第3章 電壓測量與電壓表.ppt

1、1,3.1 概述 3.2 直流電流、直流電壓的測量 3.3 模擬式交流電壓表 3.4 數(shù)字電壓表 本章小結(jié),第3章 電壓測量與電壓表,2,第3章 電壓測量與電壓表,學(xué)習(xí)參考：電壓是最基本的被測量，電壓表是基本測量儀器之一。要求通過學(xué)習(xí)了解電流的測量方法，理解電壓表的工作原理，熟練掌握電壓表的使用方法及讀數(shù)換算方法，明確積分式A/D變換器的工作原理，了解逐次比較式、三次積分式A/D變換器的工作原理。 本章要點：交流電壓的表征，模擬式交流電壓表的結(jié)構(gòu)、檢波器、正弦波有效值定度及電壓測量，數(shù)字電壓表的組成、性能指標及A/D變換器。,3,3.1 概述 電壓測量是電子測量的基礎(chǔ)，基本的電壓測量儀器是電壓

2、表。電壓表、示波器、計數(shù)器是電子測量三大儀器。 3.1.1 電壓測量的基本要求 在實際測量中，被測電壓具有頻率范圍寬、幅度差別大、波形種類多等特點，電壓測量應(yīng)滿足下列基本要求： 1. 頻率范圍寬 被測電壓的頻率范圍自零赫茲到數(shù)百兆赫茲，大致分為直流、低頻、視頻、高頻和超高頻等。所用電壓表必須具有足夠?qū)挼念l率范圍。 2. 量程寬,4,被測電壓的量值范圍很寬，小到幾納伏，大到幾百伏，甚至幾千伏至幾萬伏。測量之前，應(yīng)對被測電壓有大概的估計，所用電壓表應(yīng)具有相當寬的量程或具有針對性。測量小信號時應(yīng)選用高靈敏度電壓表，測量高電壓時應(yīng)選用絕緣強度高的電壓表來測量。 3. 輸入阻抗高 測量電壓時，電壓表等效

3、為輸入電阻Ri和輸入電容Ci的并聯(lián)，其輸入阻抗（Ri/Ci）是被測電路的額外負載。為了使被測電路的工作狀態(tài)盡量少受影響，電壓表應(yīng)具有足夠高的輸入阻抗，即Ri應(yīng)盡量大、Ci應(yīng)盡量小。 低頻測量時，因為交流電壓表的輸入電阻、輸入電容一般為1M、110pF，二者對被測電路的影響很小，故一般,5,不考慮電壓表輸入阻抗對被測電路的影響。但在高頻測量時，輸入電阻Ri和輸入電容Ci的容抗將變小，二者對被測電路的影響變大，一般要考慮電壓表輸入阻抗的影響，當它的影響不可忽略時，應(yīng)對測量結(jié)果進行修正。 4. 抗干擾能力強 測量工作一般是在受各種干擾的情況下進行的。當電壓表工作在高靈敏度時，干擾會引入明顯的測量誤差

4、，這就要求電壓表具有較強的抗干擾能力。必要時，應(yīng)采取一些抗干擾措施，如良好接地、使用短的測試線、進行屏蔽等，以減小干擾的影響。 5. 測量精確度高 直流電壓的測量可獲得較高的測量精確度，例如直流數(shù)字,6,電壓表一般可達10-410-7量級；交流電壓表的測量精確度可達10-210-4量級。在測量精確度要求不高時，可選用測量精確度在1%3%左右的電壓表。電壓表精確度表示方法如下： （1）滿度值的百分數(shù)%Um 具有線性刻度的模擬式電壓表一般采用這種表示方法，式中%為滿度相對誤差，Um為電壓表滿刻度值。 （2）讀數(shù)值的百分數(shù)%Ux 具有對數(shù)刻度的電壓表一般采用這種表示方法，式中%為讀數(shù)相對誤差，Ux為

5、電壓表測量讀數(shù)值。 （3）(%Ux+%Um) 數(shù)字電壓表一般采用這種表示方法。,7,（六）被測電壓波形種類多 不同類型電壓表的適用對象和使用方法是不同的，測量時，應(yīng)根據(jù)電壓表的類型和電壓波形來確定被測電壓的大小。 3.1.2 交流電壓的表征 交流電壓的表征量包括平均值 、峰值 、有效值U以及波形因數(shù)KF、波峰因數(shù)KP。 （一）平均值 平均值簡稱為均值，是指波形中的直流成分，所以純交流電壓的平均值為零。為了更好地表征交流電壓的大小，交流電壓的平均值特指交流電壓經(jīng)過均值檢波后波形的平均值，它分為半波平均值 和全波平均值 。如無特別說明，純交流電壓的平均值均為全波平均值 。,8,9,2. 峰值 交流

6、電壓的峰值是指交流電壓在一個周期內(nèi)（或一段時間內(nèi)）以零電平為參考基準的最大瞬時值，記為 （或UP），分為正峰值 （或UP+）和負峰值 (或UP-)。 一般情況下，正峰值 和負峰值 并不相等，峰值與振幅值Um也不相等，這是因為振幅值是以電壓波形的直流成分為參考基準的最大瞬時值。 對于雙極性對稱的純交流電壓，數(shù)值上存在關(guān)系：,經(jīng)常用到的交流電壓表征量還有谷值 和峰峰值UP-P，如圖3.1所示，注意圖中的平均值是未經(jīng)均值檢波的波形平均值。,10,11,4. 波形因數(shù)KF 交流電壓的波形因數(shù)KF定義為交流電壓的有效值U與平均值 之比，即 5. 波峰因數(shù)KP 交流電壓的波峰因數(shù)KP定義為交流電壓的峰值

7、與有效值U之比，即,不同波形的波形因數(shù)和波峰因數(shù)具有不同的定值，如表3-1所示。圖3.2所示為表3-1所用的波形圖。,12,13,3.1.3 電子電壓表的分類 電子電壓表簡稱為電壓表，分為模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。 1. 模擬式電壓表 模擬式電壓表即指針式電壓表，它用磁電式直流電流表（俗稱表頭）作為指示器，有直流電壓表和交流電壓表之分。 直流電壓表是構(gòu)成交流電壓表的基礎(chǔ)，用于測量直流電壓。 交流電壓表用來測量交流電壓，測量時，首先利用交直流變換器將交流變成直流，再依照測量直流電壓的方法進行測量，其核心為交直流變換器AC/DC。一般利用檢波器來實現(xiàn)交,14,直流變換。檢波器按其響應(yīng)特性分為均值

