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1、5.1 概 述 5.1.1 电压测量的特点 5.1.2 电压测量仪器的分类 5.1.3 交流电压的基本参数 5.2 数字电压表 5.2.1 A/D变换器 5.2.2 显示电路 5.2.3 DT-890型数字电压表 5.3 模拟式电子电压表 5.3.1 放大检波式电子电压表 5.3.2 检波放大式电子电压表 5.3.3 外差式电子电压表 5.3.4 热电耦变换式电子电压表 5.3.5 模拟电子电压表的使用,本章要点 理解对电压测量的基本要求及电压测量仪器的分类 掌握以正弦有效值定度的三种变换器电路的电压表对各种 波形的电压有效值、平均值和峰值的测量 掌握数字电压表的原理框图，了解其基本工作原理和
2、主要工作特性 本章难点 电压信号的特点、交流电压信号的表征形式和表征量值的相互转换 模拟电子电压表的构成和工作原理 数字电压表的原理框图及工作原理,5.1 概 述,电压、电流、功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在集总参数电路里，考虑到操作的安全性、方便性、准确性以及过载能力等因素，测量的主要参量是电压，所以电压测量是最基本的。电压和电流由欧姆定律联系在一起，它们是一个现象的两个侧面。在电子技术中，除直流电流外，几乎都是测量电压而不去测量电流。此外，包括测量仪器在内的电子设备，它们许多工作特性（如调幅度、非线性失真系数、品质因数、幅频特性等）均可视为电压的派生量。可见，电压测量技术是电子测
3、量中最基本和最重要的内容之一。,5.1.1 电压测量的特点,在电子技术领域中所要测量的电压实际上就是各种各样的电信号，这些电信号具有频率范围宽、幅度范围大、波形复杂、含有噪声干扰等特点，正是这些特点要求我们的电压测量具有以下特点。 1.频率范围宽 2.电压范围广 3.输入阻抗高 4.被测电压波形的多样化 5.测量精度高,5.1.2 电压测量仪器的分类,就电压测量的一般原理来说，分为变换原理、比较原理、取样原理（严格来说取样原理也属于变换原理）三种，其中变换原理使用最广泛。就电压表的显示形式来说，可分为模拟电压表和数字电压表两大类。 常用的电压测量仪器有模拟式电压表、电子电压表和数字式电压表三种
4、类型的测量仪器。 1.模拟式电压表 2.电子电压表 3.数字式电压表,5.1.3 交流电压的基本参数,交流电压的峰值、平均值和有效值是交流电压的基本参数，一个交流电压的幅度特性可用峰值、有效值和平均值基本参数以及与基本参数相关的波形因数KF，波峰因数KP等参数来表征。 1.峰值 2.平均值 3.有效值,4.三者之间的关系,为了表征同一信号的峰值、平均值和有效值之间的关系，我们引入波形因数KF和波峰因数Kp。 (1)波形因数KF波形因数KF是该电压的有效值与其平均值之比，即 (2)波峰因数KP波峰因数KP是该电压的峰值与其有效值之比，即,表5.1列出几种典型的交流电压的波形参数。,5.2 数字电
5、压表,数字电压表（DVM）在如今已成为极其精确、灵活多用并价格正在下降的电子仪器。此外，DVM能很好的与其他数字仪器相连接，已成为自动化测量系统发展中最重要的环节。 数字电压表是利用模/数（A/D）转换器，将模拟的被测电压量转换成数字量，然后利用十进制数字显示方式显示被测数值的电压表。现代的数字表已由过去的单一功能的直流数字电压表发展到能测量交直流电压、交直流电流和电阻的多种功能的数字万用表（DMM），但DMM最基本的功能仍是直流电压的测量。 用DVM对交直流电压、交直流电流和电阻的测量都是先将它们变换成直流电压，再用DVM进行电压测量。,数字万用表的框图如图5.2。,5.2.1 A/D变换器
6、,1.A/D变换器主要类型 电压的数字化测量的核心是模数（A/D）转换，而各类数字电压表的区别主要是以A/D转换方式而加以区分的。A/D转换包括对模拟量的采样，再将采样值进行整量化处理，最后通过编码等实现转换过程。按其基本工作原理主要分为比较型和积分型两大类。每一大类又可细分，现说明如下 : （1）比较型 （2）积分型 斜坡式A/D变换器 双积分式A/D变换器,2. A/D变换器基本工作原理,（1）逐次逼近比较式A/D变换器工作基本原理逐次逼近比较式A/D变换器电路组成框图如图5.3,由图可以看出这是一种反馈比较式A/D转换器。它由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、逻辑控制电
7、路和输出缓冲器等部分组成。反馈支路主要包括一个D/A转换器，其作用是将输出的数字化电压反馈至被测电压进行比较。反馈比较式A/D转换器是一个闭环反馈系统，具有自动调节作用，当系统达到平衡时，被测模拟电压与输出的数字化电压相等，从而实现了A/D转换。,逐次逼近比较式A/D变换器电路组成框图,下面我们先介绍反馈支路D/A转换器,然后再介绍逐次逼近比较式A/D变换器。 D/A转换器 D/A转换器是反馈比较式A/D转换器中的反馈元件,它是决定此类A/D转换器的主要部件。 D/A转换器的输入端是数字量，而输出端是与输入数字量成正比的模拟电压或电流。常用的有二进制权电阻网络D/A转换器、二进制T型电阻网络D
8、/A转换器和8421BCD码D/A转换器。这里我们只介绍二进制权电阻网络D/A转换器。 二进制权电阻网络D/A转换器是将二进制的权电阻网络接到运算放大器的加法器上，便构成了二进制D/A转换器，其电路原理框图如图5.4所示。 图5.4是一个6BIT的D/A转换器。由图中电阻值可求得各位二进制数的权。当D0=1、D1D5=0时，即输入为100000时，有,当D0=0、D1=1、D2D5=0时,即输入为010000时，有 当D0=0、D1=0、D2=1、D3D5=0时 ,即输入为001000时，有,可见D0D5位的权依次为、，即第i位的权为。 运算放大器的作用是作输出隔离级，同时通过电流相加，实现各
9、位权的相加。若输入为100100，则 若输入为111111，则由以上计算可得模拟输出电压E0反映了二进制输入码的大小，这就实现了D/A转换。 二进制权电阻网络D/A转换器的转换精度主要取决于权电阻（标准电阻）的精确度。这种D/A转换器的最大缺点是权电阻网络中所需的标准电阻规格太多。, 逐次逼近比较式A/D变换器,逐次逼近比较式A/D变换器的工作原理与天平称重相类似，被测量好比是被称的重物，等效数字量好比砝码。将被测电压Ux与分级递减的各级基准电压Er（砝码）逐一进行比较。按“大者弃，小者留”的原则，依次从高位到低位逐一进行比较，使输出的基准电压与被测电压逼近相等。当Ux=Uref时，比较器输出
