北京交通大学电子测量4-19多斜积分式DVM

电子测量作业4-19
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2017.12.7
目录
一、题目要求 (3)
二、原理分析 (3)
2.1现代数字电压表（DVM）原理 (3)
2.2 双斜积分式ADC (4)
2.3 三斜积分式ADC (5)
2.4 多斜积分式ADC (6)
三、仿真结果 (8)
3.1 双斜积分式ADC电路 (8)
3.2 三斜积分式ADC电路 (8)
3.3 一个简单的DVM仿真 (9)
四、总结 (11)
一、题目要求
4-19 在Multisim环境下，设计一种多斜积分式DVM，给出原理图和仿真实验结果。

二、原理分析
2.1现代数字电压表（DVM）原理
现代数字电压表（DVM：Digital Voltage Meter）是以高性能的模数转换器（ADC: Analog Digital Converter）为核心组成的，电压表的测量、显示、数据处理及其他自动化功能都是在逻辑控制电路的统一协调下进行的。

如图所示为数字直流电压表的原理框图。

输入调节电路实现阻抗变换、信号放大、量程选择等功能，ADC完成将模拟直流电压转换为数字量的功能，存储器/输出缓存实现数字量的暂存功能，显示器则以十进制数字形式给出测量结果显示。

在一些高级的台式电压表中，逻辑控制电路通常由微处理器来实现，存储器的容量也比较大，以配合快速测量及对外输出数据的需要；而在一些手持式电压表中，逻辑控制电路、ADC、存储器/输出缓存以及显示的驱动电路则集成在一片集成电路中，结构紧凑、精巧、轻便。

在交流数字电压表中，在输入调节电路之后配接有效值检波器，先将交流电压转换为直流电压，然后由数字直流电压表来完成后续的测量和显示任务。

例如，Agilent 34401A就采用了这种方式。

随着ADC技术的发展，现在的数字电压表开始采用高性能ADC直接进行交流信号的采样，由微处理器对信号周期内足够多采样值进行数值计算，实时给出被测电压的真有效值。

下图所示为交流数字电压表的原理框图。

2.2 双斜积分式ADC
双斜积分式ADC又称为双积分式，其工作原理是首先对被测电压进行定时积分，然后对参考电压进行定值积分。

通过两次积分过程，将被测电压变换成与之成正比的时间间隔，再由计数器完成时间间隔测量，然后给出测量结果。

双斜积分式DVM的组成原理框图如图所示：
相关的工作波形图：
在定时积分时间T1内，()x 1x 21d 1U RC T t U RC U t t om =⎰--=。

在定值积分时间T2内，
0d 1ref 2om ref om o 32=-=⎰-=U RC T U t U RC U U t t 。

因此，ref 2om U RC T U = ，ref 12x U T T U =。

由于T1=N1T0，T2=N2T0，ref 12x U N N U =。

在被测电压受到串模干扰电压Usm 的干扰时，ADC 的输入电压为：)(sm x U U u x +-=，则
x 1x om d 121u RC T t u RC U t t =⎰-=。

2.3 三斜积分式ADC 三斜积分式ADC 是在双斜积分式ADC 的基础上发展起来的。

双斜积分式转换器具有抗干扰性能强的特点，在采用零点校准和增益校准前提下其转换准确度也可以做得很高，但显著的不足之处是转换速度慢，并且分辨力要求越高，其转换速度也就越慢。