8、、峰值和有效值檢波器三種，交流電壓表則相應(yīng)地分為均值電壓表、峰值電壓表和有效值電壓表。 按照測量電壓頻率范圍的不同，交流電壓表還可分為超低頻電壓表（低于10Hz）、低頻電壓表（低于1MHz）、視頻電壓表（低于30MHz）、高頻或射頻電壓表（低于300MHz）和超高頻電壓表（高于300MHz）。 為了滿足不同測量對象的要求，模擬式交流電壓表有放大檢波式、檢波放大式和外差式等三種不同的結(jié)構(gòu)形式。 （1）檢波放大式電壓表 檢波放大式電壓表如圖3.3(a)所示。這種電壓表的頻率,15,范圍和輸入阻抗主要取決于檢波器。采用超高頻檢波二極管時，可使這種表的頻率范圍從幾十赫茲至數(shù)百兆赫茲，甚至可達1GHz，

9、輸入阻抗也比較大，一般稱之為高頻毫伏表或超高頻毫伏表。為了使測量靈敏度不受直流放大器零點漂移等的影響，一般利用調(diào)制式（即斬波式）直流放大器放大檢波后的直流信號。而且將檢波器做成探頭直接與被測電路連接，從而減小分布參數(shù)及外部干擾信號的影響。目前，高頻毫伏表的靈敏度已由以前的約0.1V提高到了毫伏級。如國產(chǎn)DA36型超高頻毫伏表即采用了調(diào)制式直流放大器，其頻率范圍為10kHz1000MHz；電壓范圍為1mV10V；3V量程，100kHz時的輸入阻抗100k，50MHz時的輸入阻抗50k。,16,（2）放大檢波式電壓表 放大檢波式電壓表如圖3.3(b)所示。由于寬帶放大器增益與帶寬的矛盾（二者乘積為

10、常數(shù)），使放大檢波式電壓表的頻寬難以擴展，靈敏度也受到內(nèi)部噪聲和外部干擾的限制。其頻率范圍一般為20Hz10MHz，靈敏度達毫伏級，通常稱之為視頻毫伏表，多用在低頻、視頻場合，如S401型視頻毫伏表的頻率范圍為20Hz10MHz，電壓測量范圍為100V1V，輸入電阻1M，輸入電容20pF。,17,（3）外差式電壓表 外差式電壓表又稱為選頻電壓表或測量接收機，其組成框圖如圖3.4所示。雖然也屬于放大檢波式，但因外差式電壓表利用混頻器，將輸入信號變?yōu)楣潭ㄖ蓄l信號后進行交流放大，可以較好地解決交流放大器增益與帶寬的矛盾，其靈敏度可以提高到微伏級。其頻帶寬度取決于本振頻率范圍，可從100kHz至數(shù)百兆

11、赫茲，一般稱之為高頻微伏表。如DW-1型高頻微伏表，最小量程為15V，最大量程為15mV（加衰減器可擴展到1.5V），頻率范圍為100kHz300MHz，分8個頻段，基本誤差為3%。,18,三種結(jié)構(gòu)形式電壓表的性能比較如表3-2所示。,19,此外，還有熱偶式電壓表。熱偶元件是由兩種不同材料的導(dǎo)體連接而成的具有熱電現(xiàn)象的元件。熱偶式電壓表是利用被測電壓加在電熱絲上對熱偶元件加熱而產(chǎn)生熱電勢，再根據(jù)熱電勢與加熱溫度的函數(shù)關(guān)系來測出被測電壓。 熱偶式電壓表的優(yōu)點是測量結(jié)果與被測信號波形無關(guān)，是一種真正的有效值電壓表，可以測量直流至上百兆赫茲的交流信號。例如DA24型熱偶表的頻率范圍為10Hz10MH

12、z，最小量程為300V，滿度誤差為1.5%。它的缺點是靈敏度低、輸入電阻低、受環(huán)境溫度影響大、個別電壓表的刻度非線性。,20,2. 數(shù)字式電壓表 數(shù)字式電壓表（DVM，Digital Voltmeter）是利用A/D（模/數(shù)）變換器將模擬量變換成數(shù)字量，并以十進制數(shù)字形式顯示被測電壓值的一種電壓測量儀器。 最基本的數(shù)字電壓表是直流數(shù)字電壓表。直流數(shù)字電壓表配上交直流變換器即構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。如果在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上，配上交流電壓/直流電壓（AC/DC）變換器、電流/直流電壓（I/V）變換器和電阻/直流電壓（R/V）變換器，就構(gòu)成數(shù)字萬用表。 直流數(shù)字電壓表的核心是A/D變換器。A/D變換

13、器分為積分式、比較式和復(fù)合式三種類型，直流數(shù)字電壓表相應(yīng)地分為,21,積分式、比較式和復(fù)合式三種類型。目前，應(yīng)用比較廣泛的是雙積分式DVM，其次是逐次比較式DVM。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對測量要求的提高，現(xiàn)在已有復(fù)合式DVM和雙積分式DVM的改進型三次積分式DVM等多種類型的數(shù)字電壓表供應(yīng)市場。 數(shù)字電壓表由模擬電路、數(shù)字邏輯電路和顯示電路三大部分組成，如圖3.5所示。圖中A/D變換器是數(shù)字電壓表的核心，它將被測模擬電壓變換成數(shù)字量，然后由數(shù)字邏輯電路進行計數(shù)，并由顯示電路顯示出被測電壓的數(shù)值。A/D變換器與數(shù)字邏輯電路、顯示電路一起構(gòu)成數(shù)字電壓表表頭。,22,數(shù)字電壓表還具有測量準確度高、分辨

14、力強、測速快、輸入阻抗高、過載能力強、抗干擾能力強等優(yōu)點。由于微處理器的應(yīng)用，目前高中檔數(shù)字電壓表已普遍具有數(shù)據(jù)存儲、自檢等功能，并配有標準接口，可以方便構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。而模擬式電壓表具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，頻率范圍寬等特點，并且還可以更直觀地觀測信號電壓變化情況。因此數(shù)字式電壓表還不能完全代替模擬式電壓表。,23,3.2 直流電流、直流電壓的測量 3.2.1 直流電流的測量 磁電式直流電流表（即表頭）可以直接用來測量較小的直流電流，測量時應(yīng)與被測電路串聯(lián)，而且允許通過的電流較小，如果電流過大，將損壞表頭，通常用作檢流計、微安表和小量程毫安表。 為了擴大表頭的電流量程，常采用與表頭并聯(lián)電阻的

