壓標(biāo)準(zhǔn) 原理 由直流電壓標(biāo)準(zhǔn)建立。因而，需經(jīng)過交流-直流變換。 測(cè)熱電阻橋式高頻電壓標(biāo)準(zhǔn) 基本原理：將高頻電壓通過一電阻（稱為測(cè)熱電阻，如熱敏電阻），該電阻由于吸收高頻電壓功率，其阻值將發(fā)生變化，再將一標(biāo)準(zhǔn)直流電壓同樣施加于該電阻，若引起的阻值變化相等，則高頻電壓的有效值就等于該直流電壓。 雙測(cè)熱電阻電橋的原理圖,22,雙測(cè)熱電阻電橋,23,雙測(cè)熱電阻電橋 如圖：標(biāo)準(zhǔn)電阻（如R=200）組成三個(gè)橋臂，兩個(gè)完全相同的測(cè)熱電阻RT（如RT=100）組成一個(gè)橋臂。 測(cè)量過程 1.電橋置于“DC”（直流）。 調(diào)節(jié)直流電壓源到V0，使電橋平衡， 則測(cè)熱電阻2RT= R。 2.置于“RF

12、”（射頻，即高頻電壓，設(shè)有效值為VRF）。 此時(shí)，測(cè)熱電阻上同時(shí)施加有交流和直流功率，兩測(cè)熱電阻RT對(duì)交流為并聯(lián)，對(duì)直流為串聯(lián)。 再次調(diào)節(jié)直流電壓源到V1，使電橋平衡。,24,雙測(cè)熱電阻電橋 測(cè)量過程 由兩次電橋平衡關(guān)系，有 即高頻電壓有效值為：,25,對(duì)上述電路的要求 兩個(gè)測(cè)熱電阻的一致性好（阻值和溫度特性相同）； 檢流計(jì)要非常靈敏（特別是測(cè)量小的高頻電壓時(shí)）； 隔直電容C應(yīng)保證滿足： ，使交流功率在電容C上的損耗可以忽略。 測(cè)熱電阻電橋的缺點(diǎn) 測(cè)熱電阻對(duì)環(huán)境溫度敏感，操作較復(fù)雜； 一般不能直接讀數(shù)（需換算）。 準(zhǔn)確度：若直流電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度為10-5，則得到的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度可達(dá)10-3

13、。 應(yīng)用：對(duì)模擬電壓表檢定。,26,7.3 交流電壓的測(cè)量,7.3.1 表征交流電壓的基本參量 峰值、平均值、有效值、波峰因數(shù)和波形因數(shù)。 峰值 以零電平為參考的最大電壓幅值（用Vp表示 ）。 注：以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅，（通常用Um表示）。,27,平均值（均值） 數(shù)學(xué)上定義為： 相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。 交流電壓測(cè)量中，平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形（一般若無(wú)特指，均為全波整流）： 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,28,有效值 定義：交流電壓u(t)在一個(gè)周期T內(nèi)，通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量，與一個(gè)直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生

14、的熱量相等時(shí)，則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。 表達(dá)式： 直流電壓V在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q_=I2RT= 交流電壓u(t) 在T內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q= 由Q_= Q得， 有效值,29,有效值 意義：有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率，是表征交流電壓的重要參量。 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波峰因數(shù)和波形因數(shù) 波峰因數(shù)定義：峰值與有效值的比值，用Kp表示，,30,波峰因數(shù)和波形因數(shù) 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波形因數(shù)定義：有效值與平均值的比值，用KF表示 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)

15、=Vpsin(t)，若=2/T,31,波峰因數(shù)和波形因數(shù) 常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到： 如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73，KF=1.15； 鋸齒波：Kp=1.73，KF=1.15； 脈沖波：Kp= ，KF= ， 為脈沖寬度，T為周期 白噪聲：Kp=3（較大），KF=1.25。,32,7.3.2 交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析,1）交流/直流電壓（AC-DC）轉(zhuǎn)換原理 模擬電壓表的交流電壓測(cè)量原理： 交流電壓直流電流（有效值、峰值和平均值）驅(qū)動(dòng)表頭指示。 交流電壓有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換，稱為AC-DC轉(zhuǎn)換。由

16、不同的檢波電路實(shí)現(xiàn)。 峰值檢波原理 由二極管峰值檢波電路完成。有二極管串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。如下圖。,33,二極管峰值檢波電路 a.串聯(lián)式，b.并聯(lián)式，c.波形,34,二極管峰值檢波電路工作原理 通過二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值，而二極管反向截止時(shí)“保持”該峰值。 為此，要求： 式中，Rs和rd分別為等效信號(hào)源u(t)的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮瑁珻為充電電容（并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用），RL為等效負(fù)載電阻，Tmin和Tmax為u(t)的最小和最大周期。 從波形圖可以看出，峰值檢波電路的輸出存在較小的波動(dòng)，其平均值略小于實(shí)際峰值。,35,平均值檢波原理 由二極管橋式整流（全波整

