1、电子测量技术制作: 曹建峰第五章 电压测量技术第第5 5章章 电压测量技术电压测量技术5.1 对电压测量的基本要求及电压测量仪器的分类对电压测量的基本要求及电压测量仪器的分类5.2 交流电压的测量交流电压的测量5.3 分贝的测量分贝的测量5.4 噪声的测量噪声的测量5.5 电压的数字化测量方法电压的数字化测量方法5.5 5.5 电压的数字化测量方法电压的数字化测量方法5.5.1 概述及特点概述及特点 5.5.2 DVM的主要类型及其工作原理的主要类型及其工作原理 1 逐次比较型逐次比较型DVM及其工作原理及其工作原理 2 U-T积分型积分型DVM及其工作原理及其工作原理 3 U-F转换器实用电
2、路转换器实用电路5.5.3 DVM的测量误差及其优缺点的测量误差及其优缺点5.5.15.5.1概述及特点概述及特点 1 1 概述概述l数字电压表（数字电压表（Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter，简称，简称DVMDVM）。l意义：基础、多接口、自动测量意义：基础、多接口、自动测量l主要内容：电压的数字化测量方法主要内容：电压的数字化测量方法l关键：关键：A/DA/D变换变换lA/DA/D变换过程：变换过程：模拟量模拟量A/D电子计数器电子计数器数字显示数字显示读出读出时钟发生器时钟发生器逻辑控制电路逻辑控制电路A/DA/D变换过程说明变换过程说明
3、l包括模拟和数字两部分。包括模拟和数字两部分。l输入电路：对输入电压衰减输入电路：对输入电压衰减/ /放大、变换等。放大、变换等。l核心部件是核心部件是A/DA/D转换器（转换器（Analog to Digital Analog to Digital ConverterConverter，简称，简称ADCADC），实现模拟电压到数字量），实现模拟电压到数字量的转换。的转换。l数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。l逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。路的协调有序工作。5.5.15.5.1概述
4、及特点概述及特点1 1 概述概述l分类：分类：ADAD转换方式可分为转换方式可分为A/D线性斜坡式线性斜坡式阶梯斜坡式阶梯斜坡式伺服控制式伺服控制式逐次逼近式逐次逼近式零平衡式零平衡式电位差计式电位差计式（比较）式（比较）式斜坡电压式斜坡电压式非积分式非积分式电压反馈式电压反馈式U-F变换式变换式电位差计积分式电位差计积分式双斜式双斜式、多斜式、多斜式积分式积分式5.5.15.5.1概述及特点概述及特点2 DVM2 DVM测量的特点测量的特点 l数字显示：消除视觉误差数字显示：消除视觉误差l准确度高：准确度可达准确度高：准确度可达1.2ppm1.2ppm，分辨力可达，分辨力可达1nV 1nV
5、or 1/(140M),or 1/(140M),转换准确度转换准确度3/(10M)3/(10M)。l测量范围广：由量程及超量程能力来描述。测量范围广：由量程及超量程能力来描述。l分辨力高：分辨力高：10V1nV10V1nV，可测量弱信号，可测量弱信号l测量速度快：测量速度快：10001000次次/ /秒秒l输入阻抗高：输入阻抗高：R Ri i一般为一般为10M，1010：Ci101000pFl抗干能力强：串模干扰抗干能力强：串模干扰SMRSMR20-60dB20-60dB；共模干扰；共模干扰CMRCMR8686120dB120dB。l可具有数据存储处理能力：可与计算机通信可具有数据存储处理能力
6、：可与计算机通信l具有自动校正能力：具有自动校正能力：5.5.2 DVM5.5.2 DVM的主要类型及工作原理的主要类型及工作原理lDVMDVM的主要类型的主要类型: :l 1 逐次比较型逐次比较型DVMl 2 U-T积分型积分型DVMl(1) 双斜积分型双斜积分型l(2) U-F积分型积分型1 1 逐次比较型逐次比较型DVMDVM（1）电路组成框图）电路组成框图1 1 逐次比较型逐次比较型DVMDVM（2）工作原理：）工作原理：2 U-T2 U-T积分型积分型DVM-DVM-双斜积分型双斜积分型（1）电路组成）电路组成双积分式DVM框图2 U-T2 U-T积分型积分型DVM-DVM-双斜积分
7、型双斜积分型（2 2）工作原理：）工作原理：准备阶段准备阶段(t0t1):采样阶段采样阶段(t1t2):比较阶段比较阶段(t2t3 ):工作波形图工作波形图（1）电路组成：）电路组成：2 U-T2 U-T积分型积分型DVMDVMU-FU-F积分型积分型（2）工作原理：）工作原理：2 U-T2 U-T积分型积分型DVM-DVM-双斜积分型双斜积分型（1）恢复型）恢复型U-F转换器（转换器（F008构成）构成）电路组成：电路组成：3 U-F3 U-F转换器实用电路转换器实用电路工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：（2）工作原理：）工作原理：3 U-F3 U-F转换器实用电路转换器实用电路（2）