15、方法，此并聯(lián)電阻稱為分流電阻或分流器，如圖3.6(a)和圖3.6(b)所示分別為開路式分流器和閉路式環(huán)形分流器。改變分流器阻值的大小可以改變電流表的量程，RP為電流表表頭內(nèi)阻。,24,在圖3.6中，由于被測電流IX的一部分被分流電阻R1、R2、R3分流，而使流過表頭的電流IA仍然能夠維持在額定范圍內(nèi)，這樣就不會損壞表頭，但因為表盤刻度是以被測電流的大小進行刻度的，所以能夠直接測出被測電流的大小。改變量程變換開關(guān)S的位置，接入不同的分流電阻R1、R2或R3，就,25,可以測量不同大小的電流IX。 一般選用電流表或萬用表來測量電流，測量時，儀表不能并接于被測電路兩端，而應(yīng)將儀表串接入被測電路中。測

16、量直流電流時，應(yīng)注意使被測電流經(jīng)正表筆（“+”端）流入儀表，由負表筆（“”端）流出。如果不知被測電流的正負極性可以將萬用表量程開關(guān)打在最大量程，瞬間測量一下，觀察表針偏轉(zhuǎn)方向，如果正偏，說明接法正確，反偏則應(yīng)調(diào)換表筆位置。另外，還應(yīng)注意選用合適的量程進行測量，不知被測電流范圍時，可從最大量程量起，逐漸變小量程，直至量程合適為止。 3.2.2 直流電壓的測量 磁電式電流表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測電流I成正比，當它,26,具有一定內(nèi)阻時，偏轉(zhuǎn)角度與其兩端的電壓也成正比，它可以用來測量直流電壓。但因為表頭的內(nèi)阻不大，允許通過的電流又小，所以測量電壓的范圍很小，一般為毫伏級。為了測量大電壓，常采用與表頭串聯(lián)

17、電阻的方法，此電阻稱為分壓電阻，如圖3.7所示。改變分壓電阻可以改變電壓表的量程。 交流電壓的測量參見本章后續(xù)內(nèi)容。 除了用電壓表測量電壓外，還可以利用示波器、失真度,27,測量儀、頻譜儀等儀器來測量電壓。電壓表和示波器是電壓測量的基本儀器，但示波器能夠直接測量出交流電壓的瞬時值，而電壓表卻不能測量出交流電壓的瞬時值。 3.3 模擬式交流電壓表 模擬式交流電壓表主要分為高頻電壓表和低頻電壓表。高頻電壓表一般采用檢波放大式結(jié)構(gòu)，多采用峰值檢波器檢波，故稱之為峰值電壓表。低頻電壓表通常稱為交流電壓表或交流毫伏表，一般采用放大檢波式結(jié)構(gòu)，利用平均值檢波器或有效值檢波器檢波，分別構(gòu)成均值電壓表和有效值

18、電壓表。 3.3.1 低頻交流電壓表 1. 均值電壓表 均值電壓表以均值檢波器作為交直流變換器。均值檢波,28,器即整流器，它輸出的直流電壓（即檢波后波形的平均值）與輸入交流電壓的平均值成正比（該特性稱為檢波器的響應(yīng)特性），故稱為均值檢波器。均值電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測交流電壓的平均值成正比，故交流電壓平均值稱為均值檢波器或均值電壓表的實際響應(yīng)值。 （1）均值檢波器 常用均值檢波器電路如圖3.8所示，圖3.8(a)、圖3.8(b)、圖3.8(c)、圖3.8(d)分別為橋式、半橋式全波均值檢波器和半波整流式、加隔直電容的半波整流式均值檢波器，比較常用的是半橋式全波均值檢波器和圖3.8(d)圖的半

19、波整流式均值檢波器，電容C為濾波電容。,29,均值檢波器輸出的直流電壓即電容C兩端的電壓，設(shè)為 。經(jīng)推導(dǎo)得知，橋式、半橋式檢波器滿足關(guān)系： = ， 為輸入交流電壓的平均值；半波整流式檢波器滿足關(guān)系： 。分析檢波器的工作波形，可見均值檢波器的輸出始終等于整流后波形的平均值。 圖3.9(a)和圖3.9(b)分別為JB-F1型、JB-1B型均值電壓表檢,30,波器。圖3.9(a)圖與圖3.8(b)相同，VD3用以保護微安表不致因過載而損壞。圖3.9(b)圖中，VD1VD4構(gòu)成全橋式檢波器，R1、C2組成濾波器，R2、VD5為線性補償電路，當信號較低時，由于二極管的非線性，表頭電流偏小，此時，R2、V

20、D5的分流作用減小，使表頭電流有所增加，起到線性補償作用；當,31,信號頻率過低（210 Hz）時，閉合開關(guān)S可以減小表針擺動，稱之為阻尼開關(guān)。 （2）刻度特性 均值電壓表一般以輸入正弦波有效值的大小來定度，即正弦波有效值定度。當測量正弦波電壓時，正弦波的有效值U就等于電壓表的讀數(shù)值U，即U=U；當測量非正弦波電壓時，電壓表的讀數(shù)值無明確的物理意義，只說明非正弦波電壓平均值與讀數(shù)值相等的正弦波電壓平均值相等，即,32,式中，K為電壓表的定度系數(shù)，反映的是電壓表實際響應(yīng)值 與讀數(shù)值U之間的關(guān)系； 為正弦波平均值； 、UN、 、KFN、KPN為非正弦波的平均值、有效值、峰值、波形因數(shù)和波峰因數(shù)。常

21、見波形的波形因數(shù)、波峰因數(shù)的大小可以查閱表3-1。 只要確定出檢波輸出電壓后，不管是哪種均值檢波器的電壓表，均可采用上述計算式進行計算。 例3-1 用均值電壓表測量正弦波、三角波電壓時，已知電壓表的讀數(shù)均為20V，試分別計算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？,33,解： 測量正弦波時： U=U=20V 測量三角波時： 答：（略）。 （3）均值電壓表的組成 經(jīng)推導(dǎo)得知，全波均值檢波器輸入電阻 ，而Rd、Rm的大小一般為100500、12k，則全波均值檢波,34,器的輸入電阻Ri=13k，不滿足電壓表高輸入阻抗的要求，所以均值電壓表的結(jié)構(gòu)不可以是檢波放大式，否則，將嚴重影響被測電路的

22、工作狀態(tài)。均值電壓表的組成如圖3.10所示，屬于放大檢波式電壓表。 阻抗變換器是均值電壓表的輸入級，通常利用射極跟隨器或源極跟隨器來提高均值電壓表的輸入阻抗?？勺兞砍趟p器通常是阻容分壓器，用于改變均值電壓表的量程。寬帶交流放大器是決定均值電壓表性能的關(guān)鍵，用于信號放大，以提高均值電壓表的測量靈敏度。 均值電壓表屬于低頻電壓表，它的靈敏度可以達到毫伏數(shù),35,量級，頻率范圍一般為20Hz10MHz，故又稱之為視頻毫伏表。均值電壓表的應(yīng)用很普遍，如SX-2172型、DA-16型、DA-12型、GB-9型、GB-10型、AS2292型等。 （4） 誤差分析 均值電壓表測量誤差的主要來源包括：指示電

