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1、2 0 0 5 年中国科协学术年会论文集 直流数字电压表的原理及其检定 靳明 新山子石化公司计量检测中心长电室，83 3 6 0 0 摘要：文章介绍了数字表的发展、直流数字电压表的原理以及检定方法，从技术指标角度比较了三种类型 数字表的优、缺点。 关键字：数字表技术指标双积分式检定智能仪表 一、数字仪表的发展 ( 一) 数字仪表是将被测的连续量自动地转换成离散量，然后进行数字编码，并将测量结果以数字形 式进行显示的电测仪表。 “模拟量”和“数字量”通过“转换器”进行转换，一般可理解为A D 转换器加电子计数器就是数字 仪表，其核心是A D 转换器。 ( 二) 最早的数字电压表( D V M )
2、 出现于2 0 世纪初，是与电子计算机的发展密切相关的：1 9 5 2 年美国 研制出比较型的4 位数字电压表；同样是美国1 9 5 8 年使用步进开关的跟从比较式数字电压表，但很快被淘 汰；1 9 6 0 年开始出现5 位比较式、量程自动转换的数字电压表，由于使用了水银继电器，一方面成本高， 另一方面不能大于3 0 。的倾斜而受到局限；2 0 世纪7 0 年代，随着半导体集成化程度的不断提高，数字表 发展方向：小型化：准确可靠；价格低；功能广；速度快；目前的发展方向是：数字化测量系统( 类似于 单P C 和网络) 。 ( 三) 微处理器的引入不仅增强化了数字表的功能( 如统计、比例等) ，而
3、且使数字仪表出现新的特点： 程控操作；自校准；自诊断故障；计算处理；接口方便；硬件软化。 二、数字表的技术指标 ( 一) 测量范围：指电压表所能达到的被测量的范围。 ( 二) 有效测量范围：能满足误差极限的那部分测量范围。 ( 三) 基本量程：在多量程D V M 中测量误差最小的量程。( 注：为扩大测量范围，要设几个量程，而不 同的量程的设置是借用分压器和输入放大器来实现的，所以一般不加量程衰减器和量程放大器的量程是基 本量程，它的测量误差最小) 。 ( 四) 分辨力：所能够显示出的被测电压的最小变化值。即电压表显示器末位一个数字所代表的输入 电压值。一般数表的最低量程的分辨力为该表的高最分辨
4、力指标。如某表最小量程是0 0 2 0 0 0 V ，5 位显示， 末位的等效电压为1 0 uV 。 ( 五) 满度值：各量程有效测量范围上限值的绝对值。 直流数字电压表的原理及其检定4 6 5 ( 六) 基本误差：在标准条件下，经预热、预调、校准后，仪器本身所固有的2 4 h 的误差。 ( 七) 附加误差：当影响量中的一个量( 温度、电源、频率等) 偏离标准条件时所引起的仪表误差。 ( 八) 工作误差：在额定工作条件下，D V M 所具有的误差极限。 ( 九) 标准条件：为了检定和标准试验，对影响量所规定的一组有允许偏差的数值范围。 ( 十) 额定工作条件：是影响量的额定工作范围和仪表各性能
5、特性的有效范围的总和。在此条件下， 应保证D V M 的工作误差符合要求。 ( 十一) 线性误差：D V M 的实际测量曲线对理想直线的偏差。 测 量 值 l 23 45 测量点 ( 十二) 稳定误差：在规定时间内其它条件不变，D V M 在某一校准点显示值的最大变化量。包括波动、 漂移两种( 要求源一定要稳) ，有效期( 1 h 、2 h ) 和长期( 6 、1 2 个月) 。 ( 十三) 输入电阻：一般指在工作状态下从输入端看进去的输入电路的等效电阻( 很大) ，实际是用输 入电压的变化量和相应的输入电流变化量之比来表示的：R i = u I ( 十四) 零电流：是由仪器内部引起的在输入电
