第3章 電壓測量

1、第三章第三章 電壓測量電壓測量3.1 引言引言1.1.意義意義 電量和非電量常常都要依靠電壓測量的方法來進(jìn)電量和非電量常常都要依靠電壓測量的方法來進(jìn)行研究。行研究。2.2.發(fā)展過程發(fā)展過程 大體都是從模擬電壓表到數(shù)字電壓表的過程。大體都是從模擬電壓表到數(shù)字電壓表的過程。3.3.分類分類 1 1）按頻率范圍分為直流電壓測量和交流電壓測量；）按頻率范圍分為直流電壓測量和交流電壓測量； 2 2）按測量技術(shù)分為模擬測量和數(shù)字測量；）按測量技術(shù)分為模擬測量和數(shù)字測量； 3 3）按被測信號的特點(diǎn)分為脈沖電壓測量和有效電壓測量。）按被測信號的特點(diǎn)分為脈沖電壓測量和有效電壓測量。4.4.要求要求 1 1）測量

2、范圍足夠大；）測量范圍足夠大； 2 2）輸入阻抗必須很高，避免負(fù)載效應(yīng)；）輸入阻抗必須很高，避免負(fù)載效應(yīng)； 3 3）要有足夠的頻率響應(yīng)范圍；）要有足夠的頻率響應(yīng)范圍； 4 4）測量誤差必須在允許范圍；）測量誤差必須在允許范圍； 5 5）可以準(zhǔn)確測量各種波形的信號。）可以準(zhǔn)確測量各種波形的信號。5.5.主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 1 1）幅度范圍；）幅度范圍； 2 2）頻率范圍；）頻率范圍； 3 3）輸入特性；）輸入特性； 4 4）分辨力；）分辨力； 5 5）準(zhǔn)確度；）準(zhǔn)確度；3.2 電壓測量的基本方法電壓測量的基本方法1.交流電壓的模擬測量方法交流電壓的模擬測量方法 兩種基本方式：放大檢波式和檢

3、波放大式。兩種基本方式：放大檢波式和檢波放大式。 正弦電壓可以表示為正弦電壓可以表示為 sinpV tVt交流電壓的交流電壓的峰值峰值pV交流電壓的交流電壓的平均值平均值dttVTAVTV0)(1交流電壓的交流電壓的有效值有效值(Vrms，或，或V) 201TrmsVVt dtT將正弦電壓代入將正弦電壓代入,并取并取=0,則有則有0 .6 3 70 .7 0 7A Vprm spVVVV波峰因數(shù)波峰因數(shù)ppfA VVkVVkV波形因數(shù)波形因數(shù)表表3-1 各種波形的波形因數(shù)與波峰因數(shù)各種波形的波形因數(shù)與波峰因數(shù)例例:若利用以若利用以正弦波有效值刻度正弦波有效值刻度的均值電壓表測量的均值電壓表測量

4、正弦波、方波、三角波，讀數(shù)均為正弦波、方波、三角波，讀數(shù)均為1V，試問這三，試問這三種波形信號的有效值為多少？種波形信號的有效值為多少？_10.91.11fVVavkV方波：方波：_0.9 1 0.9fVkVavV 三角波三角波：_0.9 1.151.04fVkVavV解：正弦波：解：正弦波：V=1V均值電壓表讀數(shù)一樣，表示三者的平均值一樣大。均值電壓表讀數(shù)一樣，表示三者的平均值一樣大。2.電壓的數(shù)字測量方法電壓的數(shù)字測量方法 1）基本方法）基本方法 對于對于直流電壓直流電壓，DVMDVM將被測電壓經(jīng)將被測電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換，而后由數(shù)，而后由數(shù)字邏輯電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并以數(shù)碼表示測量結(jié)果。字

5、邏輯電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并以數(shù)碼表示測量結(jié)果。 對于對于交流電壓交流電壓，同樣要，同樣要先先通過通過檢波檢波電路電路轉(zhuǎn)換為直流電轉(zhuǎn)換為直流電壓壓（一般都為有效值），再按直流電壓的數(shù)字測量方（一般都為有效值），再按直流電壓的數(shù)字測量方法測量。法測量。2 2）電壓數(shù)字測量方法的特點(diǎn)）電壓數(shù)字測量方法的特點(diǎn)(1)(1)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器；采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器；(2)(2)用數(shù)碼顯示測量結(jié)果；用數(shù)碼顯示測量結(jié)果；(3)(3)采用微處理器；采用微處理器；(4)(4)具有標(biāo)準(zhǔn)接口功能：具有標(biāo)準(zhǔn)接口功能：IEEE-488IEEE-488口，口，RS-232CRS-232C串口等；串口等；(5)(5)利用計(jì)算機(jī)軟件功能：數(shù)