17、流和半波整流）電路完成。 如圖，整流電路輸出直流電流I0，其平均值與被測(cè)輸入電壓u(t)的平均值成正比（與u(t)的波形無(wú)關(guān)） 電容C用于濾除整流后的交流成分，避免指針擺動(dòng),36,平均值檢波原理 以全波整流電路為例，I0的平均值為 式中，T為u(t)的周期，rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻，可視為常數(shù)（它反映了檢波器的靈敏度 ）。 于是，I0的平均值 與u(t)的平均值 成正比。,37,有效值檢波原理 利用二極管平方律伏安特性檢波 根據(jù) 為得到有效值,首先需對(duì)u(t)平方 小信號(hào)時(shí)二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系。 缺點(diǎn)：精度低且動(dòng)態(tài)范圍小。 因此，實(shí)際應(yīng)用中，采用分

18、段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路。,38,利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波 原理圖 通過多級(jí)運(yùn)算器級(jí)連實(shí)現(xiàn) 模擬乘法器（平方）積分開方比例運(yùn)算。 單片集成TRMS/DC電路，如AD536AK等。,39,利用熱電偶有效值檢波 熱電效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電效應(yīng)原理圖 當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)（即TT0），則存在熱電動(dòng)勢(shì)，且熱電動(dòng)勢(shì)的大小與溫差T=T-T0成正比。,40,利用熱電偶有效值檢波 熱電偶： 將兩種不同金屬進(jìn)行特別封裝并標(biāo)定后，稱為一對(duì)熱電

19、偶（簡(jiǎn)稱熱偶）。 熱電偶溫度測(cè)量原理： 若冷端溫度為恒定的參考溫度，則通過熱電動(dòng)勢(shì)就可得到熱端（被測(cè)溫度點(diǎn)）的溫度。 熱電偶有效值檢波原理： 若通過被測(cè)交流電壓對(duì)熱電偶的熱端進(jìn)行加熱，則熱電動(dòng)勢(shì)將反映該交流電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了有效值檢波。如下圖。,41,熱電偶有效值檢波原理圖 圖中，直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值V的關(guān)系：電流I熱電動(dòng)勢(shì)熱端與冷端的溫差，而熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，故，,42,表頭刻度線性化處理：采用兩對(duì)相同的熱電偶，分別稱為測(cè)量熱電偶和平衡熱電偶，如下圖。,43,上圖中，通過平衡熱偶形成一個(gè)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。 測(cè)量熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)ExV2，令Ex=k

20、1V2 ； 平衡熱偶的熱電動(dòng)勢(shì)EfVo2，及Ef =k2Vo2 ； 假如兩對(duì)熱偶具有相同特性，即k1=k2=k 則差分放大器輸入電壓Vi=Ex-Ef=k(V2- Vo2) ， 若放大器增益足夠大，則有Vi=0， Vo=V （即輸出電壓等于u(t)有效值）,44,有效值電壓表的特點(diǎn) 理論上不存在波形誤差，因此也稱真有效值電壓表（讀數(shù)與波形無(wú)關(guān)）。 比如，對(duì)非正弦波，可視為由基波和各次諧波構(gòu)成，若其有效值分別為V1、V2、V3、，則讀數(shù) 但實(shí)際有效值電壓表，下面兩種情況使讀數(shù)偏小：對(duì)于波峰因數(shù)較大的交流電壓波形，由于電路飽和使電壓表可能出現(xiàn)“削波” ；高于電壓表有效帶寬的波形分量將被抑制。它們都將

21、損失有效值分量。 缺點(diǎn)：受環(huán)境溫度影響較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴 實(shí)際應(yīng)用中，常采用峰值或均值電壓表測(cè)有效值。,45,7.3.2 交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析,2）峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 峰值響應(yīng)，即：u(t) 峰值檢波放大驅(qū)動(dòng)表頭 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的峰值Vp）。 對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)沒有直接意義（既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)換算出峰值和有效值。,46,刻度特性 由讀數(shù)換算出峰值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)想象為有效值等于的純

22、正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即 第二步，將V轉(zhuǎn)換為該純正弦波的峰值 第三步，假設(shè)峰值等于Vp的被測(cè)波形（任意波）輸入 ，即 注：“對(duì)于峰值電壓表，（任意波形的）峰值相等，則讀數(shù)相等” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波峰因數(shù)（查表可得），其有效值,47,刻度特性 上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下： 該式表明：對(duì)任意波形，欲從讀數(shù)得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)即為正弦波的有效值）。,48,刻度特性 綜上所述，對(duì)于任意波形而言，峰值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義，由讀數(shù)到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，為峰值電壓表讀數(shù)，為波峰因數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù)直接作為有效值

23、，產(chǎn)生的誤差。,49,7.3.2 交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析,3）平均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 原理 均值響應(yīng)，即：u(t) 放大均值檢波驅(qū)動(dòng)表頭 刻度特性 表頭刻度按（純）正弦波有效值刻度。因此：當(dāng)輸入u(t)為正弦波時(shí)，讀數(shù)即為u(t)的有效值V（而不是該純正弦波的均值）。 對(duì)于非正弦波的任意波形，讀數(shù)沒有直接意義（既不等于其均值也不等于其有效值V）。但可由讀數(shù)換算出均值和有效值。,50,刻度特性 由讀數(shù)換算出均值和有效值的換算步驟如下： 第一步，把讀數(shù)想象為有效值等于的純正弦波輸入時(shí)的讀數(shù)，即 第二步，由 計(jì)算該純正弦波均值 第三步，假設(shè)均值等于 的被測(cè)波形（任意波）輸