8、由）由LM331构成构成100kHz U-F转换器：转换器：5.5.3 DVM5.5.3 DVM的测量误差及其优缺点的测量误差及其优缺点1、测量误差、测量误差2、优缺点、优缺点（1）固有误差：）固有误差：（2）影响误差：输入阻抗、环境温度）影响误差：输入阻抗、环境温度U UaUx bUm UaUx 几个字几个字测量相对误差测量相对误差x xU/Ux(aUx bUm)/Ux例：用一只例：用一只4位位DVM（准确度为（准确度为1Ux 1个字）的个字）的5V量程去测量量程去测量5V和和0.1V，则由仪表的固有误差引起的测量，则由仪表的固有误差引起的测量误差为？误差为？5.5.1 DVM的组成原理及主
9、要性能指标l测量精度l有时将 等效为“n字”的电压量表示，即 l如某台3位半DVM，说明书给出基本量程为2V， =（0.01%读数+1字）。则在2V量程上，1字=0.1mV，由 2V=0.1mV可知， =0.005%，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： l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。%mV( %)xVVn 字V%mV%(0.01%0.005%)mxVV 5.5.1 DVM的组成原理及主要性能指标l输入阻抗l输入阻抗取决于输入电路（并与量
10、程有关）。l输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 l对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M之间。l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。5.5.2 A/D5.5.2 A/D转换原理转换原理A/DA/D转换器分类转换器分类l积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWMPWM）式、电压）式、电压- -频率（频率（V-FV-F）变换式等。）变换式等。l非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式非积分式：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。、比较式（逐次逼近式
11、、零平衡式）等。 1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADCl基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行基本原理：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。即采用一种逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对对分搜索分搜索”的策略，逐步缩小的策略，逐步缩小V Vx x未知范围的办法。未知范围的办法。l假设基准电压为假设基准电压为V Vr r=10V=10V，为便于对分搜索，将其，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。分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 V Vr r可分解为：可分解为：1）逐次逼近比较式ADCl上式表示，若把Vr不断细分（每次取上
12、一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取前4项，则其逼近的最大误差为9.375V-10V =-0.625V，相当于最后一项的值。l现假设有一被测电压Vx8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADCV Vx x5V5V（首先，取（首先，取5V5V项，由于项，由于5V8.5V5V8.5V，则保留该
13、项，记为，则保留该项，记为数字数字11） +2.5V+2.5V（再取（再取2.5V2.5V项，此时项，此时5V+2.5V8.5V5V+2.5V8.5V5V+2.5V+1.25V8.5V，则，则应去掉该项，应去掉该项，记为数字记为数字00） +0.625V+0.625V（再取（再取0.625V0.625V项，此时项，此时5V+2.5V+0.625V8.5V5V+2.5V+0.625V8.5V，则保留该项，则保留该项， 记为数字记为数字11）8.125V8.125V（得到最后逼近结果）总结上面的逐次逼近过（得到最后逼近结果）总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出程可知，从大到小逐次取出V V
14、r r的各分项值，按照的各分项值，按照“大者大者去，小者留去，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果，其的原则，直至得到最后逼近结果，其数字数字表示为表示为11011101。1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCl上述逼近结果与上述逼近结果与Vx的误差为的误差为8.125V8.5V0.375V。l显然，当显然，当Vx(7.8125V8.4375V)之间时，采用上面之间时，采用上面Vr的的4个分项逼近的结果相同，均为个分项逼近的结果相同，均为8.125V，其误差，其误差为为Vx(0.3125V0.3125V)，最大误差限相当，最大误差限相当于于Vr最后一个分项的一半，即最后一个分项的一半，即0.