6、據(jù)處理、自動(dòng)校零、抑制干擾。利用計(jì)算機(jī)軟件功能：數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)校零、抑制干擾。3 3）數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)）數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo) (1)(1)輸入范圍輸入范圍（量程量程）: :1000V, 1000V, 具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、過量程能力具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、過量程能力 (2)(2)顯示位數(shù)顯示位數(shù)：手持式：手持式 3 3 位，目前最高位，目前最高 8 8 位位 (3)(3)準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度： 四位表四位表0.001, 0.001, 五位表五位表0.0001, 0.0001, 目前最高目前最高1010-7-7 (4) (4)穩(wěn)定度穩(wěn)定度 ：短期穩(wěn)定度（：短期穩(wěn)定度（2424小時(shí)）讀數(shù)小時(shí)）讀數(shù)0.0

7、020.002 長期穩(wěn)定度（半年）讀數(shù)長期穩(wěn)定度（半年）讀數(shù)0.008 0.008 (5) (5)分辨力分辨力：顯示最低位變化：顯示最低位變化1 1 需要輸入電壓變化的值需要輸入電壓變化的值 目前最高達(dá)目前最高達(dá)1010-8 -8 V V (6) (6)靈敏度靈敏度：DVMDVM能測到的最小電壓能測到的最小電壓 如：如： 6 6 位位DVMDVM，輸入，輸入0-2V0-2V時(shí)，時(shí)，DVMDVM顯示為顯示為0 0； 輸入輸入3V3V時(shí)，顯示時(shí)，顯示0.0000030.000003； 輸入輸入4V4V時(shí)，顯示時(shí)，顯示0.000004.0.000004. 則則 靈敏度靈敏度為為3V3V，而，而分辨力

8、分辨力為為1V1V。(7)(7)讀數(shù)速率讀數(shù)速率 ： 可達(dá)可達(dá)100000100000次次/ /秒秒 (8)(8)數(shù)據(jù)存儲容量數(shù)據(jù)存儲容量 ：可存儲上兆個(gè)數(shù)據(jù)：可存儲上兆個(gè)數(shù)據(jù)(9)(9)數(shù)據(jù)處理能力數(shù)據(jù)處理能力：能求平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等：能求平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等(10)(10)輸入阻抗輸入阻抗：典型值：典型值 輸入電阻輸入電阻10M10M，輸入電容，輸入電容40pF40pF(11)(11)輸入零電流輸入零電流：輸入端短路時(shí)儀器呈現(xiàn)的輸入電流：輸入端短路時(shí)儀器呈現(xiàn)的輸入電流 通常為通常為nAnA級級 (12)(12)輸出信號輸出信號: BCD: BCD碼碼 (13)(13)輸出接口輸出

9、接口：GPIBGPIB、RS-232RS-232等等(14)(14)儀器的校準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)：內(nèi)部有獨(dú)立的供校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)部有獨(dú)立的供校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)(15)(15)抗干擾能力抗干擾能力：抗串模干擾，抗共模干擾：抗串模干擾，抗共模干擾 補(bǔ)充介紹安捷侖、普源、福祿克的數(shù)字多用表補(bǔ)充介紹安捷侖、普源、福祿克的數(shù)字多用表4 4）數(shù)字電壓表的分類）數(shù)字電壓表的分類（1 1）按）按A/DA/D分分v比較式比較式原理類似天平，原理類似天平，速度快速度快 如，逐次比較式，余數(shù)循環(huán)比較式如，逐次比較式，余數(shù)循環(huán)比較式v積分式積分式原理類似彈簧秤，原理類似彈簧秤，速度慢，抗干擾速度慢，抗干擾 先用積分器將先用積分器將V

10、Vi i轉(zhuǎn)換成某中間量（轉(zhuǎn)換成某中間量（T,F)T,F)， 再將中間量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量顯示。再將中間量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量顯示。 V-TV-T式式：如雙斜式、多斜式、脈沖調(diào)寬式。：如雙斜式、多斜式、脈沖調(diào)寬式。 V-FV-F式：如脈沖反饋式、電壓反饋式式：如脈沖反饋式、電壓反饋式v復(fù)合式復(fù)合式將比較式和積分式結(jié)合，取長補(bǔ)短。將比較式和積分式結(jié)合，取長補(bǔ)短。 高精度高精度DVMDVM中常用。中常用。 有有V-FV-F比較式、比較式、V-TV-T比較式比較式（2 2）按轉(zhuǎn)換速度分）按轉(zhuǎn)換速度分v 低速型（低速型（1ms) 1ms) 積分式積分式v 中速型（中速型（1s-1ms) 1s-1ms) 逐次比較式逐次

