數字電壓表與數字多用表

數字電壓表與數字多用表概述

A/D轉換器電子計數器直流數字電壓表及其功能擴展電子電壓表一般是指模擬式電壓表。它是一種在電子電路中常用的測量儀表，用磁電式表頭作為指針儀表。電子電壓表與普通萬用表相比較，具有以下優(yōu)點：

（1）輸入阻抗高，一般輸入電阻至少為500KΩ，儀表接入被測電路后，對電路的影響小。

（2）頻率范圍寬：適用頻率范圍約為幾赫到幾千兆赫

（3）靈敏度高：最低電壓可測到微伏級

（4）電壓測量范圍廣：儀表的量程分檔可以從幾百伏一直到1mV

電子電壓表的組成及作原理

電子電壓表根據電路組成結構的不同，可分為放大一檢波式，檢波—放大式和外差式它們主要由衰減器、交流電壓放大器、檢波器和整流電源四部分組成，其方框圖如圖被測電壓先經衰減器衰減到適宜交流放大器輸入的數值的大小。電子電壓表表頭指針的偏轉角度正比于被測電壓的平均值，而面板卻是按正弦交流電壓有效值當測量非正弦交流電壓時，電子電壓表的讀數沒有直接的意義，只有把該數除以1.11（下弦交流電壓的波形系數），才能得到被測電壓的平均值使用方法及注意事項

（1）機械調零：儀表接通電源前，應先檢查指地是否在零點，如果不在零點應調節(jié)機械零調節(jié)螺絲，使指針們于零點。

（2）正確選擇量程：應按被測電壓的大小合適地選擇量程，合儀表指針偏轉至滿刻度的1/3以上區(qū)域。先不知被測電壓珠大致數值，應先將量程開關置在大量程，然后再逐步減小量程。

（3）正確讀數：根據量程開關的位置，按對應的刻度線讀數。

（4）當儀表連線開路時，由于外界感應信號可能使指針偏轉超量限，而損壞表頭。因此，沒量完畢時，應將量程開關置在大量程

主要技術特性

（1）交流電壓測量范圍

100uV~300V.共分12檔量程：1、3、10、30、100、300V

（2）輸入電阻

1~300mV量程，8MΩ+_0.8MΩ

1~300V,10MΩ+_1MΩ

隨著半導體技術和計算機技術的發(fā)展，數字儀表迅速發(fā)展。概述數字電表是將被測對象離散化，數據處理后以數字形式顯示的儀表。數字電表在原理、結構、測量方法上完全不同于模擬式儀表。數字電表的種類數字電壓表(DVM)；

數字電流表；數字電阻表；數字功率表；數字電能表；數字電橋；…；數字溫度表；數字轉速表；數字位移表；…數字多用表(DMM)；校準器(Calibrator)；直流電壓參考(DCVReference)；熱電轉換標準(ThermalTransferStandard)一、數字儀表的特點

準確度高——電壓可達10-6數量級；一般的DVM很容易達到10-4輸入阻抗高——DVM的輸入阻抗一般都達到100兆歐；測量范圍寬——靈敏度高——DVM的分辨率可達0.01V；測量速度快——讀數清晰，直觀方便——測量過程自動化——極性判斷；量限切換；自動校零…；可組成測試系統(tǒng)；

結構復雜；

成本高；

線路復雜；

專業(yè)維修；二、數字儀表的發(fā)展過程1952：第一臺DVM問世，電子管司服比較式；1956：電壓-時間(V/T)式；1961：全晶體管式逐次逼近比較式；1966：雙斜積分式。(1)數字化階段——50~60年代中期，運用各種原理實現A/D轉換，從而實現儀表數字化，顯示位數(2)高準確度階段——復合型A/D-C原理，顯示位數達八位，準確度百萬分之幾。1971：三次采樣積分式(日本TR6567)；1973：兩次采樣電感分壓比較型(英國SM-215)；(3)智能化階段——內嵌P的DVM，除完成原有DVM功能外，還能自校、自檢，完成數據處理自動化和可編程，通過標準接口組成自動測試系統(tǒng)。代表的產品有Fluke、

