電子測(cè)量技術(shù)(第3版)第五章第2部分

1、 數(shù)字式電壓表（DVM）是利用模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，將模擬的被測(cè)電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后利用十進(jìn)制數(shù)字顯示方式顯示被測(cè)量數(shù)值的電壓表。 數(shù)字多用表的框圖如圖5.13所示。5.4 數(shù)字式多用表圖5.13 數(shù)字多用表的框圖n目前數(shù)字電壓表的品種很多，按其模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）原理來(lái)區(qū)分，可分為斜坡式、雙積分式、比較式和復(fù)合式等四類。5.4.15.4.1 數(shù)字電壓表的分類1斜坡式數(shù)字電壓表斜坡式數(shù)字電壓表是利用積分器產(chǎn)生的線性斜坡電壓與被測(cè)電壓進(jìn)行比較，把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與其瞬時(shí)值成比例的時(shí)間間隔T，即采用的是U-T（電壓-時(shí)間）變換式，并在T時(shí)間內(nèi)，用時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果即為被測(cè)電壓值。

2、n2雙積分式數(shù)字電壓表n利用積分器對(duì)被測(cè)電壓進(jìn)行正向和反向兩次積分，得到與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔T，并在T的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后用數(shù)字顯示被測(cè)電壓值。 n3比較式數(shù)字電壓表n利用輸入的模擬電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的方法，把模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電壓表。 n4復(fù)合式數(shù)字電壓表n復(fù)合式數(shù)字電壓表是將積分式與比較式結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)速快、抗干擾能力強(qiáng)的高精度DVM。 1測(cè)量范圍 測(cè)量范圍包括顯示的位數(shù)、量程的范圍和是否具有超量程能力等。 （1）顯示位數(shù) 位數(shù)是指能顯示09共十個(gè)完整數(shù)碼的顯示器的位數(shù)。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能將09十個(gè)

3、數(shù)碼全部顯示的位。（2）量程的范圍 DVM的量程范圍包括基本量程和擴(kuò)展量程。基本量程是測(cè)量誤差最小的量程，它不經(jīng)過(guò)衰減和放大器；擴(kuò)展量程是采用輸入衰減器和放大器來(lái)完成的，它的測(cè)量精度比基本量程的測(cè)量精度降低。5.4.25.4.2 數(shù)字電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)（3）超量程能力 1/2位和基本量程結(jié)合起來(lái)，說(shuō)明DVM是否具有超量程能力。2分辨率 分辨率是指DVM能夠顯示的被測(cè)電壓的最小變化值，即顯示器末位跳動(dòng)一個(gè)數(shù)字所需的電壓值。在不同的量程上DVM的分辨率是不同的，在最小量程上，DVM具有最高分辨率。3測(cè)量速率 測(cè)量速率是指每秒對(duì)被測(cè)電壓的測(cè)量次數(shù)，或一次測(cè)量全過(guò)程所需的時(shí)間。4輸入特性 輸入特性包

4、括輸入阻抗和零電流兩個(gè)指標(biāo)。 直流測(cè)量時(shí)，DVM輸入阻抗用Ri表示。量程不同，Ri也有差別，一般在101000MW之間。 交流測(cè)量時(shí)，DVM輸入阻抗用Ri和輸入電容Ci的并聯(lián)值表示，一般Ci在幾十至幾百皮法之間。 n5抗干擾能力nDVM的干擾分為共模干擾和串模干擾兩種。儀器中采用共模抑制比和串模抑制比來(lái)表示DVM的抗干擾能力。一般共模干擾抑制比為80150dB；串模抑制比為5090dB。n在DVM中抑制串模干擾的措施有兩種，一是在DVM的輸入端設(shè)置濾波器；二是從A/D轉(zhuǎn)換原理上采用雙積分電路來(lái)消除干擾。n在DVM中抑制共模干擾主要采用輸出端浮置的辦法。 6固有誤差和工作誤差 DVM的固有測(cè)量誤

5、差主要是讀數(shù)誤差和滿度誤差，通常用測(cè)量的絕對(duì)誤差表示。 U（U x + % Um）式中 誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)； 誤差的固定項(xiàng)系數(shù)； Ux 被測(cè)電壓讀數(shù)； Um 該量程的滿度值。 工作誤差指在額定條件下的誤差，通常也以絕對(duì)值形式給出。1數(shù)字電壓表的組成數(shù)字電壓表的組成如圖5.14所示。5.4.35.4.3 數(shù)字電壓表的工作原理圖5.14 數(shù)字電壓表的組成框圖整個(gè)框圖包括兩大部分，模擬部分包括輸入電路（如阻抗變換電路、放大和擴(kuò)展量程電路）和A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表的核心，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字部分主要完成邏輯控制、譯碼和顯示功能。2逐次逼近比較式DVM的基本原理（1）電路組成框圖