11、比較式v 高速型（高速型（1s) 1s) 并聯(lián)比較式，串聯(lián)比較式并聯(lián)比較式，串聯(lián)比較式（3 3）按相應(yīng)特性分）按相應(yīng)特性分 v 瞬時(shí)響應(yīng)：比較式瞬時(shí)響應(yīng)：比較式 v 平均值響應(yīng)：積分式平均值響應(yīng)：積分式3.3 3.3 數(shù)字電壓測量中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字電壓測量中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要流派：雙斜式、三斜式、多斜式、主要流派：雙斜式、三斜式、多斜式、 脈沖調(diào)寬式、余數(shù)循環(huán)比較式脈沖調(diào)寬式、余數(shù)循環(huán)比較式1.1.雙斜及多斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器雙斜及多斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器1 1）雙斜式）雙斜式A/DA/D (1) (1)工作原理（圖工作原理（圖3-43-4） （注：（注：ViVi為正時(shí)，采用為正時(shí)，采用Vr, ViVr, V

12、i為負(fù)時(shí)，采用為負(fù)時(shí)，采用+Vr +Vr ） 雙斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換過程可以分為雙斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換過程可以分為 采樣期采樣期和和比較期比較期兩個(gè)工作階段。兩個(gè)工作階段。 積分器輸出電壓為積分器輸出電壓為1dVICdtVI dtC比較期比較期，積分器輸出電壓為，積分器輸出電壓為采樣期采樣期，積分器輸出電壓為，積分器輸出電壓為210_1210TrrVV dtRCTTViRCRCV (T2=t3-t2t3時(shí)時(shí),V2=0)ittiVRCTdtVRCV12111（T1=t2-t1）dtVRCVVttr3212)(1（注：（注：Vi為正時(shí)，采用為正時(shí)，采用Vr Vi為負(fù)時(shí)，采用為負(fù)時(shí)，采用+Vr ）即即: :如計(jì)數(shù)時(shí)

13、鐘周期為如計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期為T T。，。，T1T1期計(jì)數(shù)器滿度值期計(jì)數(shù)器滿度值N1,N1,T2T2期計(jì)數(shù)器滿度值為期計(jì)數(shù)器滿度值為N2N2，則有，則有_21rTViTV_21rNViNV定義定義 為為刻度系數(shù)刻度系數(shù), ,表明單位數(shù)碼所代表電壓表明單位數(shù)碼所代表電壓的大小的大小, ,則上式可化為則上式可化為: :1re V N_2eNiV (2)(2)雙斜式雙斜式A/DA/D的特點(diǎn)的特點(diǎn)v 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 積分元件及時(shí)鐘的變化不會影響轉(zhuǎn)換精度；積分元件及時(shí)鐘的變化不會影響轉(zhuǎn)換精度； 比較器的零點(diǎn)偏移不會引起轉(zhuǎn)換誤差；比較器的零點(diǎn)偏移不會引起轉(zhuǎn)換誤差； 具有很強(qiáng)的抗串模干擾的能力。具有很強(qiáng)的抗串模干擾的

14、能力。 一般在一般在DVMDVM中干擾影響最大的是中干擾影響最大的是50Hz50Hz的工頻干擾的工頻干擾, , 這時(shí)可取這時(shí)可取T1=nT1=n20ms,n=1,2,3,20ms,n=1,2,3,。 雙斜式雙斜式A/DA/D對串模干擾的抑制作用見對串模干擾的抑制作用見圖圖3-63-6。v 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換速度低轉(zhuǎn)換速度低 因?yàn)橐獫M足因?yàn)橐獫M足T1=nT1=n20ms20ms的條件，一次的條件，一次A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 至少需要至少需要T1+T22T1=2nT1+T22T1=2n20ms20ms的時(shí)間的時(shí)間分辨力與轉(zhuǎn)換速度互為矛盾分辨力與轉(zhuǎn)換速度互為矛盾 由式由式(3-12)可知，雙斜式

15、可知，雙斜式A/D分辨力為分辨力為Vr/N1 N1是固定值是固定值(因?yàn)橐驗(yàn)門1=N1T0=n20ms)， 所以，要提高分辨力，只有減小所以，要提高分辨力，只有減小Vr； 但減小但減小Vr，就會增大，就會增大T2，從而降低轉(zhuǎn)換速度。，從而降低轉(zhuǎn)換速度。問題：如何在不降低轉(zhuǎn)換速度的基礎(chǔ)上，提高分辨力？問題：如何在不降低轉(zhuǎn)換速度的基礎(chǔ)上，提高分辨力？ 以測量長度為例，用兩種單位測量：先用大單位粗測，再以測量長度為例，用兩種單位測量：先用大單位粗測，再用小單位測剩余零頭。三斜式用小單位測剩余零頭。三斜式A/D就是基于這個(gè)原理。就是基于這個(gè)原理。2)三斜式三斜式A/D圖圖3-7(a)虛線框內(nèi)為三斜式虛

16、線框內(nèi)為三斜式A/D原理圖，原理圖，圖圖3-7(b) 為其時(shí)間波形圖。為其時(shí)間波形圖。三斜式三斜式DVMDVM中測量結(jié)果的數(shù)字量為中測量結(jié)果的數(shù)字量為_23112rnVNNiNV2n2312nNNN采樣期的工作過程與雙斜式完全相同，采樣期的工作過程與雙斜式完全相同，比較期則由比較期則由T2(T2(對對VrVr積分積分) )和和T3(T3(對對Vr/Vr/2 2n n積分積分) )兩個(gè)階段組成。兩個(gè)階段組成。由由積分電容凈得電荷為零（電荷平衡原理）積分電容凈得電荷為零（電荷平衡原理）, ,得得 12300011102TTTrirnVV dtV dtdtRCRCRC化簡后有化簡后有: : 由于由于