15、625/2V。l上述逐次逼近比较过程表示了该类上述逐次逼近比较过程表示了该类A/D转换器的基本转换器的基本工作原理。它类似天平称重的过程，工作原理。它类似天平称重的过程，Vr的各分项相的各分项相当于提供的有限当于提供的有限“电子砝码电子砝码”，而，而Vx是被称量的电是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减法码的过程，而于称重中的加减法码的过程，而称重结果的精度取称重结果的精度取决于所用的最小砝码决于所用的最小砝码。1）逐次逼近比较式ADCl原理框图逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A转
16、转换换器器Vx+-比比较较器器C CL LK KSTARTA/D转转换换结结果果2-12-nMSBLSBVrN N1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADC图中，图中，SARSAR（Successive Approximation RegisterSuccessive Approximation Register）为逐次逼近移位寄存器，为逐次逼近移位寄存器，SARSAR在时钟在时钟CLKCLK作用下，对作用下，对比较器的输出（比较器的输出（0 0或或1 1）每次进行一次移位，移位输）每次进行一次移位，移位输出将送到出将送到D/AD/A转换器，转换器，D/AD/A转换结果再与转换结果再与
17、V Vx x比较。比较。SARSAR的最后输出即是的最后输出即是A/DA/D转换结果，用数字量转换结果，用数字量N N表示。最表示。最后的后的D/AD/A转换器输出已最大限度逼近了转换器输出已最大限度逼近了VxVx，且有，且有U Ux xNUNUr r/2/2n n, ,式中，式中， NA/DNA/D转换结果的数字量，转换结果的数字量，nA/DnA/D位数，位数，VrVr参考电压，参考电压，VxVxA/DA/D输入电压输入电压. .上式还可写成：上式还可写成：VxVx= =eNeN，e=Vr/2e=Vr/2n n称为称为A/DA/D转换器的转换器的刻度系数，单位为刻度系数，单位为“V/V/字字
18、”，表示了，表示了A/DA/D转换器的分辨力。转换器的分辨力。1）逐次逼近比较式ADCl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”。l如上面Vx8.5V，Vr10V，当用Vr的4个分项逼近时（相当于4位A/D转换器），A/D转换的结果为N（1101）213，即l单片集成逐次比较式ADC。常见的产品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等。 2）单斜式ADCl非积分V-T式A/D转换。l原理如下图（a.原理框图，b.波形图）：241101)108.1252xVVV（2）单斜式ADC原理框图斜斜波波电电压压发发
19、生生器器QQSETCLRSR&000时时钟钟计计数数器器主主门门VrVx+-+-门门控控信信号号输输入入比比较较器器接接地地比比较较器器a计计数数输输入入2）单斜式ADC波形图0VxVx、V Vr r门门控控信信号号计计数数输输入入NV Vr rt1bT0T2）单斜式ADCl工作原理l斜波发生器：通常由积分器对一个标准电压Vr积分产生，斜率为： (式中RC为积分电阻和电容) 斜波发生器产生斜波电压与输入比较器（Vx）和接地（0V）比较器比较。l比较器的输出触发双稳态触发器，得到时间为T的门控信号。l在门控时间T内，计数器对时钟脉冲计数，即T=NT0，T0为时钟信号周期。l计数结果N即表示了A/
