智能化仪器原理及应用第5章

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1、第5章 智能型电压测量仪,5.1 智能型DVM的功能、 技术指标及特点 5.2 智能型DVM的原理 5.3 智能型DMM原理及应用 5.4 电压表的使用 思考题与习题,5.1 智能型DVM的功能、技术指标及特点,5.1.1 智能型DVM的结构 智能型DVM是指以微处理器为核心的数字电压表，典型结构如图51所示。其中，专用微机部分包括微处理器芯片、 存放仪器监控程序的存储器ROM和存放测量及运算数据的存储器RAM等。用于测量的输入输出设备有：输入电路、A/D转换器、 键盘、显示器及标准仪用接口等。仪器内部采用总线结构，外部设备与总线相连。,图 5-1 智能DVM的典型结构,5.1.2 智能型DV

2、M的功能及主要技术指标 采用微处理器后，仪器在外观、内部结构以及设计思想等方面都发生了重大的变化。智能型DVM不但具有测量功能，同时还具有很强的数据处理功能，这些数据处理功能是通过按不同的按键，输入相应的常数以及调用相应的处理程序来实现的。不同型号的智能型DVM设置的处理功能有所不同，相同的处理功能其表达方式也不一定相同，但一般可以用下列方式来表示。,1. 标定（AxB）,RAxB,(5-1),式中:R 最后的显示结果； x 实际测量值； A、B 由面板键盘输入的常数。 利用这一功能，可将传感器输出的测量值直接用实际的单位来显示，实现了标度变换。,2.相对误差（%）,(5-2),式中: n 由

3、面板键盘输入的标称值。 利用这一功能，可把测量结果与标称值的差值以百分率偏差的形式显示出来，适用于元件容差校验。,3. 极限（LMT） 利用这一功能可以了解被测量是否超越预置极限的情况。 使用前，应先通过面板键盘输入上极限值H和下极限值L。测量时，在显示测量值x的同时，还将显示标志H、L或P，表明测量结果超上限、超下限或通过。,4. 最大/最小 利用此项功能可以对一组测量值进行比较，求出其中的最大值和最小值并存储起来。在程序运行过程中一般只显示现行值，在设定的一组测量进行完毕之后，再显示这组数据中的最大和最小值。,5. 比例,式中: r 由面板键盘输入的参考量。 比例是指一个量与另一个量之间的

4、相互关系，这里提供有三种形式。第一种为简单比例； 第二种为对数比，单位为dB， 这是电学、声学常用的单位；第三种是将测量值平方后除以r， 其用途之一就是用W或mW为单位直接显示负载电阻r上的功率。,6. 统计 利用此项功能，可以直接显示多次测量值的统计运算结果。 常见的统计有平均值、方差值、标准差值、均方值等。 智能型DVM一般都具有自动量程转换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等功能，并配有标准接口。这些功能在前几章中已作过讨论， 这里不再赘述。 智能型DVM除具有上述的数据处理能力和一些独特的功能以外， 还具有普通的DVM的各项技术指标，其中主要技术指标有7项：,（1） 量程。为扩大测量范

5、围，智能型DVM借助分压器和输入放大器分为若干个测量量程，其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。 （2） 位数。智能型DVM的位数是以完整的显示位（能够显示09这10个数码的显示位）来定义的。例如，最大显示数为9999、19 999、11 999的DVM称四位表。为区别起见，常常也把最大显示数为19 999、11 999的DVM称为 位数字电压表。 位数是表征DVM性能的一个最基本的参量。 通常将高于5位数字的DVM称为高精度DVM。,（3） 测量准确度。智能型DVM的测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为, = a%Uxb%Um,（5-6）,式中: a 误差的相对项系数； b 误差

6、的固定项系数； Ux 测量电压的指示值； Um 测量电压的满度值。,（4） 分辨率。 分辨率即显示输入电压最小增量的能力，通常以显示器末位跳一个字所需输入的最小电压值来表示。分辨率与量程及位数有关，量程愈小，位数愈多，分辨率就愈高。DVM通常以其最小量程的分辨率来代表仪器的分辨率，例如，最小量程为1 V的4位DVM的分辨率为100 V。,（5） 输入阻抗Zi。输入阻抗Zi是指从DVM两个输入端看进去的等效电阻。输入阻抗愈高，由仪表引入的误差就愈小， 同时仪器对被测电路的影响也就愈小。 （6） 输入电流I0。输入电流I0是指以其内部产生并表现于输入端的电流，它的大小随温度和湿度的不同而变化，与被

7、测信号的大小无关，其方向是随机的。这个电流将会通过信号源内阻建立一个附加的电压，以形成误差电压，所以输入电流愈小愈好。 （7） 测量速率。测量速率以每秒的测量次数来表示， 或者以每次测量所需的时间来表示。,5.1.3 智能型DVM的特点 1. 准确度高 由于DVM的测量准确度与量程有关，而智能型DVM能够根据被测信号的大小很容易地实现测量量程的转换，因而具有较高的测量准确度。此外，由于智能型DVM通常采用数字显示，其显示的位数较多，因此可使相对误差达到很小。加之智能型DVM的灵敏度也比较高，最高分辨率可达1 V，这些显然都是常规仪表无法达到的，所以智能型DVM在精密测量中是不可缺少的。,2.