Datron、

Solartron等公司的產品。三、數字電壓表的一般結構1.數字電表的通用框圖(P為脈沖數；V為直流電壓；)V/f-CV/T-CV/P-CT/P-C/T-Cx/f

-Cx/

V-Cx/P-C被測量x(U,I,P,R,L,C...)被測頻率被測相位頻率計計數器存儲器譯碼器顯示器被測量直流電壓頻率——V/F式DVM；被測量直流電壓脈沖數碼頻率——反饋比較式DVM儀表核心：直流電壓的測量被測量直流電壓時間間隔——V/T式DVM；邏輯控制電路數字顯示器輸入電路標準電壓源電子計數器A/D轉換輸入模擬電路數字電路輸入電路包括衰減器、前置放大器、切換開關等。為增強電表功能，數字電路中還可包含微處理器。2.直流數字電壓表框圖中高檔DVM——AC220V交流電源供電；小型手持式DMM——電池供電無電源線，提高了共、串模抑制比；液晶顯示，CMOS芯片保證了低功耗；保證電能消耗；對便攜性要求不高；顯示器的種類：輝光數碼管、熒光數碼管、磷光體數碼管、

發(fā)光二極管、等離子體數字顯示器、液晶顯示器顯示方式：十進制數碼方式；分段式；矩陣式。3.數字電壓表的電源4.數字電壓表的顯示5.數字電壓表的主要技術參數(1)測量范圍和量程(2)分辨力指DVM能夠讀取的被測電壓的最小變化值，或顯示器末位跳一個字所需的輸入電壓值。(3)抗干擾能力各量程的測量范圍、誤差大??；超量程能力；量程切換方式多量程的劃分基本量程——誤差最小的量程(被測量在表內不經放大和衰減)；非基本量程——基本量程以外的量程；(4)輸入阻抗輸入阻抗指DVM在工作狀態(tài)下，從輸入端看進去的輸入電路的等效電阻。

DVM在基本量程的輸入電阻可達10G，對于非基本量程，由于使用了分壓器，一般為10M。(5)顯示位數DVM的顯示位數是以完整的顯示數字的多少來確定的。0000~1999——3位;0000~8999——3位0000~9999——4位(6)測量速度測量速度指在單位時間內，儀表以規(guī)定的準確度完成的最大測量次數。它主要取決于A/D轉換速度和運放響應時間。(7)誤差的表示主要技術特性：量化誤差；模擬誤差；偏移誤差；增益誤差；非線性誤差；轉換時間；偏移誤差增益誤差非線性誤差

A/D轉換器分類：逐次逼近式；間接式：雙斜積分式；壓頻轉換式；復合式；

特點：直接比較式：轉換速度快；抗干擾性差：間接式：轉換速度慢；抗干擾性強；一、逐次逼近式A/D轉換器輸入電路標準電壓源比較器輸入脈沖分配器譯碼顯示器數碼寄存器D/A轉換時鐘基于電位差計原理。比較器：鑒別電壓幅值脈沖分配器：將時鐘脈沖變成按時間分布的節(jié)拍脈沖；數碼寄存器：用來暫時存放與被測信號大小相對應的數碼；D/A轉換器：用來產生一系列步進基準電壓；基準電壓源：用來作為基準電壓的片內參考電壓；AD574的單極性接法舉例:AD574DIP28腳芯片，片內：A/D轉換；轉換控制；時鐘；總線接口；技術指標：

12bits

非線性誤差：1/2LSB;

模擬輸入范圍：5V；10V；0~10V；0~20V；

轉換時間：<25S；

功耗：450mWAD574的應用電路積分邏輯控制電路晶振控制門計數器VNVx進位復位門控顯示比較定時積分階段定斜積分階段由上兩式得0t1t2t2’V0V0’定時積分定斜積分積分器輸出電壓tT1T2二、雙斜積分式A/D轉換器將得代入T0為晶振周期N1和VN均為已知，因此，N2即反映了被測量Vx的大小。特點：抗干擾能力強；對積分元件的穩(wěn)定性和準確度要求低；速度慢，一般30次/秒。或三、脈寬調制(PWM)積分式A/D轉換器積分邏輯控制電路晶振控制門計數器Vx進位復位門控顯示比較節(jié)拍方波基準分頻