24、入 ，即 注：“對(duì)于均值電壓表，（任意波形的）均值相等，則讀數(shù)相等” 。 第四步，由 ，再根據(jù)該波形的波形因數(shù)（查表可得），其有效值,51,刻度特性 上述過程可統(tǒng)一推導(dǎo)如下： 上式表明，對(duì)任意波形，欲從均值電壓表讀數(shù)得到有效值，需將乘以因子k。（若式中的任意波為正弦波，則k=1，讀數(shù)即為正弦波的有效值）。,52,刻度特性 綜上所述，對(duì)于任意波形而言，均值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義，由讀數(shù)到峰值和有效值需進(jìn)行換算，換算關(guān)系歸納如下： 式中，為均值電壓表讀數(shù)，KF為波形因數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù)直接作為有效值，產(chǎn)生的誤差,53,7.3.2 交流/直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析,4）實(shí)例分析 例 用具

25、有正弦有效值刻度的峰值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值？ 解 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)=1.0V， 第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入，其有效值=1.0V； 第二步，該正弦波的峰值=1.4V； 第三步，將方波電壓引入電壓表輸入，其峰值Vp=1.4V； 第四步，查表可知，方波的波峰因數(shù)Kp=1，則該方波的有效值為：V=Vp/Kp=1.4V。 波形誤差為：,54,(可見若不換算，波形誤差是很大的),例 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓，讀數(shù)為1.0V，問該方波電壓的有效值為多少？ 解 根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性，由讀數(shù)=1.0V

26、， 第一步，假設(shè)電壓表有一正弦波輸入， 其有效值 =1.0V； 第二步，該正弦波的均值 =0.9=0.9V； 第三步，將方波電壓引入電壓表輸入， 其均值 0.9V； 第四步，查表可知，方波的波形因數(shù) =1，則該方波的有效值為: 0.9V 波形誤差為,55,例 有效值電壓表的有限帶寬對(duì)測(cè)量非正弦電壓時(shí)的波形誤差。設(shè)某有效值電壓表帶寬為10MHz，用該電壓表測(cè)量下圖所示方波電壓，計(jì)算由電壓表帶寬引起的波形誤差。 解 為求解電壓表帶寬引起的波形誤差，需要對(duì)輸入電壓表的方波電壓的諧波成分進(jìn)行分析。將方波電壓用付里葉級(jí)數(shù)表示為: 上式表示，方波電壓只含奇數(shù)次諧波分量，其總有效值應(yīng)為（基波與各次諧波有效值

27、幾何合成，并由 得）,56,由圖，該方波基波頻率為f1=1/T=1MHz，若電壓表帶寬為10MHz，則該方波就只有基波（1MHz）、3次（3MHz）、5次（5MHz）和9次諧波（9MHz）才能通過，而11次（11MHz）以上的諧波將被抑制。 此時(shí)，讀數(shù)值為: 若將上式的讀數(shù)值作為實(shí)際有效值，所產(chǎn)生的波形誤差為：,57,結(jié)論：有效值電壓表其有限帶寬對(duì)測(cè)量非正弦電壓時(shí)的波形誤差總是負(fù)值（讀數(shù)結(jié)果偏?。?，顯然，電壓表帶寬愈寬（可通過的波形諧波頻率愈高），相應(yīng)的波形誤差愈小。,7.3.3 模擬式交流電壓表,模擬電壓表組成方案 檢波器是實(shí)現(xiàn)交流電壓測(cè)量（AC-DC變換）的核心部件，同時(shí)，為了測(cè)量小信號(hào)電

28、壓，放大器也是電壓表中不可缺少的部件，因此，組成方案有兩種類型： 一種是先檢波后放大，稱為檢波-放大式； 一種是先放大后檢波，稱為放大-檢波式。 模擬電壓表的兩個(gè)重要指標(biāo)：帶寬和靈敏度(分辨力)。,58,1）檢波-放大式電壓表 組成框圖 a. 組成框圖; b.提高靈敏度措施 檢波器 決定電壓表的頻率范圍、輸入阻抗和分辨力。 峰值電壓表常用這種類型。,59,檢波器 為提高頻率范圍，采用超高頻二極管檢波，其頻率范圍可從直流到幾百兆赫，并具有較高的輸入阻抗。 檢波二極管的正向壓降限制了其測(cè)量小信號(hào)電壓的能力（即靈敏度限制），同時(shí)，檢波二極管的反向擊穿電壓對(duì)電壓測(cè)量的上限有所限制。 為減小高頻信號(hào)在傳

29、輸過程中的損失，通常將峰值檢波器直接設(shè)計(jì)在探頭中。 放大器 采用橋式直流放大器，它具有較高的增益。 直流放大器的零點(diǎn)漂移也將影響電壓表的靈敏度。,60,放大器 為提高靈敏度，采用高增益、低漂移的直流放大器，如斬波穩(wěn)零式直流放大器，其靈敏度可達(dá)幾十微伏。稱之為“調(diào)制式電壓表” ，如國(guó)產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表，最低量程為3mV，最高工作頻率300MHz。 主要指標(biāo)： 檢波-放大式電壓表常稱為“高頻毫伏表”或“超高頻毫伏表” 。如國(guó)產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表，頻率范圍為10kHz1000MHz，電壓范圍（不加分壓器）1mV10V。 國(guó)產(chǎn)HFJ-8型高頻毫伏表（調(diào)制式），最低量程為3mV，最高工作頻率3