23、流表的誤差、檢波元器件的不穩(wěn)定性誤差、波形誤差及頻率誤差等。在此主要分析波形誤差和頻率誤差。 1）波形誤差 波形誤差是在用均值電壓表測量非正弦波電壓時，將電壓表的讀數(shù)值當成被測電壓的有效值而產(chǎn)生的誤差。 波形誤差的絕對誤差為：U=U0.9KFNU=(10.9KFN)U 波形誤差的示值相對誤差為：=U/U=10.9KFN,36,例如，測量三角波時的波形誤差為： 因此，在使用電壓表測量非正弦波電壓時，應(yīng)注意檢波器的類型，正確理解讀數(shù)的含義，并進行換算。 2）頻率誤差 頻率誤差是在檢波器對高頻輸入信號檢波時，由于二極管結(jié)電容容抗減小而使本應(yīng)處于截止狀態(tài)的二極管失去單向?qū)щ娦远鴰淼母哳l頻響誤差。圖3

24、.11為圖3.8(a)均值檢波器負半周內(nèi)的高頻等效電路，圖中Rd、Cd為二極管的正向?qū)娮韬徒Y(jié)電容；Rm、L為電流表的等效電感及內(nèi)阻。 低頻時，Cd的容抗很大，二極管處于截止狀態(tài)。高頻時，Cd的容抗變小而產(chǎn)生,37,分流，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生， 該誤差稱為頻率誤差。 例如SX2172型交流毫伏 表20Hz100kHz的頻率 誤差為2%；10Hz 500kHz時為5%； 5Hz2MHz時為10%。 除此之外，交流放大器增益與帶寬的矛盾也是產(chǎn)生頻率誤差的原因之一。,38,2. 有效值電壓表 有效值電壓表類型繁多，例如，檢波式（常用分段逼近式有效值檢波器）、熱偶式、計算式等。一般認為有效值電壓表的讀數(shù)就

25、是被測電壓的有效值，而與被測電壓波形無關(guān)，稱之為真有效值電壓表。 （1）分段逼近式有效值檢波器 經(jīng)推導(dǎo)得知，只要電路的輸出特性曲線具有平方律特性，該電路就可以實現(xiàn)有效值檢波。圖3.12所示的分段逼近式有效值檢波器的輸出特性曲線就具備上述特性，但它的曲線是由眾多不同斜率的線段構(gòu)成的。這些線段是因為輸入電壓的大小不同而改變了檢波器負載電阻的大小得到的。圖3.12(b)圖中，由三條不同斜率的曲線逼近成為具有平方率特,39,性的曲線。 分段逼近式有效值檢波 器的輸出與交流電壓有效值 的平方成正比，因此，電壓 表的刻度是非線性的。如 DY-2型電壓表即屬于分段逼近式有效值電壓表。 （2）熱偶式（即熱電變

26、換式）有效值檢波器 它是根據(jù)交流電壓有效值的定義，利用具有熱電變換效應(yīng)的熱電偶來實現(xiàn)有效值檢波的。該方式的電壓表頻率范圍很寬，上限頻率達幾十兆赫。,40,圖3.13為DA-24型電壓表原理圖。T1、T2兩個性能相同的熱電偶構(gòu)成熱電偶橋，稱為雙熱偶變換器，T2稱為平衡熱電偶。T1、 T2產(chǎn)生的熱電動勢分別為Ex=k（k1Ux）2（k為熱電偶比例常數(shù)、k1為放大器增益）、Ef=kUo2，只要直流放大器增益很大，則輸入端電壓U=ExEf0，即Uok1Ux。 DA-24型電壓表頻率范圍為10Hz10MHz，最小量程為1mV，最大量程為300V，滿度誤差為1.5%。,41,（3）計算式有效值檢波器 如圖

27、3.14所示，計算式有效值電壓表是根據(jù)交流電壓有效值的數(shù)學(xué)計算式，利用有關(guān)的運算電路來實現(xiàn)有效值檢波。,42,3.3.2 高頻交流電壓表（峰值交流電壓表） 測量用高頻交流電壓表一般為峰值電壓表，峰值電壓表以峰值檢波器作為交直流變換器。峰值檢波器的響應(yīng)特性及其名稱的由來是：峰值檢波器輸出的直流電壓與輸入交流電壓的峰值成正比。因此，峰值電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與被測交流電壓的峰值成正比，交流電壓的峰值稱為峰值檢波器的實際響應(yīng)值。 1. 峰值檢波器 圖3.15所示常見峰值檢波器中，圖3.15（a）圖為串聯(lián)式峰值檢波器，又稱為開路式峰值檢波器，即包絡(luò)檢波器；圖3.15（b）圖為并聯(lián)式峰值檢波器，又稱為閉路式

28、峰值檢波器。圖,43,3.15（a）、圖3.15（b）圖的檢波器輸出電壓 。 圖3.15（c）圖為雙峰值檢波器，是兩個串聯(lián)峰值檢波器的組合， 。圖3.15（d）、圖3.15（e）圖為倍壓式峰值檢波器，圖3.15（d）圖結(jié)構(gòu)為橋式，圖3.15（e）圖是并聯(lián)、串聯(lián)峰值檢波器的組合， 。 串聯(lián)式峰值檢波器中的電容C起到濾波和檢波的作用，無隔直作用，所以檢波器的實際響應(yīng)值為交流電壓實際波形的峰值。并聯(lián)式峰值檢波器中的電容C既為隔直電容又是檢波電容，所以檢波器的實際響應(yīng)值為交流電壓的振幅Um。除少數(shù)情況下，一般采用并聯(lián)式峰值檢波器或雙峰值檢波器。如無特別說明，峰值檢波器均特指為并聯(lián)式峰值檢波器。,44,

29、45,雖然圖3.15(a)、圖3.15(b)所示電路與圖3-8d圖的電路形式相似，但前者必須滿足峰值檢波條件，即充電時間常數(shù)RdCTmin；放電時間常數(shù)RCTmax；Tmin和Tmax 為輸入信號最小周期和最大周期，Rd為二極管正向?qū)娮?。而后者的充放電時間常數(shù)近似相等。 圖3.16(a)為HFG-1B型高頻毫伏表的并聯(lián)式峰值檢波器，其中C1、VD1、R2為檢波電容、檢波二極管、檢波負載電阻，R1、C2組成濾波器。在R2與調(diào)制放大器之間的雙T形網(wǎng)絡(luò)，可以防止50Hz干擾信號串入調(diào)制放大器。C1的取值視被測電壓頻率范圍而定。從擴展上限頻率的角度來看，C1應(yīng)小一些，從擴展下限頻率角度來看，C1應(yīng)

