电子测量论文

电子测量论文

论文题目：交直流电压数字测量方法的研究学院：电子工程学院

年级：2011

专业：电子信息工程

姓名：陈丽君

学号：20114117

任课教师：李孝友

2014年 5月 8日

摘要

本文介绍了用数字采样技术测量交流电压信号的方法，从交流电压的定义及测量采样原理并采样电路和旁证实验验证了文中技术方案的有效性和可行性。目前通用的交流电压的测量方法采用基于模拟电路的有效值AC-DC变换方式。由于模拟电路的一些固有缺点限制了测量的精确度水平。在分析了当前测量交流电压的原理及硬件实现的优缺点后，本文提出了用数字采样测量交流电压的方法。通过对被测交流信号的数字采样过程，可以得到交流信号本身的全部信息，而不仅仅是有效值和频率。本课题通过研究高准确交流信号的测量，并保证了高准确度，交流电压的测量范围是有效值2V以下，频率2KHZ以下，采样电路由模拟电路和数字电路两部分构成。模拟电路部分主要是被测交流信号通过跟随器输入到采样AD芯片中，模拟电路的主要功能是把被测信号完整准确的输入到ADC芯片中进行采样，并防止数字电路对模拟电路产生干扰。

关键词

A/D转换器；基准；测量误差；交流电压；直流电压

目录

摘要 ............................................................................................................................................ I

第一章交直流电压基准 (1)

一、基准概念 (1)

（一）直流电压基准 (1)

（二）交流电压基准 (3)

第二章A/D转换器的原理 (4)

一、A/D转换器的概念 (4)

二、A/D转换器的工作原理 (4)

第三章交直流电压数字测量 (5)

一、交直流电压数字测量的原理及方法 (5)

（一）交流电压数字测量的原理及方法 (5)

（二）直流电压数字测量的原理及方法 (6)

二、测量的影响误差 (5)

结论 (12)

第一章交直流电压基准

一、基准概念

基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。

基准分为三类：

（1）一级基准，又称主基准和国家基准：具有最高水平的基准，一个国家只有一个。

（2）二级基准，又称副基准：副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对。

（3）三级基准，又称工作基准：工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。

基准的特性：基准具有权威性和相对性。

（一）直流电压基准

1、标准电池

利用化学反应产生标准电压（1.01860V）

饱和型：电压年稳定性可小于0.5μV，相当于5×10-7），温度系数较大（约－40μV/℃）。

用于计量部门恒温条件下的电压标准器。

不饱和型特点：温度系数很小（约－4μV/℃），但稳定性较差。

2、半导体电压基准：利用齐纳二极管的稳定特性制作的电压基准

3、量子电压基准：基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准

约瑟夫森量子隧道结：将2块超导体通过厚度约10埃的绝缘层隔开，构成的超

导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结

约瑟夫森量子效应：在约瑟夫森结两边加上电压V时，产生穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应。

约瑟夫森量子逆效应：将约瑟夫森结置于微波场中，约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn的现象，称为约瑟夫森量子逆效应。

约瑟夫森量子电压基准

国际计量委员会的建议：从1990年1月1日开始，在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准（JJA VS，10-10）。并给出KJ-90=483597.9GHz/V。

约瑟夫森量子阵: 约瑟夫森结产生的量子电压较低（mv级），将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联得到约瑟夫森结阵（JJA），可产生1V至10V的电压。

我国的约瑟夫森量子电压基准：

1993年底，1V 约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到6×10-9 1999年底，10V 约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为5.4×10-9

（二）交流电压基准

双测热电桥

准确度：直流电压标准准确度为10-5，则得到的高频电压标准准确度可达10-3 。 双测热电桥----自动平衡

高频电压

V 0

V 1

R F D C D C

R F R

G

R

R

R T

R T

C

C

V R F R

u(t)