30、00MHz。,61,2）放大-檢波式電壓表 組成框圖 先放大再檢波，因此靈敏度很高。 均值電壓表常用這種方式。 放大器 寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。 靈敏度受仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。,62,3）分貝測(cè)量及寬頻電平表 分貝 聲學(xué)中，分貝是表示音量強(qiáng)弱的一個(gè)單位。 通信系統(tǒng)中，也常用分貝表示電平或功率。 當(dāng)用分貝表示功率時(shí)，定義為： 當(dāng)用分貝表示電壓時(shí)， 由功率與電壓的關(guān)系： 和 當(dāng)R1=R2時(shí)，有,63,分貝 可見，分貝是一個(gè)用對(duì)數(shù)表示的相對(duì)量值（記作dB），如果相對(duì)于一個(gè)確定的參考基準(zhǔn)量，此時(shí)的分貝值則表示了一個(gè)絕

31、對(duì)電平。 若P2= P0（基準(zhǔn)量），并取P0=1mW； P1=被測(cè)功率，用Px表示，其分貝值用dBm表示（下標(biāo)m指示以mW為單位表示被測(cè)功率絕對(duì)值）。 則功率電平： 顯然，當(dāng)Px=P0=1mW為0dBm時(shí)，若Px1mW，分貝值為正，若Px1mW，分貝值為負(fù)。,64,分貝 電壓電平：以600電阻上吸收P0=1mW的基準(zhǔn)功率時(shí)電壓的有效值為參考基準(zhǔn)量V0。 由于 因此，取基準(zhǔn)量V0=0.775V，其分貝值用dB或dBV表示（下標(biāo)V指示以V為單位表示被測(cè)電壓絕對(duì)值）。 對(duì)于任意被測(cè)電壓Vx，其電壓電平定義為 和 之間可換算或查表。,65,寬頻電平表 具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為“寬頻電平表” 。 組成框

32、圖： 在均值電壓表（放大-檢波式）基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。,66,寬頻電平表 如圖，輸入衰減器上用dB表示“輸入電平”選擇，衰減步進(jìn)為10dB，相當(dāng)于衰減 倍， （ ）。 輸入衰減器可用標(biāo)準(zhǔn)電平振蕩器校準(zhǔn)。 可根據(jù)測(cè)量時(shí)的阻抗匹配原則選擇“輸入阻抗”（一般有75/150/600/高阻共4檔）。 寬帶放大器上還有“電平校準(zhǔn)”旋鈕，用于調(diào)節(jié)放大器增益。 表頭刻度為dB，可以是dBV（測(cè)量電壓電平）或dBm（測(cè)量功率電平）兩者之一，也可以是兩者兼容。,67,寬頻電平表 寬頻電平表刻度特性及dB值的讀出。 電壓電平測(cè)量：表頭標(biāo)定時(shí)選擇輸入阻抗600，則對(duì)應(yīng)的0dB電壓為0.775V（有效值）。通常0dB約在表頭

33、指針滿刻度的2/3左右，0dB的左邊為-dB（0.775V）。 表頭讀數(shù)只能表示輸入無(wú)衰減且交流放大器增益為1時(shí)被測(cè)電壓的分貝值。 當(dāng)引入衰減和放大后，被測(cè)電壓的dB值應(yīng)為： 衰減器讀數(shù)表頭讀數(shù)。,68,寬頻電平表 注：衰減器的讀數(shù)是依據(jù)其后面的放大器增益標(biāo)出的（并不表示其真實(shí)的衰減量）。 例如，若某電平表的最高靈敏度為-70dB，當(dāng)輸入最小電壓-70dB時(shí)（ ，衰減器不衰減），希望表頭指示0dB，則放大器輸出（加到檢波器輸入）必須為0.775V，相應(yīng)的放大器增益應(yīng)為70dB（ ）。而此時(shí)，雖然衰減器沒有衰減，但應(yīng)標(biāo)注為“70dB” 。 則：當(dāng)表頭讀數(shù)為0dB時(shí)，實(shí)際被測(cè)電壓 dB值70dB0

34、dB70dB。,69,寬頻電平表 對(duì)功率電平的測(cè)量：實(shí)際上是對(duì)阻抗兩端電壓電平的測(cè)量。 “零刻度基準(zhǔn)阻抗” ：與1mW基準(zhǔn)功率對(duì)應(yīng)的阻抗Z0 ，取為600。此時(shí)表頭的功率電平刻度與電壓電平刻度一致（實(shí)際表頭的功率電平刻度就是按600“零刻度基準(zhǔn)阻抗”定度的）。 若選擇輸入阻抗Zi600，就可直接從表頭讀出功率電平值。 當(dāng)Zi600時(shí)，則應(yīng)根據(jù)讀出的電壓電平換算出功率電平，其換算公式為,70,4）外差式選頻電平表 原理 外差式接收原理。 特點(diǎn) 大大提高靈敏度（可達(dá)-120dB，相當(dāng)于0.775V）。 常稱為“高頻微伏表” 。如DW-1型，頻率范圍為100kHz300MHz，最小量程15V 。 應(yīng)