30、大一些。 圖3.16(b)為DA-4型高頻毫伏表雙峰值檢波器。為了擴展頻,46,率范圍，檢波器利用了兩個探頭，上下部分分別為高頻探頭和低頻探頭。R3為檢波負載電阻，R1、C3、C4與L構(gòu)成濾波器，,47,VD2與其右邊器件構(gòu)成串聯(lián)式峰值檢波器，VD1、C1與右邊器件構(gòu)成并聯(lián)式峰值檢波器。低頻探頭與高頻探頭的構(gòu)成相似。 2. 刻度特性 峰值電壓表也以正弦波有效值進行定度。當測量正弦波電壓時，正弦波電壓有效值U等于電壓表的讀數(shù)值U，即U=U。當測量非正弦波電壓時，電壓表的讀數(shù)值U沒有明確的物理意義，只說明非正弦電壓的峰值與讀數(shù)值相等的正弦波的峰值相等。 測量非正弦波電壓時，非正弦波電壓有效值等的計

31、算如下：,（3-1）,（3-2）,48,式中，K為峰值電壓表的定度系數(shù)。 采用串聯(lián)式峰值檢波器時，式(3-1)、（3-2）中的峰值為交流電壓實際波形的峰值，而采用并聯(lián)式峰值檢波器時，式(3-1)、（3-2）中的峰值為純交流電壓波形的峰值，即交流電壓波形的振幅值。 例3-2 用峰值電壓表測量正弦波、三角波電壓，已知電壓表的讀數(shù)均為20V，試分別計算正弦波、三角波的有效值、平均值和峰值各是多少伏？,49,解： 測量正弦波時： U=U=20V 測量三角波時： 答：（略）,50,3. 峰值電壓表的組成 串聯(lián)式、并聯(lián)式峰值檢波器的輸入阻抗分別為負載電阻R的1/2、1/3倍，R通常取值為幾兆歐姆至幾百兆歐

32、姆，故峰值檢波器的輸入阻抗很高，能夠與被測電路相接。峰值表的構(gòu)成一般為檢波放大式，如圖3.17所示，其中直流放大器通常為調(diào)制式直流放大器。由于峰值檢波器體積小，故可以做成探頭與被測電路直接相接，因此，通過交流信號的測試線很短，分布參數(shù)以及引入的干擾信號比較??；而且由于采用調(diào)制式直流放大器，使得檢波放大式峰值表的頻寬及靈敏度都比較理想。不過，峰值電壓表的構(gòu)成也可以是放大檢波式，但性能不如檢波放大式好。這是因為放大器不僅體積大而且需要電源，,51,所以放大器不能直接與被測電路相接，這樣勢必要加長測試線，從而增大了分布參數(shù)、干擾信號等對測量精度的影響；而且由于采用交流放大器，使得電壓表的頻寬也受到影

33、響。,峰值表常用作超高頻毫伏表，適于測量高頻信號，這是由檢波放大式電壓表特性所決定的。峰值表也是比較常用的電子電壓表，如DA-1型、DA-4型、HFJ-8型、HFJ-8A型、DYC-5型等。 4. 誤差分析,52,（1）理論誤差 因峰值檢波器輸出電壓平均值實際上要略小于被測電壓峰值UP，因此會產(chǎn)生理論誤差。測量正弦波時的 理論誤差為： （2）波形誤差 峰值電壓表測量非正弦波電壓時，若將電壓表讀數(shù)值當成它的有效值會產(chǎn)生波形誤差。 波形誤差的絕對誤差為：,53,例如，測量三角波時的波形誤差為： （3）頻率誤差 如果被測信號頻率過低而不滿足RCTmax的峰值檢波條件時，由于放電時間過長，下將較多，而

34、產(chǎn)生低頻頻率誤差。低頻頻率誤差為： 除低頻頻率誤差外，高頻分布參數(shù)的影響也會帶來高頻誤差。,54,頻率特性誤差fx又稱為頻率影響誤差，是指電壓表在工作頻率范圍內(nèi)各頻率點的電壓值相對于基準頻率電壓值的誤差，它反映了電壓表的頻率誤差。計算如下： 式中，Uf0為基準頻率上被測電壓示值；Ufx為其他頻率上被測電壓示值。 例如，AS2271超高頻毫伏表頻率特性誤差，以100kHz為基準，100kHz50MHz，3%；10kHz600MHz，10%；600MHz1GHz，15%。,55,3.3.3 模擬式電壓表實例 AS2292型雙輸入交流電壓表是一種單指針電表指示、雙路輸入的放大檢波式電壓表。該電壓表具

35、有小型化、低噪聲、高輸入阻抗、高靈敏度、溫度穩(wěn)定性好等特點，可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗、維修等工作中的電壓或電平測量。 1. 主要技術(shù)指標 （1）電壓測量范圍 300V100V，分12擋。 （2）電平測量范圍 70dB40dB(0dB 1mV 600)。,56,（3）頻率范圍 20Hz1MHz。 （4）電壓測量固有誤差（以1kHz為基準） 300V3mV各擋5%；3mV100V各擋3%。 （5）電壓測量工作誤差（在基準頻率時） 各擋7%。 （6）輸入阻抗 1kHz時輸入電阻約為500k；輸入電容在300uV1V各擋約為45pF，3V100V各擋約為25pF。,57,2. 工作原理

36、AS2292型交流電壓表原理框圖如圖3.18所示，主要由衰減器、分壓器、放大檢波器、穩(wěn)壓電源和量程控制器等部分組成。,58,輸入信號由S1切換“A輸入”或“B輸入”狀態(tài)。R1、R2組成高阻衰減器。對于1V以上的輸入信號經(jīng)衰減后進入阻抗變換器。1V以下量程均不作衰減。 在10mV以下量程，放大器對輸入信號進行放大；在30mV以上量程，信號均由分壓器衰減。 分壓器由R3R6低阻值電阻組成，衰減量分別為0dB、10dB、20dB、30dB。將放大器、分壓器、分壓器的三組信號組合起來使用，構(gòu)成儀表的12擋量程。 儀表的量程由2刀12位波段開關(guān)控制。其中高阻衰減器由繼電器S4變換，放大器和分壓器由開關(guān)S

37、5控制。在10mV以下各擋，分壓器斷開；在30mV以上各擋，放大器不工,59,作，信號經(jīng)過衰減后進入分壓器，分壓器由四刀模擬開關(guān)（CH4066）變換。檢波器為如圖3.8(b)所示的半橋式均值檢波器。 3.3.4 使用方法及注意事項 一般來說，在選用電壓表時除了要選擇量程、頻率范圍、誤差和輸入阻抗合適的電壓表外，還應(yīng)注意： （1）調(diào)零 測量電壓之前應(yīng)注意檢查指針是否處在零位，否則應(yīng)進行機械調(diào)零或電氣調(diào)零。必要時還要注意通電預(yù)熱。 （2）量程選擇 除非所用電壓表為非線性刻度的電壓表或者被測信號是特,60,殊信號，例如，均值電壓表測量噪聲電壓時的指針要求指在滿度值的1/2處，一般情況下，應(yīng)盡量使指針