PWM式A/D轉換器是將輸入電壓調制為脈沖寬度(V/T)。然后再對脈沖寬度計數。積分器的輸入：被測電壓Vx、節(jié)拍方波、基準電壓積分器的輸出與零電平比較，比較結果控制基準電壓的極性，從而電路組成一個不連續(xù)的負反饋系統(tǒng)。由于節(jié)拍方波是正負對稱的，即在整個周期內的平均電壓為零，因此，基準電壓+UR和-UR

對應的時間寬度，決定于電壓Ux的大小，即完成了V/T轉換。積分器輸入電壓積分器各輸入電壓相加波形積分器輸出電壓調寬脈沖波形被測電壓正比于T2-T1四、快速及高準確度A/D轉換器1.三次積分A/D轉換器雙斜積分A/D-C缺點：速度慢。改進：對雙斜積分式A/D-C的對UN的反向積分分成一次粗積分和一次精積分。積分邏輯控制晶振比較1比較2

t0~t1

期間，對Ux定時積分t1~t2

期間，對UN

定斜積分，直到比較器1動作，此時積分器的輸出積分器輸出定時時間t1-

t0由計數器低位溢出決定顯然t=t3時，積分器的輸出為零。由此得在時間

t1~t2期間內，僅計數器高位工作，所計的脈沖數為在時間t2~t3期間內，計數器低位、高位均工作，所計的脈沖數積分器輸出t2~t3

期間，對定斜積分，直到比較器2動作，此時積分器的輸出將t1-t0、

t2-t1、

t3-t2時代入上式，得整理，得對UN的反向積分分成一次粗積分和一次精積分。這樣做的目的是縮短積分時間，并保證原有的準確度。對于14位的A/D-C，時鐘頻率10MHz雙斜積分式A/D-C：300次/秒；三次積分式A/D-C：26000次/秒。速度提高了85倍。2.全并行比較式A/D轉換器并行二進制輸出轉換邏輯這是所有A/D-C最快的。轉換時間僅受比較器上升時間的限制。轉換速度可以達到0.1S。當輸出電壓大于比較器的門限電壓時，比較器的輸出為“1”，否則輸出“0”。對于N位的A/D-C，需要2N個比較器。如十位A/D-C，需要有1023個比較器。由此嚴重限制了此種原理的A/D-C的位數。3位A/D-C改進：串并行比較式A/D轉換器3.余數再循環(huán)(RecirculatingRemainder)式A/D轉換器基本思想：用有限的N次(如N=5)來逐步逼近被測電壓Vx，每次得到的誤差(余數)進行放大，再做下一次比較。再循環(huán)取有限次，一方面是因為電路固有噪聲的限制，不可能無窮地如此循環(huán)轉換下去。另一方面，轉換結果的分率打0.1V，能滿足DVM的要求了。直流數字電壓表及其功能擴展一、直流數字電壓表電路舉例

介紹袖珍式(hand-held)數字萬用表常用的的核心芯片7106。

ICL7106——3-1/2位，可直接驅動液晶顯示；

ICL7107——3-1/2位，可直接驅動LED顯示

MC14433——3-1/2位，BCD碼輸出；

ICL7135——4-1/2位，BCD碼輸出；

ICL7129——4-1/2位，可直接驅動液晶顯示；7106將雙斜積分A/D轉換、七段譯碼、顯示驅動、基準及時鐘集成在同一CMOS芯片上。BP3G4AB3A2G2A1G1APOL999-1INTBUFFA/ZCref+Cref-IN+OSC2OSC3

IN-COMREF-REF+VV+9VVINICL7106的外圍電路二、由直流數字電壓表擴展為數字多用表

功能選擇R/V轉換I/V轉換AC/DC轉換輸入直流電壓量程選擇A/D轉換與指針式萬用表相似，數字多用表(DigitalMulti-Meter簡寫為DMM)是在直流數字電壓表的基礎上擴展而成的。區(qū)別在于：指針式字萬用表——基本量測量為直流電流；表頭為磁電系測量機構數字多用表——基本量測量為直流電壓；

表頭為A/D-C為核心的數字表頭。1.