6、。如圖5.15所示，逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器（SAR）、邏輯控制電路和輸出緩沖器等部分組成。圖5.15 逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換框圖(2)工作原理 逐次逼近比較式A/D變換是屬于直接式A/D變換。其基本原理是用被測(cè)電壓和一個(gè)可變的已知的電壓（基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行比較，直至比較結(jié)果相等。達(dá)到測(cè)出被測(cè)電壓值的目的。(3)工作特點(diǎn) 測(cè)量速度快。 測(cè)量精度取決于標(biāo)準(zhǔn)電阻和基準(zhǔn)電壓源的精度，還與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。 由于測(cè)量值對(duì)應(yīng)于瞬時(shí)值，而不是平均值，所以抗串模干擾能力差。3雙積分式DVM的基本原理 V-T變換原理是用積分器將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，然后用電子

7、計(jì)數(shù)器在此間隔內(nèi)累計(jì)脈沖數(shù)，數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。(1)電路模型 電路模型如圖5.16所示，雙積分器的電路模型實(shí)際上是一個(gè)線性的積分器，它利用電容和運(yùn)算放大器獲得線性的充放電電壓。圖5.16 雙積分器的電路模型 (2)工作原理 在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，借助于積分器的兩次積分過(guò)程，獲得與積分電壓成比例的時(shí)間間隔。如圖5.17所示，首先將被測(cè)電壓 U x加到積分器的輸入端，在確定的時(shí)間第一次積分，對(duì) U x定時(shí)積分，定時(shí)時(shí)間為t1t2段，記為T1，積分輸出 第二次積分，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓定值積分，積分時(shí)間段為t2t3，記為T2，積分輸出uTuuxxottRCdtRC211

8、1)(1UTUurefrefoRCdtttRC22321兩次積分后輸出電壓為 U o=Uo1 + Uo2 = 0，則 u x = U ref解得 若用計(jì)數(shù)器在T1 、T2時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖周期為T0，計(jì)數(shù)值分別為N1、N2，則 UTTurefx12UNNUTNTNurefrefx120102 通過(guò)以上分析，我們可以設(shè)計(jì)出雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖，如圖5.18所示，包括積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、邏輯控制和時(shí)鐘信號(hào)源等幾部分。圖5.18 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖5.5 電壓測(cè)量的應(yīng)用5.5.15.5.1 直流電壓的測(cè)量 電子電路中的直流電壓一般分為兩大類，一類為直流電源電壓，它具有

9、一定的直流電動(dòng)勢(shì)E和等效內(nèi)阻R；另一類是直流電路中某元器件兩端之間的電壓差或各點(diǎn)對(duì)地的電位。1用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓 用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓時(shí)，要選擇合適的量程，當(dāng)超出量程時(shí)會(huì)有溢出顯示。 n2用模擬式萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓n 模擬式萬(wàn)用表的直流電壓檔由表頭串聯(lián)分壓電阻組成，其輸入電阻一般不太大，而且各量程檔的內(nèi)阻不同，同一塊表，量程越大內(nèi)阻越大。在用模擬式萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓時(shí)，一定要注意表的內(nèi)阻對(duì)被測(cè)電路的影響，否則將可能產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。 3用零示法測(cè)量直流電壓 為了減小由于模擬式萬(wàn)用表內(nèi)阻不夠大而引起的測(cè)量誤差，可用如圖5.20所示的零示法。 圖5.20 零示法測(cè)量直流電壓 4用電

10、子電壓表測(cè)量直流電壓 一般在放大-檢波式的電子電壓表中，為了提高電壓表的內(nèi)阻，都采用跟隨器和放大器等電路提高電壓表的輸入阻抗和測(cè)量靈敏度。 5用示波器測(cè)量直流電壓6微安法測(cè)量直流電壓 為了準(zhǔn)確地測(cè)量大電壓中的微小變化量，可以用微差法來(lái)測(cè)量。微差法和零示法都是減小系統(tǒng)誤差的典型技術(shù)。 7含交流成分的直流電壓的測(cè)量 對(duì)于含交流成分的直流電壓的測(cè)量一般采用模擬式電壓表的直流擋測(cè)量。（1）模擬式萬(wàn)用表測(cè)量交流電壓。 測(cè)量交流電壓的頻率范圍較小，一般只能測(cè)量頻率在1kHz以下的交流電壓。可以用它直接測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的交流電壓。5.5.25.5.2 交流電壓的測(cè)量 交流電壓的測(cè)量一般可分為兩大類，一類是具有一