17、T3T3期間被積分的基準(zhǔn)電壓是期間被積分的基準(zhǔn)電壓是T2T2期的期的 ，所以在，所以在T3T3期期間間積分器輸出的變化速率比積分器輸出的變化速率比T2T2期間慢得多，在過零點(diǎn)的誤期間慢得多，在過零點(diǎn)的誤差也小得多。差也小得多。即三斜式有以下兩個(gè)即三斜式有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :(1)(1)減小轉(zhuǎn)換誤差減小轉(zhuǎn)換誤差; ;(2)(2)加快轉(zhuǎn)換速度（在相同分辨力的情況下）加快轉(zhuǎn)換速度（在相同分辨力的情況下）。問題：如何進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速度？問題：如何進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速度？ 雙斜式、三斜式在雙斜式、三斜式在T1T1期都期都只對被測電壓只對被測電壓采樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果采樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果只能在只能在T2T2得到，所以得到

18、，所以T2T2時(shí)間一般較長。時(shí)間一般較長。要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速度，就要減小度，就要減小T2T2時(shí)間。時(shí)間。只有在只有在T1T1就能得到部分結(jié)果就能得到部分結(jié)果，才能減，才能減小小T2T2的時(shí)間。的時(shí)間。多斜式多斜式就是基于這個(gè)思想。就是基于這個(gè)思想。1 2n3 3）多斜式）多斜式A/DA/D多斜式多斜式A/DA/D分為兩個(gè)階段分為兩個(gè)階段: :斜升期斜升期(T1)(T1)和斜降期和斜降期(T2)(T2) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : (1) (1)不僅在不僅在T1T1期期內(nèi)對被測信號進(jìn)行積分，而且內(nèi)對被測信號進(jìn)行積分，而且也對基準(zhǔn)電壓也對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行積分。這樣在采樣期就進(jìn)行積分。這樣在采樣期

19、就得到部分測量結(jié)果得到部分測量結(jié)果, ,提高了轉(zhuǎn)換提高了轉(zhuǎn)換速率速率。 (2)(2)比較期比較期對不同基準(zhǔn)電壓從大到小依次進(jìn)行積分，以對不同基準(zhǔn)電壓從大到小依次進(jìn)行積分，以提高提高測量精度測量精度。 2.2.脈沖調(diào)寬式模數(shù)轉(zhuǎn)換器脈沖調(diào)寬式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 節(jié)拍方波節(jié)拍方波周期固定周期固定(Ts)(Ts)、幅度為、幅度為VsVs的方波電壓。的方波電壓。 脈沖調(diào)寬式脈沖調(diào)寬式A/DA/D的電路原理如圖的電路原理如圖3-9(a)3-9(a)所示。其工作所示。其工作過程結(jié)合圖過程結(jié)合圖3-9(b)3-9(b)的波形進(jìn)行說明。的波形進(jìn)行說明。 根據(jù)根據(jù)電荷平衡原理電荷平衡原理有有: : 注：節(jié)拍方波在一個(gè)周期

20、內(nèi)正負(fù)對稱，對注：節(jié)拍方波在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)對稱，對A/DA/D轉(zhuǎn)換貢獻(xiàn)為轉(zhuǎn)換貢獻(xiàn)為0 0。若取若取R1=R3,R1=R3,則有：則有： 若若T2T1(T2Ts/2),T2T1(T2Ts/2),則則ViVi為正；反之，則為正；反之，則ViVi為負(fù)。為負(fù)。脈沖調(diào)寬式脈沖調(diào)寬式A/DA/D的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn): : 1 1）積分元件的變化不會影響模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度；）積分元件的變化不會影響模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度； 2 2）選擇）選擇TsTs為工頻周期的整數(shù)倍，可以獲得良好的抗串模干為工頻周期的整數(shù)倍，可以獲得良好的抗串模干擾能力；擾能力； 3 3）轉(zhuǎn)換過程中，被測電壓總是加在）轉(zhuǎn)換過程中，被測電壓總是加在A/DA/D的

21、輸入端的輸入端, ,可以應(yīng)用可以應(yīng)用于一些特殊的場合于一些特殊的場合; ;12121330irrVVVTTTTRRR)2TsT2(TsVr2VrTsT1T2Vi 4) 4) 精度高，比雙斜式的線性度可以高兩個(gè)數(shù)量級。精度高，比雙斜式的線性度可以高兩個(gè)數(shù)量級。世界上第一個(gè)世界上第一個(gè) 位數(shù)字多用表采用了脈沖調(diào)寬技術(shù)位數(shù)字多用表采用了脈沖調(diào)寬技術(shù), ,它是英它是英國國SOLARTRONSOLARTRON公司的產(chǎn)品。公司的產(chǎn)品。3.3.余數(shù)循環(huán)比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器余數(shù)循環(huán)比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 不采用積分器不采用積分器, ,它的核心是比較器它的核心是比較器, ,工作時(shí)采用工作時(shí)采用逐次逼近逐次逼近的方法。其簡