6、路中流出的电流。1 0 与输入信号无关，决定于仪器的 电路，不能用电压表调零的方法去掉，但是越小越好。 ( 十五) 抗干扰特性：要求仪器对干扰信号有一定的抵制能力，根据干扰信号加入方式不同，分串模 和共模两类。 ( 十六) 有关技术指标： 基本误差用绝对误差表示为：= ( Q U x + B U m ) 式中：u x 一被检表的读数显示值 U m 一被检表的满刻度值 Q 一与读数值有关的误差系数 t 3 一与满刻度值( 仪器本身) 有关的误差系数。 也可用相对误差表示为：Y = ( d + 1 3 U m U x ) 但是一般不用引用误差表示。举例如下：设有一数字电压表，量限为1 V ( 0
7、9 9 9 9m V ) ，4 位，0 1 级，如在l O O m V 处，由于其分度值为0 1 m V ，按相对误差表示：0 1 1 0 0 * 1 0 0 = 0 1 ，即0 1 级。 按引用误差表示：0 1 1 0 0 0 术1 0 0 = 0 0 1 ，即0 0 1 级。 若按0 1 级计算，则数字表的分度值为i m V 就够了。对数字而言，3 位就可以了。 所以，数字表的准确度采用两项和的形式表示有利于鼓励提高读数的位数，特别是评价非满量程点， 2 0 0 5 年中国科协学术年会论文集 是很有必要的。 三、数字表的原理 数字表的核心是直流数字电压表，而直流数字电压表一般由三部分组成：
8、A D 转换器，计数器，逻辑 控制器。仅以其为例说明数字表的原理。 ( 一) 电压反馈逐次渐近比较式： 其工作原理和用天平来称量物体质量的原理相类似，具体如下：有一套数字表内部的电压砝码，比如 是：2 V ，l v ，0 5 V ，0 2 5 V ，0 1 2 5 V ，0 0 6 2 5 V ，0 0 3 1 2 5 V 。用来测量1 3 4 3 8 0 的未知电压，选择量程以后： 第一步：将2 V 电压码与u x 比较，结果2 V U x ，此码被舍弃，记为“0 ”； 第二步：将l V 电压码加上，I V U x ，此码被舍，记为“0 1 0 ”； 第四步：将0 2 5 V 码加上，1 2
9、 5 V U x ，此码舍弃，记为“0 1 0 1 0 ”； 第六步：将0 0 6 2 5 V 码加上，1 3 1 2 5 V U x ，此码保留，记为“0 1 0 1 0 1 ”； 第七步：将0 0 3 1 2 5 V 码加上，1 3 4 3 7 5 V U x ，保留，记为“0 1 0 1 0 1 l ”。 对于这块表，已测试完成，得到“0 1 0 1 0 1 l ”，在显示时只要将被保留的电压码加起来， 即：i + 0 2 5 + 0 0 6 2 5 + 0 0 3 1 2 5 = i 3 4 3 7 5 V 误差：1 3 4 3 8 0 1 3 4 3 7 5 = 0 0 0 0 0
10、5 V 说明如下： i 电压码由一个高稳定的恒压源与一个精密电阻有规律组成的有源网络的组件来提供。 2 进行比较的系统的灵敏度极高，要有一套寄存器来存放“O ”、“1 ”。 3 逻辑控制电路要保证从高( 大) 到低( 小) 比较，并判别是否保留，舍弃。 4 测量速度取决于数模转换器的开关形式和比较鉴别电路，继电器开关晶体管开关( n 万次秒) ( 优点) 5 准确度主要取决于内部基准电压和数模转换器，抗干扰能力不强，是缺点。 ( 二) 斜波式电压一时间转换式： 2 0 世纪5 0 年代美国H P 公司首先研制成功。由二部分组成：A D 转换器、计数器，而A D 转换器由： 斜波电压发生器、零比