38、處在量程滿刻度值的2/3以上區(qū)域。如果事先不知道被測電壓的大小，可以先從大量程開始，再逐步減小量程，直至量程合適為止。 （3）拆接線順序 由于電壓表靈敏度較高，測量時應(yīng)先接入與機殼相連的接地線，然后接入另一測試線。測量結(jié)束時，應(yīng)按相反順序取下連接線。否則外界或者內(nèi)部的感應(yīng)信號有可能使儀表指針偏轉(zhuǎn)超過量程而損壞表頭。測量時，接地點應(yīng)可靠接地。 （4）測量非正弦波電壓 除了選擇檢波類型合適的電壓表外，還應(yīng)注意正確理解讀數(shù)的,61,含義并對讀數(shù)進行修正，否則將產(chǎn)生波形誤差，影響測量準確度。 （5）測量音頻電壓 在測量數(shù)伏級以上的音頻電壓時，可以使用一般的導(dǎo)線作為測試線；而在測量毫伏級音頻電壓時，必須

39、嚴格調(diào)零，并盡量選用短的金屬屏蔽線作為測試線。 （6）測量電平值 電平即絕對電平，有功率電平Pw和電壓電平Pu之分。 1）功率電平LP(Power Level)的定義式為 式中，Px和Pr分別為被測點的功率和基準功率。,62,當取Pr=1mW時，Lp的單位為dBmW（分貝毫瓦），即 當取Pr=1W時，Lp的單位為dBW（分貝瓦），即 2）電壓電平Lv（Voltage Level）的定義式為 式中，Ux和Ur分別為被測電壓有效值和基準電壓。 當Ux為600被測阻抗的電壓有效值，并取Ur=0.775V時，由于1mW功率在600阻抗上的電壓為0.775V，所以所求得的電壓電平Lv的單位可寫成dBW（

40、分貝毫伏）。即,63,實際工作中，如果被測阻抗為600，可將測試線直接并接于被測點兩端，電壓電平Lv為 Lv=LvL+LvP(dBmW) 式中，LvL和LvP分別為儀表量程開關(guān)和儀表表頭的分貝指示值，LvL、LvP和Lv的單位為dBmV。 實際工作中，如果被測阻抗不等于600，經(jīng)推導(dǎo)得知，電壓電平為 或,64,式中，R為被測阻抗，單位為；LvL、LvP和Lv的單位為dBmV。 以上以dBmV為單位表示的電壓電平與相應(yīng)功率電平（dBmW）的數(shù)值相等。例如，如果600阻抗上的電壓為0.775V時，阻抗上的功率約為1mW（1mW(0.775)2600 ），此時的電壓電平和功率電平的數(shù)值均為0；如果1

41、50阻抗上的電壓為1.55V時，阻抗上的功率約為16.02mW（16.02mW（1.55V)2150 ），此時，電壓電平和功率電平分別為,65,如果只考慮電壓電平本身，不考慮是否與相應(yīng)功率電平之間的關(guān)系，那么求電壓電平時，可以不管被測點的阻抗是否為600，此時，電壓電平單位為dBV（分貝微伏）。電壓電平的計算如下： Lv=lvL+LvP(dBV) 當取Ur=1V為基準電壓時，電壓電平的單位為dBV(分貝伏)。 目前電壓電平常用于廣播通信方面，如調(diào)音臺的調(diào)音設(shè)備及電氣測試設(shè)備及儀表等。功率電平常用于聲學(xué)儀器及其他測試儀器。 （7）注意安全、防止觸電 在測量36V以上電壓時，必須注意,66,3.4

42、 數(shù)字電壓表,安全，以防觸電。 （8）校準 為保證儀表的測量準確度，儀表使用一個時期后應(yīng)借助標準電壓表進行校準。,與模擬式電壓表相比，數(shù)字電壓表具有精度高、測速快、抗干擾能力強和便于實現(xiàn)電壓測量智能化與自動化等優(yōu)點，應(yīng)用比較廣泛。但由于不能較直觀地觀測到交變電壓的變化情況，故不能完全替代模擬式電壓表。在此，我們僅討論直流數(shù)字電壓表。 3.4.1 主要技術(shù)指標 1. 電壓測量范圍,67,（1）量程 數(shù)字電壓表一般有好幾個量程，量程的改變通常由電壓表的步進衰減器與輸入放大器的適當配合來實現(xiàn)。信號未經(jīng)衰減器衰減和放大器放大的量程稱為基本量程，基本量程的測量誤差最小。量程變換有手動變換和自動變換兩種，

43、自動變換借助于內(nèi)部邏輯控制電路來實現(xiàn)。 （2）顯示位數(shù) 數(shù)字電壓表中能顯示09十個數(shù)碼的數(shù)位稱為滿位，否則，稱為半位或1/2位。例如，最大顯示數(shù)字為9.999的稱為4位數(shù)字電壓表；最大顯示數(shù)字為19.999的稱為 位數(shù)字電壓表。最大顯示數(shù)字為39.999的稱為 位數(shù)字電壓表，因為39.999的,68,左邊第一位可以顯示的數(shù)字為03共4個數(shù)字，但可以作為有效數(shù)字的只有1、2、3共3個數(shù)字，而滿位位數(shù)為4，故稱之為 位數(shù)字電壓表。最大顯示數(shù)字為11.999的也稱為 位數(shù)字電壓表，因為由于量程限制等原因，雖然左邊第二位在顯示最大數(shù)字時只能顯示為1，但在其他情況下也可以顯示09這十個數(shù)字，該位仍為滿位

44、，而左邊第一位則可以顯示01共2個數(shù)字，故仍稱之為 位數(shù)字電壓表。最大顯示數(shù)字為19.999、39.999、11.999的數(shù)字電壓表統(tǒng)稱為4位半數(shù)字電壓表。 （3）超量程能力 超量程能力是指數(shù)字電壓表在一個量程上所能測量的最大電壓超出量程值的能力，是數(shù)字電壓表的一個重要指標。數(shù)字,69,電壓表有無超量程能力，要根據(jù)它的量程分擋情況以及能夠顯示的最大數(shù)字情況來決定，其計算式如下： 例如，最大顯示數(shù)字分別為9.999、19.999、5.999、11.999，對應(yīng)量程分別為10V、20V、5V、10V的數(shù)字電壓表的超量程能力分別為0%、0%、20%、20%。 有了超量程能力，在有些情況下可以提高測量