冷端T0

加热丝

热

端T

测量热偶

电流表

平衡热偶

+

-V o

E x

E f

V i

热端T

连接导线

差分放大器

第二章A/D转换器的原理

一、A/D转换器的概念

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号

二、A/D转换器的工作原理

A/D转换器的工作原理：

（1）逐次逼近法

（2）双积分法

（3）电压频率转化法

逐次逼近法

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。

逐次逼近式A/D转换器的基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为V o，与送入比较器的待转换的模拟量Vi 进行比较，若V o

双积分法

采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。

电压频率转换法

采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。

电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压Vi加到V/F的输入端，便产生频率F 与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。

第三章 交直流电压数字测量

一、交直流电压数字测量的原理及方法

（一）交流电压数字测量的原理及方法

交流电压的测量

利用左图的电桥测量交流电压的方法：

将开关打到DC 端，调节直流电压源，使电桥平衡，记下此时的直流电压值为U0 。然后置于RF 端，此时再次调节直流电压源，再次使电桥平衡，记下此时的直流电压值为U1 。

由公式：

：

可以求出高频电压的有效值为：

交流电压的基本参量

交流电压的基本参量有：峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 峰值：以零电平为参考的最大电压幅值（用V p 表示 ） 平均值：相当于交流电压u(t)的直流分量。数学上的定义为：

有效值：交流电压u(t)在一个周期T 内，通过某纯电阻负载R 所产生的热量，与一个直流电压V 在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V 的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。有效值在数学上即为均方根值。 波峰因数：峰值与有效值的比值，用K p 表示。 波形因数：有效值与平均值的比值，用K F 表示。 峰值

u(t )V p

U m

U

高频电压

V 0V 1

R F

D C D C

R F R

G

R

R

R T

R T

C

C

V R F

平均值

数学定义 U =?T

T

dt t u 0

1

)(

交流测量中的平均值 U =dt t u T

T

?01

)(

平均值与峰值的关系 U =

V π

2P V 637.0≈P

交流电压有效值: 数学上有效值即为均方根。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。

利用峰值、平均值测量有效值的问题 正弦波： Kp=1.41 KF=1.11 方 波： Kp=1 KF=1 三角波： Kp=1.73 KF=1.15 锯齿波： Kp=1.73 KF=1.15 白噪声： Kp=3 KF=1.25 真有效值电路

在测量交流电压的某个参量时可以利用峰值、平均值、有效值之间的关系，测量出一个容易得到的参量值，利用波峰因数和波形因数，得到要测的参量值。例如要测量交流电的峰峰值，可以利用图（1）所示的电桥测出有效值，然后利用波峰因数求得交流电的峰峰值。

（二）直流电压数字测量的原理及方法

数字电压表组成

Digital V oltage Meter--DVM

2

()

u t 0

T

?

A

u(t)

V rms

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

逐次逼近式A/D 转换器

单斜式A/D 转换器

单斜式A/D 转换器

逐次逼近移位寄存器(SAR)

D /A 转换器

V x

+-比较器

CLK

S TA R T

A /D 转换结果2-1

2-n

M S B

LS B

V r

N 斜波电压

发生器

Q

Q

S E T

C LR

S

R

&

00

时钟

计数器

主门

V r

V x +

-+-门控信号

输入比较器

接地比较器

a

计数输入

V x

V x 、V r

门控信号

计数输入

N

V r t

1

T T

双积分式A/D 转换器

两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值

双积分式A/D 转换器

对被测电压定时积分

V om=-?2

11t t RC

V

xdt=-RC

T 1

Vx

对基准电压定值积分 0=V om -?

-32

1

(t t RC V r )dt=V om+V

RC T

2r

V x=V

T T 12r

T1=N1T;T2=N2T,T 为时钟

V x=V N N 12r=

eN2

数字多用表

二、测量的影响误差

测量误差的定义: 测量结果的可信程度----测量误差

A x x -=?