11、定內(nèi)阻的交流信號(hào)源，另一類是電路中任意一點(diǎn)對(duì)地的交流電壓。交流電壓的常用測(cè)量方法有電壓表法和示波器法。交流電壓表分為模擬式與數(shù)字式兩大類。 （2）示波器測(cè)量交流電壓。 用示波器法測(cè)量交流電壓與電壓表法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)： 速度快 能測(cè)量各種波形的電壓。 能測(cè)量瞬時(shí)電壓。 能同時(shí)測(cè)量直流電壓和交流電壓。 1電平的概念 電平是指兩功率或電壓之比的對(duì)數(shù)，有時(shí)也表示兩電流之比的對(duì)數(shù)，單位為貝爾（Bel）。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常用貝爾的十分之一作為單位，稱為分貝，用“dB”表示。 常用的電平有功率電平和電壓電平兩類，它們各自又可分為絕對(duì)電平和相對(duì)電平兩種。（1）絕對(duì)功率電平LP。以600W電阻上消耗1mW的功率

12、作為基準(zhǔn)功率，任意功率與之相比的對(duì)數(shù)稱為絕對(duì)功率電平。 5.5.35.5.3 分貝的測(cè)量（2）相對(duì)功率電平 。任意兩功率之比的對(duì)數(shù)稱為相對(duì)功率電平。（3）相對(duì)功率電平與絕對(duì)功率電平之間的關(guān)系為PL0AAPPAPBB0B10lg10lg() ( dB )PPPLLLPPP （4）絕對(duì)電壓電平LU。當(dāng)600W電阻上消耗1mW的功率時(shí)，600W電阻兩端的電位差為0.775V，此電位差稱為基準(zhǔn)電壓。任意兩點(diǎn)電壓與基準(zhǔn)電壓之比的對(duì)數(shù)稱為該電壓的絕對(duì)電壓電平. n（5）相對(duì)電壓電平 。任意兩電壓之比的對(duì)數(shù)稱為相對(duì)電壓電平。 UL（6）絕對(duì)電壓電平與相對(duì)電壓電平的關(guān)系為AAUUAUBBB0.77520lg2

13、0lg() ( dB)0.775UULLLUU （7）絕對(duì)電壓電平與絕對(duì)功率電平的關(guān)系為 2x2xxxP20 x60010lg10lg10lg ()10lg0.775(0.775)600UPRULPRUx60010lgLR 表5.2顯示了分貝、絕對(duì)功率電平和絕對(duì)電壓電平之間數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 表5.2dB4020630-3-6-20-40LP100001004211/21/4 1/1001/10000LU1001021.41/21/1.4 1/21/101/1002采用電平概念的意義 電平的測(cè)量實(shí)際上也是電壓的測(cè)量。電平刻度是以1mW功率消耗于600電阻為零分貝進(jìn)行計(jì)算的，即0dB0.775V。

14、 電平量程的擴(kuò)大實(shí)質(zhì)上也是電壓量程的擴(kuò)大，電壓量程擴(kuò)大N倍時(shí)，電平增加20lgN。NNUULxxUlg20775. 0lg20775. 0lg20 取零刻度的基準(zhǔn)阻為Z0 =600 ，即0dB刻度相當(dāng)于阻抗兩端電壓等于0.775V。當(dāng)U x0.775V時(shí)，測(cè)量所得dB 值為正；當(dāng)U x0.775V時(shí)，測(cè)量所得dB 值為負(fù)。3電平與電壓的關(guān)系4分貝的測(cè)量方法和刻度1非線性失真和線性失真 線性失真又稱為頻率失真，是由于器件內(nèi)部電抗效應(yīng)和外部電抗元件的存在，使得電路對(duì)同一信號(hào)中不用的頻率分量的傳輸系數(shù)不同或相位移不同而引起的。 線性失真一般采用頻率特性來(lái)描述。非線性失真是由于器件的非線性引起的。兩種

15、失真的區(qū)別在于非線性失真使得電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生了不同于輸入信號(hào)的新的頻率成分；線性失真則不會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分。非線性失真一般用非線性失真系數(shù)來(lái)描述。5.5.45.5.4 失真度的測(cè)量 非線性失真系數(shù)，也稱為失真度，可以衡量非線性失真的大小。定義為%100UUUU122322n式中 失真度； U1 基波分量電壓的有效值； U2、U3、Un 各次諧波分量的電壓有效值。2非線性失真系數(shù)的定義 常先求非線性失真系數(shù)0，再算出失真度。0定義為被測(cè)信號(hào)中各次諧波電壓有效值與被測(cè)信號(hào)電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)。%1002232221223220UUUUUUUnn可以證明， 與 的關(guān)系為 02001 （1）連接