20、D转换的数字量结果。即 (式中，k为斜波电压的斜率，单位为V/秒)0 xVkTkT NrVkRC2）单斜式ADCl工作原理l将 代入 得，式中， 为定值，于是，即，可用计数结果的数字量N表示输入电压Vx。 l误差分析l斜波电压的线性和稳定性、门控时间的测量精度。l比较器的漂移和死区电压。l一般精度较低。l特点、应用rVkRC0 xVkTkT N0rxVVT NRC0rVTRCxVN2）单斜式ADCl特点、应用l线路简单，成本低。l转换速度：门控时间T即为单斜式ADC的转换时间，取决于斜波电压的斜率，并与被测电压值有关，在满量程时，转换时间最长，即转换速度最慢。 l可应用于精度和速度要求不高的D
21、VM中。例 设一台基于单斜A/D转换器的4位DVM，基本量程为10V，斜波发生器的斜率为10V/100ms，试计算时钟信号频率。若计数值N=5123，则被测电压值是多少？解 4位DVM即具有4位数字显示，亦即计数器的最大值为9999。2）单斜式ADC 满量程10V（即A/D转换器允许输入的最大电压为10V）， 又，斜波发生器的斜率为10V/100ms，则在满量程10V时，所需的A/D转换时间即门控时间为100ms。即在100ms内计数器的脉冲计数个数为10000（最大计数值为9999）。于是，时钟信号频率为 若计数值N=5123，则门控时间为又由斜率k=10V/100ms，即可得被测电压为显然
22、，计数值即表示了被测电压的数值，而显示的小数点位置与选用的量程有关。 010000100 Hz100fkms00512351.23ms100kHzNTNTf10V/100ms 51.23ms=5.123VxVkT(1）双积分式ADC l基本原理：l通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。l原理框图l包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。l下图a.原理框图，b.工作波形图。 主主门门计计数数器器逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-VrVr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1 S S2 2Vot0t1复
23、复零零t2t3VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入a.b.清清零零T0f0T011T03）双积分式ADCl工作过程l复零阶段（t0t1）。开关S2接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Vo回到零（Vo=0）。l对被测电压定时积分(t1t2)。接入被测电压（设Vx为正），则积分器输出Vo从零开始线性地负向增长，经过规定的时间T1，Vo达到最大Vom，式中， 为Vx的平均值， 为积分波形的斜率(定值) l对参考电压反向定值积分(t2t3)。接入参考电压(若Vx为正，则接入-Vr)，积分器输出Vo从Vom开始线性地正向增长(与Vx的积分方向相反)直至零。2111t
24、omxxtTVV dtVRCRC 10TxxVV dt1TRC3）双积分式ADCl此时，过零比较器翻转。此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为经历的反向积分时间为T T2 2，则有，则有：l将将Vom代入可得：代入可得：l由于由于T T1 1、T T2 2是通过对同一时钟信号（设周期是通过对同一时钟信号（设周期T T0 0）计数得到（）计数得到（设计数值分别为设计数值分别为N N1 1、N N2 2），即），即T T1 1=N=N1 1T T0 0，T T2 2=N=N2 2T T0 0，于是，于是 或或式中，式中， 为为A/DA/D转换器的刻度系数（转换器的刻度系数（“V/V/字字”）。）。l可见计数结果可见计数结果N N2 2（数字量）即可表示被测电压（数字量）即可表示被测电压V Vx x，N N2 2即为双即为双积分积分A/DA/D转换结果。转换结果。32210()tomromrtTVV dtVVRCRC21xrTVVT221xrNVVeNN121xxrNNVVVe1rVeN