22、化方框示于圖的方法。其簡化方框示于圖3-103-10其中其中a a為轉(zhuǎn)換的權(quán)值為轉(zhuǎn)換的權(quán)值優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1 1）分辨力高）分辨力高 2 2）轉(zhuǎn)換速度快）轉(zhuǎn)換速度快3) 3) 具有自動(dòng)糾錯(cuò)的功能具有自動(dòng)糾錯(cuò)的功能18201(1)12nnNNaNaNa余數(shù)循環(huán)比較過程（自動(dòng)糾錯(cuò)）余數(shù)循環(huán)比較過程（自動(dòng)糾錯(cuò)）序號序號輸入電壓輸入電壓/余數(shù)電壓余數(shù)電壓（V）極性判別極性判別數(shù)據(jù)檢測數(shù)據(jù)檢測D/A輸出輸出余數(shù)電壓余數(shù)電壓（V）余數(shù)存儲余數(shù)存儲電壓（電壓（V）1+7.9053+10008- 0.0947- 0.9472- 0.947-00000- 0.947- 9.473- 9.47-10019- 0.47-

23、 4.74- 4.7-01004- 0.7- 75- 7-0111700轉(zhuǎn)換結(jié)果為：轉(zhuǎn)換結(jié)果為：9053. 70947. 08107104109100108-4-3-2-103.4 單片式單片式DVMDVM雙模式模數(shù)轉(zhuǎn)換器雙模式模數(shù)轉(zhuǎn)換器5G144335G144331.1.特點(diǎn)特點(diǎn): :(1)(1)雙極性電源供電：雙極性電源供電：5V;5V;(2)(2)最大指示值為最大指示值為19991999（3 3 位）位）, ,轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度0.05%0.05%1 1個(gè)字個(gè)字; ;(3)(3)具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換的功能具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換的功能; ;(4)(4)能提供超量程指示信號能提供超量

24、程指示信號; ;(5)BCD(5)BCD碼輸出碼輸出; ;(6)(6)采用共陰極采用共陰極LCDLCD動(dòng)態(tài)掃描顯示方式動(dòng)態(tài)掃描顯示方式; ;2.2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5G144335G14433為為2424引腳雙列直插封裝引腳雙列直插封裝, ,如圖如圖3-11(a) 3-11(a) 。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-11(b)3-11(b)所示，包括雙斜式所示，包括雙斜式A/DA/D及有關(guān)控及有關(guān)控制電路。制電路。模擬部分模擬部分：積分器、比較器、模擬開關(guān)等；：積分器、比較器、模擬開關(guān)等；數(shù)字部數(shù)字部分分：計(jì)數(shù)電路、鎖存器、多路開關(guān)、時(shí)鐘發(fā)生、控制電路等：計(jì)數(shù)電路、鎖存器、多路開關(guān)、時(shí)鐘發(fā)生

25、、控制電路等 其讀數(shù)輸出過程如圖其讀數(shù)輸出過程如圖3-11(c)3-11(c)所示。所示。3.3.工作過程工作過程分為分為6 6個(gè)階段個(gè)階段: :模擬校零期模擬校零期; ;數(shù)字調(diào)零階段數(shù)字調(diào)零階段; ;重復(fù)模擬校零階段重復(fù)模擬校零階段; ;被測信號采樣階段被測信號采樣階段;(;(采樣期采樣期) )數(shù)字調(diào)零階段數(shù)字調(diào)零階段; ;反向積分階段反向積分階段.(.(比較期比較期) )4.4.應(yīng)用應(yīng)用 圖圖3-123-12是以是以5G144335G14433為核心組成的為核心組成的DVMDVM，它可，它可以測量直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流。以測量直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流。3.5

26、3.5 數(shù)字多用表技術(shù)數(shù)字多用表技術(shù)圖3-16 數(shù)字多用表的組成1.ACV/DCV變換技術(shù)變換技術(shù)該變換按有效值的定義進(jìn)行該變換按有效值的定義進(jìn)行,現(xiàn)在大多采用集成電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在大多采用集成電路實(shí)現(xiàn)圖圖3-17 ACV/DCV3-17 ACV/DCV變換變換irmsiOVVV22 2、I/VI/V變換技術(shù)變換技術(shù)v測測較大電流較大電流：如：如圖圖3-153-15所示。所示。 將被測電流將被測電流ixix流過標(biāo)準(zhǔn)電阻流過標(biāo)準(zhǔn)電阻RsRs，則，則Us=ixRsUs=ixRs。 為減小轉(zhuǎn)換器內(nèi)阻，為減小轉(zhuǎn)換器內(nèi)阻，RsRs應(yīng)選很小應(yīng)選很小，幾歐姆以下。，幾歐姆以下。 UsUs也很小，后面再也很小，后面