16、圖。測(cè)量信號(hào)源的失真度時(shí)，直接將信號(hào)源輸入失真度儀進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量電路或設(shè)備的失真時(shí)，需采用一個(gè)低失真的正弦信號(hào)源作為被測(cè)電路的激勵(lì)源，如圖5.21所示。（2）失真度測(cè)量?jī)x的組成框圖。一個(gè)簡(jiǎn)單的失真度測(cè)試儀組成框圖如圖5.22所示。失真度測(cè)試儀由輸入電路、帶阻濾波器和電壓表組成。3抑制基波法測(cè)量非線性失真圖5.21 失真度測(cè)量?jī)x器的連接圖5.22 簡(jiǎn)單的失真度測(cè)試儀框圖 用失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量非線性失真系數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：測(cè)量時(shí)，應(yīng)最大限度地濾出基波成分。因此要反復(fù)調(diào)節(jié)帶阻濾波電路中的調(diào)諧、微調(diào)和相位旋鈕。測(cè)量電路的非線性失真系數(shù)時(shí)，應(yīng)在被測(cè)電路的通頻帶范圍內(nèi)選擇多個(gè)頻率測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試；選擇的

17、測(cè)試點(diǎn)除了應(yīng)包括上、下截止頻率外，還應(yīng)在中間頻率段選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，然后逐一進(jìn)行非線性失真系數(shù)的測(cè)試，最后取其中最大的一個(gè)非線性失真系數(shù)值作為被測(cè)電路的非線性失真系數(shù)。4測(cè)量注意事項(xiàng) 如果測(cè)試用信號(hào)源輸出信號(hào)的非線性失真系數(shù)不可忽略，則被測(cè)電路的實(shí)際非線性失真系數(shù)可近似等于被測(cè)電路輸出信號(hào)的非線性失真系數(shù)減去其輸入信號(hào)的非線性失真系數(shù)。測(cè)量時(shí)，可用示波器進(jìn)行監(jiān)視，可以判斷有無(wú)失真和有無(wú)干擾信號(hào)存在。 對(duì)于一個(gè)放大器，如將其輸入端短路，即在輸入信號(hào)為零時(shí)，我們?nèi)阅軓妮敵龆藴y(cè)得交流電壓，這就是噪聲電壓。噪聲電壓的測(cè)量方法主要有電壓表法和示波器法。 1用交流電壓表測(cè)量噪聲電壓 由于噪聲電壓一般指有效值

18、（均方值），因此可直接采用有效值電壓表測(cè)量噪聲電壓的有效值的。 2用示波器測(cè)量噪聲電壓 示波器的頻帶寬度很寬時(shí)，可以用來(lái)測(cè)量噪聲電壓，使用極其方便，尤其適合于測(cè)量噪聲電壓的峰-峰值。5.5.55.5.5 噪聲電壓的測(cè)量n5.6.15.6.1 項(xiàng)目?jī)?nèi)容n擬定測(cè)量步驟，采用平均值電壓表和示波器分別對(duì)一定頻率的正弦波、方波和三角波進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果用峰峰值、有效值、平均值表示。通過(guò)實(shí)訓(xùn)說(shuō)明，對(duì)于同一測(cè)量對(duì)象，采用不同的測(cè)量?jī)x表，其測(cè)量結(jié)論是相同的；采用正弦有效值顯示、平均值檢波的電壓表測(cè)量正弦信號(hào)，被測(cè)信號(hào)的平均值和電平直接從表頭讀測(cè)；測(cè)量非正弦信號(hào)波形，測(cè)量結(jié)果必須經(jīng)過(guò)換算。5.6 項(xiàng)目4 電壓表波形響應(yīng)的研究n1波形測(cè)量?jī)x器一般描述n 在時(shí)域測(cè)量范圍內(nèi)，示波器是最典型、最直接的觀測(cè)幅度的儀器。它不但測(cè)量速度快，能測(cè)量周期性信號(hào)的峰值電壓、瞬時(shí)電壓等，還能同時(shí)測(cè)量出被測(cè)電壓的直流分量和交流分量。但模擬示波器通常依靠測(cè)試者讀測(cè)，讀數(shù)誤差比較大。n 電壓表是比較方便讀測(cè)幅度的儀器。普通模擬指針式萬(wàn)用表由于檢波電路和輸入電路簡(jiǎn)陋，輸入阻抗比較低，測(cè)量交流電壓的頻率范圍較小，一般只能測(cè)量頻率在1kHz以下的交流電壓。電子電壓表和數(shù)字電壓表輸入阻抗較高，測(cè)量精度較高，可測(cè)頻率范圍廣，成為定量測(cè)量波形參數(shù)合適的儀器。5.6.25.6.2 項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)提示n 傳統(tǒng)電子電壓表