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

*名：***

学号：********

任课教师：***

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

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。