10、为零，相当于天平平衡，最终数字输出的数值就是被测信号的电压值。 逐次逼近寄存器实际上是数码寄存器，其输出的二进制编码对应于Ux的大小。其输出的代码以并行的形式送入译码器、显示器来显示结果，而不必用计数器，测量速度大大提高。 下面我们采用一个实例来说明逐次逼近比较式A/D变换器的原理。设被测电压Ux=1405mV，逐次逼近比较式D/A变换器都为8位；参考电压为5000mV。 开始时，由起始脉冲作为复位信号，逐次逼近寄存器清零，此时Uo=0（Uo为D/A转换器的输出电压值）。,第一个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为：“10000000”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出
11、第一个标准电压Uo=2500mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压大于被测电压，则舍弃，即不保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器设置为“00000000”。 第二个脉冲到来时，逐次逼近寄存器应按从高到低的顺序设置，此次设置为“01000000”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出第二个标准电压Uo=1250mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压小于被测电压，应留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器仍设置为“01000000”。 第三个脉冲到来时，逐次逼近寄存器也应按从高到低的顺序设置，此次设置为“01100000”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使
12、D/A转换器输出第三个标准电压Uo=1875mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压大于被测电压，应舍弃，即逐次逼近寄存器仍设置为“01000000”。 第四个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“01010000”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出第一个标准电压Uo=1563mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压大于被测电压，则舍弃，即不保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器仍设置为“01000000”。,第五个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“01001000”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出第一个标准电压Uo=1406mV。将此
13、电压在比较器A中进行比较，此电压大于被测电压，则舍弃，即不保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器仍设置为“01000000”。 第六个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“01000100”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出第一个标准电压Uo=1328mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压小于被测电压，应保留，即保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器设置为“01000100”。 第七个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“01000110”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出第一个标准电压Uo=1289mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压
14、小于被测电压，应保留，即保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器设置为“01000110”。 第八个脉冲到来时，逐次逼近寄存器设置为“01000111”，同时打开D/A转换器权电阻网络的数码开关，使D/A转换器输出第一个标准电压Uo=1328mV。将此电压在比较器A中进行比较，此电压小于被测电压，应保留，即保留逐次逼近寄存器的值，逐次逼近寄存器设置为“01000111”。因这次比较是D/A转换器的最后一位，故测量结束，将此时逐次逼近寄存器设置的值“01000111”送去显示。,由上述工作过程可以看出，逐次逼近比较式A/D变换器具有测量速度快；精度取决于权电阻网络和基准电压源的精度，且与D/A转换
15、位数有关；抗串模干扰能力差等特点。 （2）双积分式A/D变换器基本工作原理 双积分式A/D变换器是在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，将被测电压Ux转换成与其成正比的时间间隔。在此时间间隔内填充标准频率的时钟脉冲，以其脉冲个数来反映Ux的大小，其框图如图5.5所示。,其工作过程可分图5.6所示的三个阶段。,第一：准备阶段。 由逻辑控制电路首先将图5.5中的电子开关K4接通，使积分器输入电压Ui=0，输出电压Uo=0，作为准备状态。（图中T0T1阶段） 第二：采样阶段。 设被测电压Ux为负值，在T1时刻，逻辑控制电路将电子开关K1合上，同时断开K4，Ux接入，积分器作正向积分；输出电压U
16、o从零开始作线性增加。逻辑控制电路同时打开闸门， 让时钟脉冲通过。计数器对通过闸门的时钟脉冲计数。当超出计数器计数容量时，计数器溢出，复零。进位脉冲使逻辑控制电路将K1断开，K2闭合，此时积分器的输出电压为,电压Uom值大小由Ux决定，当Ux减小时，Uo1斜率降低，Uo减小。Ux增大则斜率升高，Uo值就高。因此次积分时间T1是确定的，所以此次积分又称为定时积分。 第三：比较阶段。 在T2时刻，计数器溢出，复零。进位脉冲使逻辑控制电路将K1断开，K2闭合。正极性的基准电压Uref接至积分器的输入端，开始定值反相积分，输出电压Uo2从Uom开始线性下降；同时，计数器重新从零开始计数。至T3时刻，Uo2=0，逻辑控制电路发出控制信号将K2断开，K4、K5闭合，积分器恢复到零状态；同时关闭闸门，计数器停止计数，译码显示。进入准备阶段，转入下一个测量周期。 T2T3之间的时间间隔为T2。在T2期间,Uo下降，斜率是常数。在此期间,