27、再放大放大（用串聯(lián)同相負(fù)反饋放大器）（用串聯(lián)同相負(fù)反饋放大器）v測測較較小電流小電流（幾毫安以下）：如（幾毫安以下）：如圖圖3-163-16所示。所示。 運(yùn)放的輸入電流接近零，運(yùn)放的輸入電流接近零，ixix全部流經(jīng)全部流經(jīng)RsRs，Uo=ixRsUo=ixRs。 ixix不宜過大不宜過大，否則放大器功耗過大，會燒壞。，否則放大器功耗過大，會燒壞。3.R/V3.R/V變換技術(shù)變換技術(shù)圖圖3-18 R/V3-18 R/V變換變換 設(shè)待測電阻為設(shè)待測電阻為Rx,Rx,其上壓降為其上壓降為Vx,Vx,則有則有: : 這樣就將被測電阻這樣就將被測電阻RxRx變換為變換為相應(yīng)的電壓相應(yīng)的電壓VxVx進(jìn)行測

28、量。進(jìn)行測量。 為適應(yīng)為適應(yīng)各種被測電阻阻值各種被測電阻阻值范圍，可通過開關(guān)范圍，可通過開關(guān)S2S2、S3S3改變改變電流電流I I的大小（有的大?。ㄓ? 4種組合）。種組合）。 例：英國例：英國SOLARTRONSOLARTRON公司公司71517151型型DMMDMM的的R/VR/V變換器：變換器：被測電阻范圍被測電阻范圍 20M 2M 200K 20K20M 2M 200K 20K 測試電流測試電流 100nA 1A 10A 100nA 1A 10A 100A 100A 若若被測電阻大于被測電阻大于20M20M，則可通過，則可通過開關(guān)開關(guān)S4S4接通接通-3V-3V電源電源作作為恒流管下

29、拉電流通路來測量。為恒流管下拉電流通路來測量。IVRXX321321RRR1RRR1011IIVRXX 圖圖3-18 (a)3-18 (a)兩線歐姆測量法兩線歐姆測量法 (b)(b)四線歐姆測量法四線歐姆測量法 測電阻時(shí)有兩種連線方法：測電阻時(shí)有兩種連線方法：兩線歐姆測量法兩線歐姆測量法和和四線歐姆測量法四線歐姆測量法 兩線法測量兩線法測量時(shí)，測量的電壓時(shí)，測量的電壓VxVx包括兩根導(dǎo)線上的壓降包括兩根導(dǎo)線上的壓降，特，特別是被測電阻較小或者連線太長時(shí)別是被測電阻較小或者連線太長時(shí), ,測量誤差測量誤差會很明顯。會很明顯。 四線法測量四線法測量時(shí)，用另外兩根導(dǎo)線直接取時(shí)，用另外兩根導(dǎo)線直接取R

30、xRx兩端的電壓測量兩端的電壓測量（導(dǎo)線上無電流通過導(dǎo)線上無電流通過），可以），可以減少測量誤差減少測量誤差。R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl43.7 3.7 電壓測量的干擾及其抑制技術(shù)電壓測量的干擾及其抑制技術(shù)影響電壓精密度的因素影響電壓精密度的因素1) 1) 隨機(jī)性干擾隨機(jī)性干擾 如如:DVM:DVM內(nèi)部電子的熱噪聲、器件的散彈噪聲等。內(nèi)部電子的熱噪聲、器件的散彈噪聲等。2) 2) 確定性干擾確定性干擾分為串模干擾和共模干擾兩種分為串模干擾和共模干擾兩種, ,見圖見圖3-243-24。 串模干擾串模干擾（VnmVnm）干擾電壓與

31、被測電壓串聯(lián)地加到干擾電壓與被測電壓串聯(lián)地加到DVM DVM 兩個(gè)測量輸入端之間。兩個(gè)測量輸入端之間。 共模干擾共模干擾（VcmVcm）干擾電壓同時(shí)作用于干擾電壓同時(shí)作用于DVMDVM的兩個(gè)輸入的兩個(gè)輸入端。端。 1. 1.串模干擾的抑制方法串模干擾的抑制方法 常見方法有兩種常見方法有兩種: :輸入濾波法和積分平均法輸入濾波法和積分平均法. .輸入濾波法輸入濾波法利用利用低通濾波器低通濾波器濾除高頻干擾，但會影響濾除高頻干擾，但會影響DVMDVM對被測信號的響對被測信號的響應(yīng)速度，應(yīng)速度，降低讀數(shù)速度降低讀數(shù)速度。積分平均法積分平均法(1)(1)積分式數(shù)字電壓表對串模干擾的平均作用積分式數(shù)字電