35、用 小信號(hào)電壓的測(cè)量以及從噪聲中測(cè)量有用信號(hào)。 放大器諧波失真的測(cè)量、濾波器衰耗特性測(cè)量及通信傳輸系統(tǒng)中。,71,組成框圖 組成：外差式接收機(jī)寬頻電平表。 輸入電路：衰減或小增益高頻放大。 兩級(jí)變頻：輸入fx與第一本振f1（可調(diào)）混頻，經(jīng)帶通濾波器選出fZ1（固定）；,72,組成： fZ1再與第二本振輸出f2（固定）混頻，得到固定的第二中頻fZ2（經(jīng)窄帶濾波器選出）。 中頻放大器：在窄帶中頻上有很高的增益（從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度）。 表頭：dB刻度。 外差式選頻電平表通過外差式接收機(jī)擴(kuò)展了頻率范圍，通過窄帶中頻放大實(shí)現(xiàn)高靈敏度。 很好地解決了測(cè)量靈敏度與頻率范圍的矛盾。,73,5）電壓表的使用 了解

36、不同電壓表的性能特點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合加以選用。 峰值電壓表 檢波-放大式。 峰值響應(yīng)、頻率范圍較寬（達(dá)1000MHz）但靈敏度低（mV級(jí)）。 “調(diào)制式電壓表”：采用高增益低漂移的調(diào)制式直流放大器，使測(cè)量靈敏度大為提高，從mV級(jí)提高到幾十V 。 讀數(shù)的換算：根據(jù)波峰因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值（或峰值）。 需注意：測(cè)量波峰因數(shù)大的非正弦波時(shí)，由于削波可能產(chǎn)生誤差。,74,均值電壓表 放大-檢波式。 均值響應(yīng)、靈敏度比峰值表有所提高但頻率范圍較?。?0MHz），主要用于低頻和視頻場(chǎng)合。 讀數(shù)的換算：根據(jù)波形因數(shù)，將讀數(shù)換算成有效值（或均值）。 有效值電壓表 可以直接讀出有效值，非常方便。 由于削波和帶寬

37、限制，將可能損失一部分被測(cè)信號(hào)的有效值，帶來(lái)負(fù)的測(cè)量誤差。 較為復(fù)雜，價(jià)格較貴。,75,寬頻電平表 以分貝表示的功率電平和電壓電平。 電壓電平：步進(jìn)衰減器讀數(shù)表頭讀數(shù)。 功率電平：當(dāng)輸入阻抗等于表頭標(biāo)定時(shí)采用的零刻度基準(zhǔn)阻抗600時(shí)，功率電平與電壓電平具有相同的表頭刻度。否則，需用 進(jìn)行修正。 選頻電平表 外差式接收原理。內(nèi)部放大器對(duì)窄帶中頻放大，增益很高，使測(cè)量靈敏度得到大幅提高。 適合測(cè)量小信號(hào)。,76,7.4 直流電壓的數(shù)字化測(cè)量及A/D轉(zhuǎn)換原理,7.4.1 DVM的組成原理及主要性能指標(biāo) 1）DVM的組成 數(shù)字電壓表（Digital Voltage Meter，簡(jiǎn)稱DVM）。 組成框圖

38、,77,1）DVM的組成 組成框圖 包括模擬和數(shù)字兩部分。 輸入電路：對(duì)輸入電壓衰減/放大、變換等。 核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，簡(jiǎn)稱ADC），實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。 邏輯控制電路：在統(tǒng)一時(shí)鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。,78,應(yīng)用 直流或慢變化電壓信號(hào)的測(cè)量（通常采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器）。 通過AC-DC變換電路，也可測(cè)量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。 通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測(cè)量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。 基于微處理器的智能化DVM稱為數(shù)字

39、多用表（DMM，Digital MultiMeter）。 DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計(jì)算等）和通信接口(如GPIB)。,79,2）主要性能指標(biāo) 顯示位數(shù) 完整顯示位：能夠顯示09的數(shù)字。 非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。 如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999 。 而 位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整 顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999 。 量程 基本量程：無(wú)衰減或放大時(shí)的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍確定。 通過對(duì)輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展其他量程。,80,如基本量程為10V

40、的DVM，可擴(kuò)展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程； 基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五檔量程。 分辨力 指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。 用每個(gè)字對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)表示，即V/字。 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在最小量程上具有最高分辨力。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測(cè)量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字（即當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字” ）。,81,分辨率 分辨率：用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無(wú)關(guān)，比較直觀

41、。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為： 分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無(wú)關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999（共2000個(gè)字），則分辨率為 測(cè)量速度 每秒鐘完成的測(cè)量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 一般低速高精度的DVM測(cè)量速度在幾次/秒幾十次/秒。,82,測(cè)量精度 取決于DVM的固有誤差和使用時(shí)的附加誤差（溫度等）。 固有誤差表達(dá)式： 示值（讀數(shù)）相對(duì)誤差為： 式中，Vx被測(cè)電壓的讀數(shù)；Vm該量程的滿度值（Full Scale, FS）； 誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)； 誤差的固定項(xiàng)系數(shù)。 固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。 讀數(shù)誤差： 與