所有测量结果都有误差 误差来源:

仪器误差、环境影响误差、理论方法误差、人为误差、被测对象变化误差

主

门

高位计数器A

逻辑控制电路

数字输出

时钟

S 1

S 2

C

R

V x

-V r 积分器

比较器-+

-+S1

S2

V o

t 0

t 1复零t 2t 31

V o

V om

T 1

T 2

N 1

N 2

t

积分波形

计数器输入

a.

b.

清零

低位计数器B 主门清零

-+A

B

R 1R 2

R 3

t 32

T 3

N 3

V t

V r /10n

V t

N 2

N 3

f 0

T 0T 0

T 0AC/DC

I/V

Z/V

DVM

CPU

DC AC

I

Z

1、绝对误差:测量值与真值之差。

A x x -=?0

误差有大小，又有符号和量纲。

2、相对误差:绝对误差与被测量的真值之比。

%1000

?=

?A X γ

相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。 3、满度相对误差（引用相对误差）

用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值之比称为满度相对误差。

我国电工仪表满度相对误差采用分级表示方法。共分七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。量程选择被测量应当不小于满度值的2/3。

测量仪器技术条件及误差的表示方法：

技术条件：技术条件是规定仪器的用途、工作特性、工作条件，以及运输、贮存条件的技术文件。它既是设计制造厂商的产品标准，也是用户正确使用和维护仪器的重要依据。

测量仪器的用途：是研制或使用仪器的目的，它决定了仪器的功能，同时与仪器的工作条件、工作特性等密切相关。

测量仪器的工作特性：是用数值、公差范围等来表征仪器性能的量值，习惯上又称为技术指标。它分为电气工作特性和一般工作特性两类。

测量仪器的工作条件分为： 基准、额定和极限三种。 测量仪器的误差

测量仪器的容许误差可用工作误差、固有误差、影响误差、稳定误差等来描述。 为了保证测量仪器示值的准确，仪器出厂前必须由检验部门对误差指标进行检验在使用期间，必须定期进行校准检定，凡各项误差指标在容许误差范围之内，仪器视为合格。

工作误差，在额定工作条件下仪器误差的极限值。 固有误差，在规定的一组影响量的基准条件下给出的误差

影响误差，一个影响量对仪器测量误差的影响。如温度误差、频率误差。它是当一个影响量在其额定范围内，而其它影响量和影响特性均处于基准条件时所测得的误差。

稳定误差是仪器的其他影响量恒定的情况下，仪器在规定时间内产生的误差极限。 测量仪器误差表示

1、满度误差表示给出仪器的准确度等级。

γ±=?x m Xm s Xm ?=?%

2、读数误差+满度误差的形式，给出仪器容许误差。

x b x a x %%(+±=?m)

数字多用表误差： 固有误差和附加误差m

1、附加误差由输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起

2、固有误差:积分器误差；比较器误差；模拟开关误差；基准电压源误差；

H

L

I 0

D V M R s

V x

R i U os

I B

-+R

C

积分器

V i V o

U os

V o

t

实际积分器

输出

理想积分器

输出

结论

经过以上对交直流电压基准的说明，对A/D转换器基本原理的阐述，和对交流和直流电压测量原理和方法的讲解以及对它们测量误差的分析和处理方法的论述，我们对交直流电压测量有了细致的了解。在电子信息技术高度发达的今天，人类社会的发展和进步已经完全离不开电子测量这门科学。电压作为电子信息的一个最基本的参量，在很多方面得到了非常广泛的应用。对于科技如此发达的今天来说，对电压的测量早已不是一件很难的事情。我们生活当中有很多要用到电压测量的地方，也有很多测量电压的工具，测量电压已经是一件很简单的事情。但在科学研究当中，对电压测量的要求要比日常生活中要严格的多。如何获得更加精准的测量值十分重要。我认为获得精准测量的关键在于要选择最合理的精准的仪器，并在仪器要求的严格环境下测量；测量人员必须按照仪器使用规范和流程操作；要有对科学严格认真的态度，尽量避免因为操作不正确而造成误差，让测量结果更加的精确，所以人们应该朝着将误差逐渐缩小的方向努力，让科学更加的严谨。