45、精度，例如被測電壓為10.001V，若采用不具有超量程能力的4位DVM10V擋測量，讀數(shù)為9.999V；用100V擋測量，讀數(shù)為10.00V，這樣就丟掉了0.001V的信息。若改用有超量程能力的四位半DVM10V擋測量，均可讀出10.001V，顯然提高了精度。,70,2.分辨力 分辨力即靈敏度，是指數(shù)字電壓表能夠反映出的被測電壓最小變化值，實際上就等于所選量程最右邊數(shù)字的一個單位，即末尾的“1”表示出的電壓值。不同量程的分辨力不同，最小量程的分辨力最高。通常以最小量程的分辨力作為數(shù)字電壓表的分辨力。 例如，4位DVM在1V、10V量程上的分辨力分別為0.0001V、0.001V，則DVM的分辨

46、力為0.0001V。這是因為，4位DVM的最大顯示數(shù)字為9999，量程為1V、10V時，可以判斷出滿量程時的顯示數(shù)字應(yīng)分別為“.9999”、“9.999”，根據(jù)定義即可判斷出上述分辨力的大小。,71,3.測量誤差 數(shù)字電壓表的測量誤差通常以它的固有誤差或工作誤差來表示，屬于允許誤差。數(shù)字電壓表的固有誤差一般采用以下兩種表示方法： U=(%Ux+%Um) 或 U=%Uxn字 式中，Ux為被測電壓讀數(shù)值；Um為數(shù)字電壓表量程滿度值；%Ux稱為讀數(shù)誤差，隨被測電壓的變化而變化；、稱為相對項系數(shù)、固定項系數(shù)；%Um=n字，稱為滿度誤差。 量程確定后，滿度誤差為固定值，可用n字來表示，n字等于滿度誤差與

47、末尾數(shù)字1個單位電壓（即分辨力）的比值。,72,例3-3 某5位DVM在5V量程測得電壓為2V，已知5V量程的固有誤差計算式為U=(0.005%Ux+0.004%Um)，試求DVM的固有誤差、讀數(shù)誤差和滿度誤差各是多少？滿度誤差相當于幾個字？ 解：因為DVM位數(shù)為5，且量程為5V，所以電壓表末尾1個單位為0.0001V。 讀數(shù)誤差為：0.005%Ux=0.005%2V=0.0001V 滿度誤差為：0.004%Um=0.004%5V=0.0002V 滿度誤差相當于： 固有誤差：（0.0001V+0.0002V）=0.0003V 答：（略）,73,4. 輸入電阻和輸入零電流 數(shù)字電壓表的輸入電阻一

48、般不小于10M，可達1G，一般情況下基本量程的輸入電阻最高。 為了提高數(shù)字電壓表的輸入阻抗而用場效應(yīng)管等有源器件構(gòu)成電壓表的輸入電路，故當電壓表輸入端短路時，測試線上會有電流通過，該電流稱為輸入零電流或輸入偏置電流。測量電壓時該電流是始終存在的，應(yīng)盡量減小輸入零電流。 5.抗干擾能力 數(shù)字電壓表的抗干擾能力較強，通常用串模干擾抑制比和共模干擾抑制比來表示，干擾抑制比的數(shù)值越大，表明數(shù)字電壓表抗干擾的能力越強。,74,（1）串模干擾 串模干擾又稱為常模干擾或常態(tài)干擾，是指以串聯(lián)方式與被測信號一起作用于儀表輸入端的干擾信號，如圖3.19(a)所示。圖中ux、 usm1為被測電壓和其中混有的串模干擾

49、信號，usm2為引線感應(yīng)產(chǎn)生的干擾信號、H、 L為DVM的高、低輸入端。,75,串模干擾抑制比一般是針對工頻干擾而言，計算如下： （2）共模干擾 當被測對象為浮置電壓或與DVM相距較遠時，由于被測信號源地線與DVM地線之間存在電位差而產(chǎn)生共模干擾，該干擾信號對DVM的高、低輸入端都產(chǎn)生影響，這種干擾可能是直流，也可能是工頻或高頻交流。 圖3.19(b)為共模干擾示意圖。圖中，Z1 、Z2為DVM兩個輸入端與機殼間絕緣電阻，一般Z1Z2。R1、R2為輸入信號線電阻。共模干擾電壓ucm將產(chǎn)生電流I1和I2分別串入R1、R2兩個支路，形成兩個串模干擾電壓I1(R1+R2)和I2 R2對測量產(chǎn)生影響。

50、,76,共模干擾抑制比計算如下： 6.測量速度 測量速度是指在單位時間內(nèi)，以規(guī)定的準確度完成的最大測量次數(shù)，或完成單次測量所用的時間。數(shù)字電壓表的測量速度主要取決于A/D變換器的類型，不同類型的DVM的測量速度差別很大，測速較快的是比較式DVM，測速較慢的是積分式DVM。測量速度是描述數(shù)字電壓表的一項重要技術(shù)指標，而不是模擬式電壓表的技術(shù)指標。 另外，數(shù)字電壓表DVM通常具有自動調(diào)零、自動切換量程和顯示極性等自動功能。,77,3.4.2 A/D變換器 數(shù)字電壓表的核心是A/D變換器，應(yīng)用比較廣泛的是雙積分式A/D變換器以及逐次比較式A/D變換器。 1. 雙積分式A/D變換器 雙積分式A/D變換

51、器即雙斜式A/D變換器，屬于V-T型積分式A/D變換器。它將直流電壓與基準電壓的比較通過兩次積分變換為兩個時間段的比較，并由此將模擬電壓變換為與其輸入電壓的平均值（即輸入直流電壓）成正比的時間段，時間段的長短則由計數(shù)器來測定，計數(shù)器所得的計數(shù)值即A/D變換的結(jié)果。 雙積分式A/D變換器的工作過程分為準備、取樣和比較三個,78,階段，其原理框圖如圖3.20所示，輸入為負電壓時的工作波形如圖3.21所示，圖中ui(t)、uo(t)和p(t)分別為積分器的輸入信號、輸出信號和計數(shù)脈沖，（t0t1）、（t1t2）、（t2t3）分別為準備、取樣、比較時段，虛線為輸入Ux時的波形，輸入為正電壓時的工作波形