42、當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。 滿度誤差： 與當(dāng)前讀數(shù)無(wú)關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。,83,測(cè)量精度 有時(shí)將 等效為“n字”的電壓量表示，即 如某臺(tái)3位半DVM，說(shuō)明書給出基本量程為2V， =（0.01%讀數(shù)+1字）。 則在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%，即表達(dá)式中“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.005%”的表示是完全等價(jià)的： 當(dāng)被測(cè)量（讀數(shù)值）很小時(shí)，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測(cè)量較大時(shí)，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測(cè)量大于滿量程的2/3以上。,84,輸入阻抗 輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關(guān)）

43、。 輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測(cè)量精度。 對(duì)于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10M1000M之間。 對(duì)于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十幾百pF之間。,85,7.4.2 A/D轉(zhuǎn)換原理,A/D轉(zhuǎn)換器分類 積分式：雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬（PWM）式、電壓-頻率（V-F）變換式等。 非積分式：斜波電壓（線性斜波、階梯斜波）式、比較式（逐次逼近式、零平衡式）等。 1）逐次逼近比較式ADC 基本原理：將被測(cè)電壓和一可變的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行逐次比較，最終逼近被測(cè)電壓。即采用一種“對(duì)分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法。 假設(shè)基準(zhǔn)電壓為Vr=10V，為

44、便于對(duì)分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標(biāo)準(zhǔn)值。 Vr可分解為：,86,上式表示，若把Vr不斷細(xì)分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無(wú)限逼近，當(dāng)只取有限項(xiàng)時(shí)，則項(xiàng)數(shù)決定了其逼近的程度。如只取前4項(xiàng)，則 其逼近的最大誤差為9.375V-10V =-0.625V，相當(dāng)于最后一項(xiàng)的值。 現(xiàn)假設(shè)有一被測(cè)電壓Vx8.5V，若用上面表示Vr的4項(xiàng)5V、2.5V、1.25V、0.625V來(lái)“湊試”逼近Vx，逼近過程如下：,87,Vx5V （首先，取5V項(xiàng)，由于5V8.5V，則應(yīng)去掉該項(xiàng)，記為 數(shù)字0） +0.625V （再取0.625V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V+0.625V8.5V，則保留該項(xiàng)，記

45、 為數(shù)字1） 8.125V （得到最后逼近結(jié)果） 總結(jié)上面的逐次逼近過程可知，從大到小逐次取出Vr的各分項(xiàng)值，按照“大者去，小者留”的原則，直至得到最后逼近結(jié)果，其數(shù)字表示為1101。,88,上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V8.5V0.375V。 顯然，當(dāng)Vx(7.8125V8.4375V)之間時(shí)，采用上面Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近的結(jié)果相同，均為8.125V，其誤差為Vx(0.3125V0.3125V)，最大誤差限相當(dāng)于Vr最后一個(gè)分項(xiàng)的一半，即 V。 上述逐次逼近比較過程表示了該類A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。它類似天平稱重的過程，Vr的各分項(xiàng)相當(dāng)于提供的有限“電子砝碼”，而Vx是被稱量的電壓

46、量。逐步地添加或移去電子砝碼的過程完全類同于稱重中的加減法碼的過程，而稱重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。,89,原理框圖,90,圖中，SAR（Successive Approximation Register）為逐次逼近移位寄存器，SAR在時(shí)鐘CLK作用下，對(duì)比較器的輸出（0或1）每次進(jìn)行一次移位，移位輸出將送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果再與Vx比較。 SAR的最后輸出即是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，用數(shù)字量N表示。 最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有 式中， NA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，nA/D位數(shù)， Vr參考電壓， VxA/D輸入電壓 上式還可寫成：Vx=eN，e=Vr/2n稱為A/D

47、轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，單位為“V/字”，表示了A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力。,91,刻度系數(shù)也表示了A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的每個(gè)“字”（1LSB）代表的電壓量。它是逼近時(shí)可用的最小“電子砝碼”。 如上面Vx8.5V，Vr10V，當(dāng)用Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近時(shí)（相當(dāng)于4位A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為N（1101）213，即 單片集成逐次比較式ADC。常見的產(chǎn)品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。,92,2）單斜式ADC 非積分V-T式A/D轉(zhuǎn)換。 原理如下圖：,93,波形圖,94,工作原理 斜波發(fā)生器：通常由積分器對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓Vr積分產(chǎn)生， 斜率為： (式中RC為積分電阻和電容

48、) 斜波發(fā)生器產(chǎn)生斜波電壓與輸入比較器（Vx）和接地（0V）比較器比較。 比較器的輸出觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到時(shí)間為T的門控信號(hào)。 在門控時(shí)間T內(nèi)，計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，即T=NT0，T0為時(shí)鐘信號(hào)周期。 計(jì)數(shù)結(jié)果N即表示了A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果。即 (式中，k為斜波電壓的斜率，單位為V/秒),95,工作原理 將 代入 得， 式中， 為定值，于是， 即，可用計(jì)數(shù)結(jié)果的數(shù)字量N表示輸入電壓Vx。 誤差分析 斜波電壓的線性和穩(wěn)定性、門控時(shí)間的測(cè)量精度。 比較器的漂移和死區(qū)電壓。 一般精度較低。 特點(diǎn)、應(yīng)用,96,特點(diǎn)、應(yīng)用 線路簡(jiǎn)單，成本低。 轉(zhuǎn)換速度：門控時(shí)間T即為單斜式ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間，取決于斜