32、壓表對串模干擾的平均作用設(shè)正弦波干擾電壓為設(shè)正弦波干擾電壓為1_01( )sin()1sin()nnnTnnV tVtVtdtnTVT1內(nèi)的平均值內(nèi)的平均值:_ _111sinsinnnnnVTTTnTTTV 化簡得：化簡得： 為了抑制串模干擾，應(yīng)使為了抑制串模干擾，應(yīng)使 =0=0，即該式中必有一個(gè)因子，即該式中必有一個(gè)因子為零。為零。 則滿足下列條件之一，串模干擾就能被全部抑制則滿足下列條件之一，串模干擾就能被全部抑制: : a)T a)T1 1=kT=kTn n ; b)=(n-T ; b)=(n-T1 1/T/Tn n) )(2)(2)串模抑制比串模抑制比NMRRNMRR 因?yàn)楦蓴_信號的

33、初相角是隨機(jī)的，則因?yàn)楦蓴_信號的初相角是隨機(jī)的，則的取值在的取值在-1-1和和+1+1之間，考慮最不利情況取為之間，考慮最不利情況取為“+1+1”，則，則_nV1sin()nTT 1max1sinn nnnnVTTVVTT120lg1sinnnTTNMRRTT_20lgnnVNMRRV串模抑制比定義串模抑制比定義: :初相角為最壞情況時(shí)，可化簡為初相角為最壞情況時(shí)，可化簡為: : 注意上面兩公式的應(yīng)用區(qū)別！注意上面兩公式的應(yīng)用區(qū)別！ 根據(jù)上式可畫出積分式根據(jù)上式可畫出積分式DVMDVM對串模干擾的抑制特性，如對串模干擾的抑制特性，如圖圖3-253-25所示，圖中以所示，圖中以T1T1為參變量。

34、為參變量。 關(guān)于關(guān)于NMRRNMRR的幾點(diǎn)討論的幾點(diǎn)討論: :(1)(1)當(dāng)當(dāng)T1/TnT1/Tn為整數(shù)為整數(shù)時(shí)時(shí),NMRR=dB,NMRR=dB。這稱為。這稱為理想抑制條件理想抑制條件; ;(2)(2)當(dāng)當(dāng)T1T1一定一定時(shí)時(shí),Tn,Tn越?。丛叫。磃nfn越高越高）, ,對串模對串模干擾抑制能干擾抑制能力越強(qiáng)力越強(qiáng); ;(3)(3)當(dāng)干擾信號的周期當(dāng)干擾信號的周期偏離理想抑制點(diǎn)偏離理想抑制點(diǎn),NMRR,NMRR急劇下降急劇下降; ;(4)(4)選擇選擇合理的合理的也可以使串模干擾完全抑制也可以使串模干擾完全抑制. .2.2.共模干擾的抑制方法共模干擾的抑制方法通常通常DVMDVM和被測

35、信號源相距較遠(yuǎn)和被測信號源相距較遠(yuǎn), ,需要較長接線需要較長接線, ,由于接地不由于接地不良引入共模干擾良引入共模干擾 ，如，如圖圖3-263-26所示。所示。因?yàn)橐驗(yàn)閆1Z1遠(yuǎn)大于其它電阻遠(yuǎn)大于其它電阻, ,最后一項(xiàng)可以忽略最后一項(xiàng)可以忽略, ,于是于是: :22cncmcmrVVrrs1112cm2rrZZrrrVcmVcn共模抑制比定義共模抑制比定義： 將將VcnVcn代入，得：代入，得：因?yàn)橐驗(yàn)閞 rcmcm遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于r r2 2，所以，所以提高共模抑制比的措施：提高共模抑制比的措施：浮置浮置DVMDVM的低端的低端; ;采用雙端對稱輸入電路采用雙端對稱輸入電路; ;浮置雙端對稱輸入

36、電路浮置雙端對稱輸入電路; ;采用雙重屏蔽和浮置采用雙重屏蔽和浮置. .20lgcmcnVCMRRV2220lgcmrrCMRRr0dB20lg1rr20lgCMRR22根據(jù)共模抑制比的定義有根據(jù)共模抑制比的定義有假設(shè)假設(shè)Z2=1M, r2=100, Z2=1M, r2=100, 則則CMRR=80dBCMRR=80dB（1 1）浮置）浮置DVMDVM的低端的低端 減小共模干擾影響的有效的方法是浮置低端，如減小共模干擾影響的有效的方法是浮置低端，如圖圖3-273-27所示。所示。因?yàn)橐驗(yàn)閆1rZ1r1 1、r rs s，Z Z2 2rr2 2、r rcmcm，所以所以s1112cm22rrZZ