AC/DC轉換電路平均值或設正弦信號u(t)=Umsint，則有效值或三、數字多用表的轉換器交流電壓(或電流)的特征參數波形系數有效值與平均值之比稱為波形系數。波峰系數峰值與有效值之比稱為波峰系數。正弦波：；方波：；三角波：正弦波：；方波：；三角波：畸變系數基波的有效值與總電壓有效值之比。

AC/DC轉換電路有兩種：(1)直流電壓正比于交流電壓的平均值；——較常見(2)直流電壓正比于交流電壓的有效值；——專門芯片實現平均值AC/DC轉換電路MM半波整流電路全波橋式整流電路由于二極管的死區(qū)影響，無源二極管整流電路會出現誤差。+運放二極管有源整流A1A2+-+-設Af為運放A1的閉環(huán)放大倍數，選Af=2，則當ui(t)為正半周時，

A1輸出負電壓，D1截止，D2導通，Ud得到ui(t)的負半周電壓；當ui(t)為負半周時，A1輸出正電壓，D2截止，D1導通，R2使A1閉環(huán)，同時，R7將ui(t)的負半周電壓送至d點，真有效值AC/DC轉換電路

真有效值AC/DC轉換電路能將任意波形的交流電壓轉換成與之有效值成正比的直流電壓。

熱電式AC/DC轉換器利用熱電偶產生的熱電勢與其加熱絲中交流電流有效值的平方成正比而實現的。此法作成的AC/DC轉換器，頻帶2Hz~100MHz，成本高。

電子式AC/DC轉換器由對數/反對數電路構成乘法器實現。有單片集成電路出售。轉換誤差0.05%。

P采樣計算法2.

I/V轉換器把被測電流Ix通過標準電阻RN變換為電壓Ux，再用DVM測量直流電壓Ux，則DVM為了減小轉換器內阻，標準電阻RN的值一般選的較小，這樣，直流電壓Ux

一般不大，為了準確測量電流Ix，需對電壓Ux進行放大。采用高輸入阻抗運放，以減小運放對Ix的分流作用。A1+-A2+-電流較大時的I/V轉換電路電流較小時的I/V轉換電路3.

R/V轉換器A1+-4.

峰值電壓測量衰減器絕對值電路峰值保持電路DVM對于峰值電壓的數字化測量，核心部分是將電壓峰值轉換為相應的直流電壓，然后用直流DVM測量該電壓大小。峰值保持電路是一種能跟隨輸入電壓變化，并能將最大值記錄下來的電路。峰值檢波-保持電路工作前，電容C電壓放電。在運放同相輸入端加正向電壓ux，D1導通，對C充電，并構成負反饋電路。A+-當ux達到極大值后開始降低，D1立即反偏而截止，運放開環(huán)，而使變負，使可靠截止，而uo不變。

D2的作用是防止D1截止時運放的深度飽和，同時也減少了D1的反向電壓?！?3-4電子計數器用來記錄脈沖個數?？捎脕頊y量頻率、周期、相位等參數。一、用電子計數器測量信號的周期放大整形控制門計數顯示分頻器晶體振蕩器TxT0Nx若T0=10-n秒，則fx=Nx，相差的僅是小數點的位置?？刂崎T：輸入信號作為門控信號；時鐘作為計數脈沖。二、用電子計數器測量頻率

若T0=10-n秒，則fx=Nx，相差的僅是小數點的位置。將測量周期的框圖基本相同。用被測信號作為計數脈沖，時鐘作為門控信號。放大整形控制門計數顯示分頻器晶體振蕩器TxT0Nx當被測信號的頻率較低時，改測信號的周期。放大整形控制門計數顯示分頻器晶體振蕩器Nx三、用電子計數器測量相位

放大整形開門關門先測量兩信號過零點對應的時間間隔T再測量信號的周期則兩信號的相位差四、電子計數器技術特性

計數頻率上限：100MHz；

靈敏度：100mV；

誤差：測量頻率：1/fx

T0

；

測量周期：T0/kTx；k:門控信號