49、波電壓的斜率，并與被測(cè)電壓值有關(guān)，在滿量程時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)，即轉(zhuǎn)換速度最慢。 可應(yīng)用于精度和速度要求不高的DVM中。,97,例 設(shè)一臺(tái)基于單斜A/D轉(zhuǎn)換器的4位DVM，基本量程為10V，斜波發(fā)生器的斜率為10V/100ms，試計(jì)算時(shí)鐘信號(hào)頻率。若計(jì)數(shù)值N=5123，則被測(cè)電壓值是多少？ 解 4位DVM即具有4位數(shù)字顯示，亦即計(jì)數(shù)器的最大值為9999。滿量程10V（即A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入的最大電壓為10V），又，斜波發(fā)生器的斜率為10V/100ms，則：在滿量程10V時(shí)，所需的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間即門控時(shí)間為100ms。即在100ms內(nèi)計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為10000（最大計(jì)數(shù)值為9999）。于是，時(shí)

50、鐘信號(hào)頻率為 若計(jì)數(shù)值N=5123，則門控時(shí)間為 又由斜率k=10V/100ms，即可得被測(cè)電壓為 顯然，計(jì)數(shù)值即表示了被測(cè)電壓的數(shù)值，而顯示的小數(shù)點(diǎn)位置與選用的量程有關(guān)。,98,3）雙積分式ADC 基本原理： 通過兩次積分過程(“對(duì)被測(cè)電壓的定時(shí)積分和對(duì)參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測(cè)電壓值。 原理框圖 包括積分器、過零比較器、計(jì)數(shù)器及邏輯控制電路。 下圖a.原理框圖，b.工作波形圖。,99,100,工作過程 復(fù)零階段（t0t1）：開關(guān)S2接通T0時(shí)間，積分電容C短接，使積分器輸出電壓Vo回到零（Vo=0）。 對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分(t1t2)：接入被測(cè)電壓（設(shè)Vx為正），則積分器輸出Vo

51、從零開始線性地負(fù)向增長(zhǎng)，經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間T1，Vo達(dá)到最大Vom， 式中， 為Vx的平均值， 為積分波形的斜率(定值) 對(duì)參考電壓反向定值積分(t2t3)：接入?yún)⒖茧妷?若Vx為正，則接入-Vr)，積分器輸出Vo從Vom開始線性地正向增長(zhǎng)(與Vx的積分方向相反)直至零。,101,此時(shí)，過零比較器翻轉(zhuǎn)。經(jīng)歷的反向積分時(shí)間為T2，則有： 將Vom代入可得： 由于T1、T2是通過對(duì)同一時(shí)鐘信號(hào)（設(shè)周期T0）計(jì)數(shù)得到（設(shè)計(jì)數(shù)值分別為N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 或 式中， 為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（“V/字”）。 可見計(jì)數(shù)結(jié)果N2（數(shù)字量）即可表示被測(cè)電壓Vx，N2即為雙積分A/

52、D轉(zhuǎn)換結(jié)果。,102,雙積分式ADC特點(diǎn)： 基于V-T變換的比較測(cè)量原理。 一次測(cè)量包括3個(gè)連續(xù)過程，所需時(shí)間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測(cè)電壓Vx有關(guān)，Vx愈大T2愈大。一般轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十ms幾百ms，（轉(zhuǎn)換速度為幾次/秒幾十次/秒），其速度是較低的，常用于高精度慢速測(cè)量的場(chǎng)合。 積分器的R、C元件對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，因而對(duì)元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。 參考電壓Vr的精度和穩(wěn)定性對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精密基準(zhǔn)電壓源。（例如，一個(gè)16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率1LSB=1/216=1/655361510-6，那么，要求基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性

53、（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬(wàn)分之15）。,103,雙積分式ADC特點(diǎn)： 比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時(shí)間分辨力（響應(yīng)帶寬）。如一個(gè)6位的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度時(shí)積分器輸出電壓為10V，則ADC的1LSB=10V/106=10uV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于10uV。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時(shí)響應(yīng)積分器輸出信號(hào)快速（斜率較陡峭）過零時(shí)的能力。 積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力。如輸入電壓vx=Vx+vsm，則T1階段結(jié)束時(shí)積分器的輸出為 DVM的最大干擾來(lái)自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時(shí)間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號(hào)