37、rr ZrVcmVcn22ZrVcmVcn22rZ20lgVcnVcm20lgCMRRVcm分壓到輸分壓到輸入端的電壓為：入端的電壓為：因?yàn)橐驗(yàn)閆1r1、rs，Z2r2, Z3r2、rcm，所以所以：3223cncmrrVVZZ因此：因此：232320lgZZCMRRrr假設(shè)假設(shè)Z2=Z3=1M, r2=r3=100, Z2=Z3=1M, r2=r3=100, 則則CMRR=160dBCMRR=160dB 所以，要提高所以，要提高CMRR，就要加大，就要加大Z2、Z3，即，即將內(nèi)部電路浮置和內(nèi)屏蔽層浮置。將內(nèi)部電路浮置和內(nèi)屏蔽層浮置。（2）DVM采用雙重屏蔽和浮置采用雙重屏蔽和浮置 如圖如圖3

38、-28所示。所示。s111222cm333rrZZrZrrrZrVcmVcn整個(gè)整個(gè)DVMDVM的抗共模干擾設(shè)計(jì)：的抗共模干擾設(shè)計(jì)：1 1）內(nèi)、外雙重屏蔽、隔離，測量輸入采用屏蔽）內(nèi)、外雙重屏蔽、隔離，測量輸入采用屏蔽線；線；2 2）模擬電路、數(shù)字電路之間通過脈沖變壓器、）模擬電路、數(shù)字電路之間通過脈沖變壓器、光電耦合器傳遞信號，無電氣通路，相互不會光電耦合器傳遞信號，無電氣通路，相互不會干擾；干擾；3 3）模擬電路、數(shù)字電路分別有兩套獨(dú)立電源系）模擬電路、數(shù)字電路分別有兩套獨(dú)立電源系統(tǒng)，完全隔離。統(tǒng)，完全隔離。3.8 電壓測量中的自校正技術(shù)（簡介）電壓測量中的自校正技術(shù)（簡介）一、自動(dòng)校零技

39、術(shù)一、自動(dòng)校零技術(shù) 由于儀器內(nèi)部器件（如由于儀器內(nèi)部器件（如 運(yùn)放）的零點(diǎn)偏移及溫度漂移運(yùn)放）的零點(diǎn)偏移及溫度漂移 ，即，即使零輸入時(shí)也有輸出讀數(shù)，產(chǎn)生測量誤差。使零輸入時(shí)也有輸出讀數(shù)，產(chǎn)生測量誤差。 消除方法：自動(dòng)校零（消除方法：自動(dòng)校零（硬件硬件方法和方法和軟件軟件方法）方法）1.硬件校零方法硬件校零方法1）動(dòng)態(tài)校零的基本原理）動(dòng)態(tài)校零的基本原理圖圖3-273-27odiosVAVV 輸入電壓和失調(diào)電壓同時(shí)被放大，而輸入電壓和失調(diào)電壓同時(shí)被放大，而AdVos是非被測量部分，將要引起測量誤差。是非被測量部分，將要引起測量誤差。 校零技術(shù)的原理校零技術(shù)的原理就是在放大器的有關(guān)部位就是在放大器的

40、有關(guān)部位加一偏移加一偏移量以抵消失調(diào)電壓量以抵消失調(diào)電壓的影響。的影響。 校零過程包括校零過程包括零采樣期零采樣期和和工作期工作期。 零采樣期零采樣期是對測量誤差進(jìn)行采樣；是對測量誤差進(jìn)行采樣；工作期工作期是對被測是對被測量進(jìn)行測量的同時(shí)也消除測量誤差。量進(jìn)行測量的同時(shí)也消除測量誤差。（1）并聯(lián)式自動(dòng)校零電路）并聯(lián)式自動(dòng)校零電路 如如圖圖3-30(a)所示。所示。零采樣期零采樣期: 開關(guān)開關(guān)S1斷開斷開,S2,S3接通。接通。由失調(diào)電壓產(chǎn)生的輸出電壓為：由失調(diào)電壓產(chǎn)生的輸出電壓為：VosAd1AdVo存于存于C0C0上上工作期工作期: 開關(guān)開關(guān)S1接通接通, S2,S3斷開。斷開。 運(yùn)放輸出電壓為：運(yùn)放輸出電壓為： Vos)Ad11Vi(AdVo運(yùn)放輸出：運(yùn)放輸出： 由上述分析可見由于采用并聯(lián)、串聯(lián)補(bǔ)償，由上述分析可見由于采用并聯(lián)、串聯(lián)補(bǔ)償，失調(diào)電壓對輸失調(diào)電壓對輸出的影響已下降出的影響已下降1/(1+Ad)1/(1+Ad)倍倍，基本消除了失調(diào)電壓的影響。，基本消除了失調(diào)電壓的影響。 這個(gè)過程由硬件完成，所以稱為硬件校零。這個(gè)過程由硬件完成，所以稱為硬件校零。2).2).具有動(dòng)態(tài)校零的雙斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有動(dòng)態(tài)校零的雙斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 具有串連式自動(dòng)校零的雙斜式具有串連式自動(dòng)校零的雙斜式A/DA/D電路如電路如圖圖3-