第5章数字测量方法-电压

第5章数字测量方法

?5.1 电压测量的数字化方法?5.2 直流数字电压表?5.3 多用型数字电压表?5.4 频率的测量

?5.5 时间的测量

?5.6 相位的测量

5.1 电压的数字化测量

?DVM 的组成原理及主要性能指标

?1）DVM 的组成

–数字电压表（Digital Voltage Meter ，简称DVM ）。–组成框图输入电路A/D 转换器数字

显示器

逻辑控制

电路

时钟发生器

模拟部分数字部分V x

5.1 电压的数字化测量

–DVM的应用

?直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低

速A/D转换器）。

?通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。

?通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻

抗等测量，进一步扩展其功能。

?基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，

Digital MultiMeter）。

?DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)。

–2）主要性能指标

?显示位数

–完整显示位：能够显示0-9的数字。

–非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最

高位上）。

–如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数

字为9999 。

–而4位半DVM，具有4位完整显示位，有1位非完整

显示位，其最大显示数字为19999 。

?量程

–基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由

动态范围确定。

–通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展

其他量程。

?分辨力

–指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。

–用每个字对应的电压值来表示，即V/字。

–不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不

同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。

–例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为

0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的

末尾数字将变化“1个字”）。

?分辨率

–分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。如上述的DVM 在最小量程

，则

分辨

率为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3位半的DVM ，可显示出1999（共2000个字），则分辨率为?测量速度

–每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D 转换器的转换速度。

–一般低速高精度的DVM 测量速度在几次/秒~几十次/秒。

?测量精度

–取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温

度等）。

–固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。

--读数误差与当前读数有关。主要包括DVM的

刻度系数误差和非线性误差。

--满度误差与当前读数无关，只与选用的量程

有关。

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。

?输入阻抗

–输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。

–输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。

–对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10MΩ-1000MΩ之间。

–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。

抗干扰能力

DVM的灵敏度很高，对外部干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。

1) 串模干扰

串模干扰是指干扰电压u

sm 以串联形式与被测电压U

x

叠

加后加到DVM输入端，图(a)表示串模干扰来自被测信号源内部，图(b)表示串模干扰是由于测量引线受外界电磁场感应所引起的。

串模干扰抑制比SMR

SMR(dB)=20 lg 式中，U smp 表示串模干扰电压峰值；ΔU sm 表示由串模干扰U sm 所引起的测量误差。SMR 值愈大，表示DVM 抗串模干扰能力愈强。

一般DVM 的SMR 值为20-60dB

sm

smp

ΔU U

设串模干扰源为正弦波：

u sm (t )=U smp sin ωt =U smp sin 式中，T sm 为正弦型串模干扰的周期。对于积分型DVM 而言，由于积分过程就是取平均值的过程，因此对于正弦型串模干扰的抑制能力很强。可以证明，积分型DVM 的串模干扰抑制比为t T sm

π2sm

1sm 1

πsin πlg 10SMR T T T T =串模干扰的危害主要在低频，实际测量中主要是50Hz 工频

2) 共模干扰

Z 1、Z

2

是DVM两个输入端与机壳间的绝缘阻抗，一般Z

1

>>Z

2

;

R 1、R

2

是测量引线的电阻。测量电流使R

1

、R

2

都产生压降----

共模干扰。这个干扰源U

cm

串入两根信号引线，其作用等效于信号通道中的串联干扰源，对测量结果发生影响

如果(R 1+Z 1)=(R 2+Z 2)，则尽管有U cm 存在，等效的U sm 也等于零，不会影响测量结果。因此将U cm 与U sm 的比值定义为DVM 的共模抑制比：

CMR(dB)=20 lg 式中，U cmp 和U smp 分别为共模干扰的峰值和它等效的串模干扰的峰值。

smp

cmp

U U

一般Z 1>>Z 2，故可忽略图中I 1的影响，所以有

U smp ≈R 2I 2≈R2 ·

即CMR(dB)≈20 lg 当R 2一定时，尽量增大|Z 2|，可以增大CMR 。

通常DVM 中将A/D 浮置并采取多层屏蔽措施就是为了这一目的。

||||2cmp 22c 2cmp Z U R Z R R U ≈++2

2||R Z

A/D转换原理

?A/D转换器分类

–积分式：以积分器为基础，将输入电压和基准电压转换为时间进行比较，它实际上是一种间接测量的方案。

有：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率

（V-F）变换式等。

–比较式：以电压比较器为基础，直接对输入电压和基准电压进行比较。

有：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。

A/D转换的技术特性

A/D转换的技术特性是影响数字式电压测量特性的主要因素。A/D转换的主要技术参数如下：

(1) 转换精度。A/D转换的转换精度用分辨率和转换误差表示。分辨率以输出二进制或十进制数的位数表示，它说明了A/D转换器能够分辨的输入信号最小变化量。实际上，n位的A/D转换的功能就是将基准对应的满量程电压分为2n 份，通过比较确定输入电压处于哪一个份中。在同一份内的输入电压具有相同的输出编码，无法通过输出编码分辨

这些输入电压。这样的量化过程必定会引入一定的量化误差，即转换误差。理论上的量化误差为量化间隔的一半。

(2) 转换时间。转换时间即A/D转换从启动信号到转换完成，数据稳定输出所需要的时间。不同方式的A/D转换所具有的转换时间有很大差异，比较式A/D转换通常具有较高的速度，积分式A/D转换的转换时间则较长。

(3) 转换线性度。输入电压与输出编码之间理想的传递关系是线性对应的。但是，实际A/D转换器的传递关系总是或多或少存在非线性。转换线性度通常用非线性误差表示，即由于非线性的传递关系使输出编码具有的最大误差，单位是量化间隔。

A/D转换原理

1.并行比较式ADC

基本原理：是利用一系列电阻构成分压网络，通过分压同时获得所需的所有基准电压，并将输入电压与这些基准电压同时进行比较。

转换速度快

电路的规模大

A/D转换原理

2 逐次逼近比较式ADC—减小规模

–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“对分搜索”的策略，逐步缩小V

未知

x 范围的办法。

–上式表示，若把V r 不断细分（每次取上一次的一半）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。

5 2.5 1.250.6259.375r V V V V V V

≈+++=2 逐次逼近比较式ADC

–假设基准电压为V r (U N )=10V ，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。V 可分解为：