54、vsm的平均值為零。,104,4）三斜積分式ADC 基本原理： 三次積分過程。 在雙斜積分式ADC基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高ADC的分辨力而設(shè)計(jì)的。（雙斜式ADC的分辨力受比較器的分辨力和帶寬所限）。 將雙斜積分式ADC的第二次積分過程，分解為兩次，使積分器輸出即將到達(dá)零點(diǎn)時(shí)，加長(zhǎng)積分過程（緩慢積分），以降低對(duì)比較器的分辨力和帶寬要求。 原理框圖 包括積分器、2個(gè)比較器、2個(gè)計(jì)數(shù)器及邏輯控制電路。 下圖a.原理框圖，b.工作波形圖。,105,106,工作過程 復(fù)零階段（t0-t1）和對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)積分(t1-t2) 階段與雙斜式ADC相同。 對(duì)參考電壓反向定值積分(t2-t3)分成兩個(gè)階段t2-t3

55、1和t31-t32。 在t2-t31期間，對(duì)參考電壓Vr反向積分，直至積分器輸出即將到達(dá)零點(diǎn)前的Vt時(shí)（比較器翻轉(zhuǎn)），設(shè)積分時(shí)間T2。在T2內(nèi)計(jì)數(shù)器A對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)。 在t31-t32期間，對(duì)Vr/10n繼續(xù)反向積分至零點(diǎn)（過零比較器翻轉(zhuǎn)），設(shè)積分時(shí)間T3（計(jì)數(shù)器B計(jì)數(shù)）。 由于Vr/10n很小，積分器輸出的斜率大大降低了（降低了10n倍），積分輸出“緩慢地”進(jìn)入零點(diǎn)。使最終達(dá)到過零的時(shí)間大大“拖長(zhǎng)”了，因而，降低了對(duì)積分器性能的要求。,107,工作過程 當(dāng)積分完成時(shí)，有 考慮到， (其中T0為時(shí)鐘周期) 則 式中， 為刻度系數(shù)（V/字）；而 即為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量（由計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)

56、值N2和N3加權(quán)得到）。,108,7.5 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表,7.5.1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù) AC/DC變換 將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。 I/V變換 基于歐姆定律，將被測(cè)電流通過一個(gè)已知的取樣電阻，測(cè)量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電流。 為實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測(cè)量，可以選擇不同的取樣電阻。 如下圖。,109,如圖，假如變換后 采用的電壓量程為200mV， 則通過量程開關(guān)選擇取樣 電阻分別為1k、100、 10、1、0.1，便可 測(cè)量200A、2mA、20mA、 200mA、2A的滿量程電流。 Z/V變換 同樣基于歐姆定律。,110

57、,對(duì)于純電阻，可用一個(gè)恒流源流過被測(cè)電阻，測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，即可得到被測(cè)電阻阻值。 而對(duì)于電感、電容參數(shù)的測(cè)量，則需采用交流參考電壓，并將實(shí)部和虛部分離后分別測(cè)量得到。 電阻-電壓（R/V）變換原理圖。 a.實(shí)現(xiàn)R/V變換的簡(jiǎn)單原理 b.通過運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量的R/V變換,111,如圖a，直接通過恒流源Ir流過被測(cè)電阻Rx，并對(duì)Rx兩端的電壓放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。 為了實(shí)現(xiàn)不同量程電阻的測(cè)量，要求恒流源可調(diào)。 圖a對(duì)于大電阻的測(cè)量不利，因?yàn)橐蟮暮懔髟措娏鱅r很小，對(duì)測(cè)量精度影響較大。 圖b中，將被測(cè)電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出Ir流過一個(gè)已知的精密電阻，從而得到參考電壓Vr 如圖，放

58、大器輸出 ,于是 如果將Vo作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，并將Vr直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即可實(shí)現(xiàn)比例測(cè)量。,112,7.5.2 數(shù)字多用表,組成框圖 數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn) DVM的功能擴(kuò)展。DMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測(cè)量。 測(cè)量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí)，位數(shù)3位半-8位半。,113,數(shù)字多用表（DMM）的主要特點(diǎn) 一般內(nèi)置有微處理器。可實(shí)現(xiàn)開機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動(dòng)測(cè)量功能。 一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 數(shù)字多用表的使用 二端法和四端法測(cè)電阻。如下圖（圖中R

59、l1、Rl2、Rl3、Rl4為等效導(dǎo)線電阻和接觸電阻）。,114,a. 二端法b. 四端法 圖a中，實(shí)際測(cè)量得到的電阻值為Rx+Rl1+Rl2（即包含了引線電阻和接觸電阻），使測(cè)量值偏大。 (即測(cè)量大電阻時(shí))Rl1和Rl2才可忽略。 圖b中，Rin為DMM輸入電阻，Rl3和 Rl4上基本上無(wú)電流流過（線上無(wú)壓降），所測(cè)電壓為Rx兩端的電壓。,115,7.6 數(shù)字電壓表測(cè)量不確定度及自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程技術(shù),7.6.1 DVM的誤差分析 1）DVM的整體誤差 包括固有誤差和附加誤差。（需誤差合成）。 固有誤差表示在一定測(cè)量條件下DVM本身所固有的誤差，它反映了DVM的性能指標(biāo)。 附加誤差指測(cè)量環(huán)境的變化（如溫度漂移）和測(cè)量條件（如被測(cè)電壓的等效信號(hào)源內(nèi)阻）所引起的測(cè)量誤差。 固有誤差 或 式中， 和 或n字分別為讀數(shù)誤差和滿度誤差。,116,固有誤差 讀數(shù)誤差與