11、较器、信号比较器门电路等组成。 斜波电压发生器产生一个线性度很好的斜波电压；零比较器把零线电压和斜波电压相比较，当相等时， 比较器产生一个脉冲；信号比较器把被测输入电压U x 和斜波电压相比较，当两个电压的代数和为零时，比 较器产生一个脉冲。如下图： 直流数字电压表的原理及其检定 4 6 7 Vx V 么B D i 彳t 1 t 2 l L危 比 T 开 1r l l 时。 | | i T = t 2 - - t l = T8 N 有：t gQ = U ) 【T T = T 术N 其中N ：计数器所计脉冲数 有：U x = t ga 水T * N 只要确定了A D 转换比例系数t ga ，就可
12、以直接用计数器所计的脉冲数N 来表示被测电压。 说明如下： ( 1 ) 精度取决了A D 转换的误差，时间间隔测量精度两方面。而A D 转换误差又决定了锯齿斜波的 线性度和比较器的灵敏度。 ( 2 ) 优点：结构简单，造价低。缺点：精度低( 斜波线性度影响) ；抗干扰能力差( 瞬时测量) ；测量 速度慢( 计数器要累计计数) 。 ( 三) 双积分式 如下图： 原理：在一个测量周期内，首先将被测电压U x 加到积分器的输入端，在采样时间内定时积分；然后 切断u x ，在积分器的输入端加入与u x 反极性的标准电压E s ，对定值电压E s 进行反向定值积分；由于U x 和E s 不完全相等，重复
13、积分，一直积到积分器的输出返回到零电平为止，比较两次积分过程的时间，从而 将被测电压u x 变换成与其成比例的反向积分时间间隔T x ，再用脉冲计数法对此时间间隔进行测量，便得 到U x 。 公式：U x = Es N 0 * N x( 和积分器本身性能无关) N 0 、N x 对应于T x 和T 0 时间内的脉冲数。 说明如下： 1 精度取决于标准电压源和计数器准确度。 4 5 8 2 0 0 5 年中国科协学术年会论文集 2 又称为V T 转换积分式。 四、直流数字电压表( D C D V M ) 的检定 分为：周期检定，修理后检定和验收检定三类，仅以周期检定为例说明。 ( 一) 外观检查
14、：铭牌，壳，钮，连线，电源，保险等。 ( 二) 通电检查：开关，旋钮，预热，显示数码，极性等。 ( 三) 示值误差：要求检定点量程互相衔接，检定点连续性。基本量程不少于1 0 个，其它量程一般为 3 5 个，并在正、负极性上分别进行，各测一组数据。 ( 四) 工作状态下的输入电阻和零电流： 如下图： R i = Au AI = ( U 2 4 一U 1 4 ) ( U 2 3 一U 2 4 ) R 一( U 1 3 一U 1 4 ) R ) 1 0 = ( U 1 4 一U 1 3 ) R 注：1 直流电压E 应使D c D V M 显示值接近满度U m 。 2 R 应使显示值变化大，通常取0
15、 卜1 M Q 之间。 3 过程中要注意屏蔽。 4 可将E 极性改变，取R i 较小和1 0 较大的为结果。 ( 五) 显示能力：考察数字表的各位数码是否能全部显示并连续，经预热、调零、自校后进行检查， 可结合分辨力( 使数表最小量程的末位变化时的输入变化量的绝对值) 一起进行。 五、智能仪表简介 如下图： 直流数字电压表的原理及其检定4 6 9 特点是和计算机技术结合，2 0 世纪6 0 年代开始使用。美国H P 公司于1 9 7 4 年推出标准接口，即I E E E 一4 8 8 接口。 得到仪表发展的两条线：模拟仪器一数字仪器一智能仪器 单台仪器一组合仪器一虚拟仪器 参考文献 1 数字测量仪表陈传硕、王新成编中国计量出版社 作者简介靳明，1 9 9 0 年参加工作，“几何量计量”专业毕业，从事计量检测技术工作至今。联系电 话：0 9 9 2 3 8 6 3 2 4 6 ；邮箱j l z xj m p e t r o c h i n a c o m