52、與圖示波形方向相反。 準備階段，S1閉合、S2接地，使積分電容C完全放電，為取樣作準備。 取樣階段，S1斷開、S2將積分器的輸入端接輸入電壓Ux，積分器對Ux定時積分（設(shè)正向充電），當計數(shù)器計數(shù)為N1（常數(shù)），即t2時刻，定時取樣完畢。 比較階段，S1仍斷開、S2打在與Ux極性相反的基準電壓UR（UR為恒定值，電路中一般設(shè)置有輸入電壓極性檢測電路）,79,處，積分器對UR反向積分(即反向放電)。當積分器輸出電壓下降為零，即t3時刻，邏輯控制電路控制計數(shù)器停止計數(shù)，本次A/D變換結(jié)束。,80,顯然，電容 t2時刻充上的電荷與t3時刻放去的電荷相等。經(jīng)推導(dǎo)得知： （3-3） （3-4） 式中， 為

53、Ux在時間T1內(nèi)的平均值；T1=t2t1，為定時取樣時間；T2=t3t2，為定值比較時間；UR/N1稱為A/D變換器的變換靈敏度，通常設(shè)置為110nV(n為自然數(shù))，即數(shù)字電壓表的分辨力；N2為取樣階段所計脈沖數(shù)，與輸入電壓的大小有關(guān)。 可見，雙積分式A/D變換器的取樣階段為定時不定值正向積分，比較階段為定值（基準電壓）不定時反向積分。,81,雙積分式A/D變換器具有穩(wěn)定性好，準確度高，抗干擾能力強等的優(yōu)點。這是因為取樣和比較時使用的是同一積分器和時鐘，因此，R、C參數(shù)值的緩慢變化以及運算放大器、時鐘等性能的不穩(wěn)定都不會影響變換準確度。由式（3-3）可看出，變換結(jié)果只反映模擬輸入的平均值，所以

54、，只要采,82,樣時間T1為干擾信號（特指工頻干擾）周期的整數(shù)倍，則干擾信號產(chǎn)生的平均值為零，A/D變換器抗干擾能力得以提高。因為雙積分式A/D變換器的輸出只響應(yīng)于輸入信號的平均值，所以計算式中用 而不用Ux。 由于雙積分式A/D變換器具有上述突出的優(yōu)點，雙積分式數(shù)字電壓表應(yīng)用比較廣泛，如國產(chǎn)PZ-12、DS-14、DS-26、DS-18A型等。 由式（3-4）可看出，無論是要增強變換器的抗干擾能力，還是要提高數(shù)字電壓表的分辨力，都要延長取樣時間，這樣就使得雙積分式A/D變換器的變換速度不可能提高上去，它的變換速度一般低于20次/s。為了提高A/D變換器的變換速度，對雙積分式A/D變換器進行改

55、進而出現(xiàn)了三次積分式A/D變換器。,83,2. 三次積分式A/D變換器 三次積分式A/D變換器又稱為三斜式A/D變換器，它是將雙積分式A/D變換器的第二次積分（定值反向積分）分成兩次進行：粗積分、精積分。其目的是加快變換速度、減小變換誤差。 三次積分式A/D變換器的工作過程分為準備、取樣、粗積分和精積分四個階段，在此主要介紹后三個階段的工作過程。其原理框圖和積分器輸出波形如圖3.22和圖3.23所示。 （1）取樣階段（t1t2） 圖3.22中計數(shù)器共有2n位。t1時刻，邏輯控制電路控制S4閉合，S1S3斷開，Ux被接入積分器，開始取樣（第一次積,84,分），取樣時間由計數(shù)器低位部分溢出脈沖控制

56、，設(shè)t2時刻結(jié)束取樣，則取樣時間為（t2t1）=2n/f0，即計數(shù)器所計脈沖數(shù)為N1=2n。 （2）粗積分階段（t2t3） t2時刻，邏輯控制電路控制S3閉合，S1、S2、S4斷開，基準電壓UR接入積分器，開始粗積分（第二次積分），積分器輸出向反方向變化，當反方向積分至基準電壓Ur時，比較器1動作，產(chǎn)生標志t3時刻的指令。在對UR進行積分期間僅計數(shù)器高位部分（22n-12n）工作，至t3時止，計數(shù)器所計脈沖數(shù)為N2=2nf0(t3t2)。 （3）精積分階段（t3t4）,85,根據(jù)t3時刻的指令，邏輯控制電路閉合S2，斷開S1、S3、S4，將UR/2n接入積分器，開始精積分（第三次積分），直至積

57、分輸出電壓為0，比較器2動作，產(chǎn)生標志t4時刻的指令，至此一個變換周期結(jié)束。 在t3t4期間， 計數(shù)器低位部分 工作，進行精確 計數(shù)，所計脈沖 數(shù)如為N3=f0(t4t3)， 果計數(shù)器超出2n （即低位部分溢,86,出），溢出脈沖進位到計 數(shù)器高位部分。 在三次積分期間，積 分器的輸出從零開始最后 回到零，故積分電容凈得 電荷為零。經(jīng)推導(dǎo)得知： N=2nN2+N3 （3-5） 式中，N為計數(shù)器所計脈沖數(shù)，它表示輸入電壓的平均值。由于N3對應(yīng)的基準電壓為UR/2n，所以得出式（3-5）。,87,經(jīng)證明得知：m位分辨力的雙積分式A/D變換器一般需要2m+1個脈沖數(shù)來變換滿度值（每次積分需要2m個脈

58、沖）。所以時鐘頻率為10MHz的14位分辨力的雙積分式A/D變換器的變換速度約為300次/秒（ ）。而14位三次積分式A/D變換器計滿的脈沖數(shù)共為32m/2=327，其變換速度可達26000次/秒（ ），故比雙積分式的速度可提高約85倍。三次積分式A/D變換器常被用于智能數(shù)字電壓表中，例如HP3455型、HP3458A型數(shù)字電壓表等。 另外，由于精積分時的基準電壓僅為UR/2n，而使積分器輸出以很慢的速度越過零點，故可以提高變換精度。,88,3. 逐次比較式A/D變換器 逐次比較式數(shù)字電壓表又稱為反饋編碼式數(shù)字電壓表，其核心是逐次比較式A/D變換器。逐次比較式A/D變換器的工作原理類似于天平稱

59、量物體質(zhì)量，按照“大者棄、小者留”的原則，將被測電壓與可變基準電壓逐次進行比較，直至逼近出被測電壓值。 (1) 逐次比較式A/D變換器工作原理 逐次比較式A/D變換器的原理框圖如圖3.24所示。 數(shù)碼寄存器SAR(Successive Approximation Register)在時鐘脈沖的作用下逐次提供從高位到低位代表不同電壓（即跳步電壓）的二進制基準碼。例如，設(shè)DVM基本量程滿度值為10V,89,（即UR=10V），且A/D變換器的位數(shù)為6位（二進制），則從高位到低位每個二進制基準碼的跳步電壓值分別為 5V （102-1）、2.5V(102-2)、1.25V(102-3)、 0.625V(102-4)、0.3125