三斜积分式ADC 可以较好地减小积分式ADC 的计数误差、提高测量速度。

三斜积分式ADC 的原理框图与双斜积分式ADC 十分相似。

只是开关S1在反向积分阶段，在接入参考电压Uref 一段时间后，还要接入另一个小k 倍的参考电压Uref/k ，并分别用计数器对这两段反向积分时间进行计数。

三斜积分式DVM 的组成原理框图如图所示：
它由基准电压-VREF 、积分器、比较器和由单片机构成的计数控制电路组
成。

三斜积分式ADC 工作波形：
第一个积分阶段所用时间：T1=N1T0；
反向积分分为两个子阶段：T21=N21T0，T22=N22T0。

由0d 1d 1d 122211ref ref x =⎰-⎰-⎰T T T t k U RC t U RC t U RC 可得，。

2.4 多斜积分式ADC
多斜积分式ADC 是在三斜积分式ADC 的基础上发展起来的。

多斜积分式ADC 不仅能减小积分式ADC 的计数误差、提高测量速度，而且还可以减小对于积分器动态范围的要求，全面克服积分式ADC 的不足。

下图是多斜积分式ADC 的一个简化组成框图。

从图中可以看出，多斜积分式ADC 有多个参考电压，且极性也有正负两种。

多斜积分式ADC 的工作过程也分为两个大的阶段。

第一个阶段是定时积分阶段；第二个阶段是对参考电压进行积分的阶段，可称为比较阶段。

尽管阶段划分与双斜、三斜积分式ADC 基本相似，但具体的工作过程却有较大的差别。

ref 12221x U kN N kN U +=
U
U
-U U ref -U ref
在定时积分阶段，首先对被测电压积分，但经过一段时间后，在保持被测电压输入的同时，接入与被测电压极性相反的参考电压Uref或-Uref。

由于Uref 要比被测电压的绝对值大，从接入参考电压之后，积分器的输出就向相反方向变化。

在输出电压穿过零电压后，在下一个计数时钟到来时，接入另一个极性的Uref参考电压，使积分输出电压在此向相反方向变化，直到定时积分时间结束。

由于各段积分时间都是时钟周期的整数倍，因而各阶段的计数值没有计数误差。

记录各段时间的参考电压极性和时钟周期数，可以推算出积分器第一个阶段结束后积分输出电压值。

在第二个阶段，仅对参考电压进行积分，但参考电压的极性和大小有多种选择。

在开始时，先对大的参考电压进行反向积分。

积分输出电压穿过零电压后，在下一个时钟到来时，就用极性相反、数值小一个等级的参考电压进行积分。

记录各段积分过程中的参考电压极性、大小和时钟周期数，最终可以推算出被测电压值。

多斜积分式ADC工作波形如下：
三、仿真结果
3.1 双斜积分式ADC电路
利用Multisim中的ADC转换器进行模拟分析验证，电路如下：
设Vref=5V，D=2n V/VREF其中输出数字量位数2n
=255，D=255V/VREF
当输入电压为2V时，D=255/2.5=102，用十六进制表示为66F。

在用三或多斜式积分电路上我们不能用到此芯片，否则就要加一个DAC才可以观测到波形。

3.2 三斜积分式ADC电路
设计出三斜积分A/D转换器模拟电路部分如下。

图中放大电路选用比较精密的Op07，比较器选用LM311；图中的开关都可以用逻辑控件控制（如单片机，只要将各个开关控制端接到单片机不同控制端口上即可实现不同的开关通断控制）原理同书上相同，先通过可选择量程的放大器，再在通过积分电路和比较器，不同的是加了一个Vref/28参考电压，当积分小于一个低电平时，再通过对-Vref/28的积分产生反向电压，达到三积分效果。

由于三积分电路积分过程比较复杂，需要在不同状态中控制不同的开关，因此并没有进行观察波形的模拟。

3.3 一个简单的DVM仿真
由于多斜式积分ADC电路比较复杂，需要一些逻辑控件，在这里，仅利用multisim中的基于双积分ADC思想的ADC芯片和一个由8个D触发器组成的寄存器74ls373给出一种简单的DVM模拟。

如图所示，参考电压为5V，输入正弦电压Vp=3V通过ADC芯片转换成数字信号，每次转换结束后EOC发出结束信号，将数据存入寄存器中，寄存器在每次时钟上升沿状态时进行下一状态输出。

通过示波器观察输出波形与数码管显示数字的关系。

由图可见，数码管显示数字和模拟电压输出呈现对照关系，但数码管是十六进制，利用74ls47可以实现4321BCD转换，且根据双积分型ADC公式可以将数码管结果换算成模拟电压的数值，实现DVM功能。

四、总结
通过本次仿真，我加深了对双斜积分式ADC、三斜积分式ADC以及多斜积分式ADC的理解，更加深入地领会了它们的工作原理。

虽然Multisim功能有限，不能完全完成多斜积分式DVM的仿真，但利用ADC芯片可以基本实现其功能。

在本次仿真中我仔细阅读了课本，查阅了一些前人的资料，虽然耗费时间较长，但结果还算是令人满意的。

11。