8、数字显示 智能型DVM将测量结果以数字量形式直接显示，能保证读数清晰准确，从而消除了指针仪表的视觉误差。智能型DVM的位数是以完整的显示位（能够显示09这10个数码的显示位）来定义的。当需要进行高精度测量时，可方便地采用多位数字显示。,3. 测量速度快 由于没有指针惯性，因此智能型DVM完成一次测量的时间只需几到几十毫秒，甚至快达几十微秒。高质量的DVM具有自动判断极性、自动转换量程、自动校准、自动调零、自动处理数据等功能，特别适用于自动检测。 4. 输入阻抗高 一般智能型DVM的输入阻抗为10 M左右，最高可达104 M，对被测电路的影响极小。,5. 便于实现测量自动化 由于智能型DVM通常

9、以单片机作为仪表的核心控制部件， 而且大多数单片机都具有双向可通信的串行口。因而，智能型DVM可以很方便地与其他仪器进行数据通信，以实现测量过程的自动化。,5.1.4 智能型DVM的分类 智能型DVM是利用模/数（A/D）转换原理，将被测的模拟量转换成数字量，并将转换结果送入单片机进行分析、运算和处理，最终以数字形式显示出来的一种测量仪表。而各类智能型DVM的区别主要是模/数（A/D）转换方式。A/D转换包括对模拟量采样，再将采样值进行量化处理，然后通过编码实现转换的过程。因而，根据仪表内部使用A/D转换器的转换原理的不同， 可构成以下几种不同类型的智能型DVM。,1. 比较型DVM 比较型D

10、VM把被测电压与基准电压进行比较，以获得被测电压的量值，这是一种直接转换方式。这种数字电压表的特点是测量精确度高、速度快，但抗干扰能力差。根据比较方式的不同， 又分为反馈比较式和无反馈比较式。,2. 积分型DVM 积分型DVM是利用积分原理，首先把被测电压转换为与之成正比的中间量时间或频率，再利用计数器测量该中间量，这是一种间接转换方式。根据中间量的不同，积分型DVM又分为电压时间（U-t）式和电压频率（U-f）式。这类数字电压表的特点是抗干扰能力强，成本低，但测量速度慢。,3. 复合型DVM 复合型DVM是将比较型和积分型结合起来的一类智能型DVM， 它取上述两种类型的优点，兼顾精确度、速度

11、和抗干扰能力， 从而适用于高精确度的测量。,5.2 智能型DVM的原理,5.2.1 输入电路 在图5-1所示的智能型DVM典型结构框图中，常常将输入电路和A/D转换器两部分电路合称为模拟部分。DVM的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。无论一台智能型DVM的功能有多么强大，其基本测量水平主要由模拟部分来决定。 本节先讨论输入电路。 输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程的转换。 下面以图5-2所示的DATRON公司的1071智能型DVM输入电路为例， 对输入电路的组成原理进行讨论。 ,图 5-2 1071智能型DVM的输入电路,1071智能型DVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大器A1、

12、有源滤波器、输入电流补偿以及自举电源等部分组成。 有源滤波器是否接入由微处理器通过I/O接口电路进行控制，该滤波器对50 Hz的干扰有54 dB的衰减。,自举电源的参考点不是地，而是输入信号。从图5-2中可以看出，M32高阻抗缓冲放大器接在输入放大器的反相输入端， 因此M32能精确地跟踪输入信号变化，从而控制M32的输出。 M32的输出接另两个放大器的输入端，从而达到随输入信号变化而控制自举电源的输出端，产生一个浮动的12 V电压作为输入放大器的电源电压。这样，输入放大器工作点基本上不随输入信号的变化而变化，这对提高放大器的稳定性及抗共模干扰能力等性能是很有益处的。例如，输入电路通常采用二极管

13、作过载保护，二极管跨接在输入端与零电位之间， 其漏电流对输入阻抗有很大影响。若将二极管跨接在放大器输入端和自举电源公共零点上，由于公共零点随输入信号而浮动， 因而消除了二极管漏电流的影响，保证了高输入阻抗。,输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响，其补偿原理可以用图5-3（a）来说明。在自动补偿时，在输入端接入了一个10 M的电阻，输入电流+Ib在该电阻上产生的压降, 经A/D转换后存入到非易失性存储器内，作为输入电流的校正量。在正常测量时, 微处理器根据校正量送出适当的数字到D/A转换器,并经输入电流补偿电路产生一个与原来输入电流+ Ib大小相等、方向相反的电流-Ib，使两者在放大器的输

14、入端相互抵消，如图5-3（b）所示。这项措施可以使仪器的零输入电流减小到1 pA。,图 5-3 输入电流补偿电路原理框图,图 5-4 量程标定电路原理,输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路，如图5-4所示。S为继电器开关，控制1001衰减器是否接入。V5V10是场效应管模拟开关，控制放大器不同的增益。继电器开关S、V5V10在微机发出的控制信号的控制下，形成不同的通、断组合，构成0.1V、1V、10 V、100 V和1000 V五个量程以及自动测试状态。各种组合分析如下： (1) 0.1 V量程。V8、V6导通，放大电路被接成电压负反馈放大器， 其放大倍数Af及最大输出电压U

15、omax分别为,(2) 1 V量程。V8、V10导通，此时放大电路被接成串联负反馈放大器，其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为,(3) 10 V量程。7、V9导通，放大电路被接成跟随器，放大倍数为1，然后输出经分压，此时,(4) 100 V量程。V8、V10导通，放大电路仍为串联负反馈放大器，同时继电器开关S吸合，使1001衰减器接入，此时,(5) 1000 V 量程。继电器开关S吸合，使1001衰减器接入，同时V7、V9导通，放大电路被接成跟随器，并使输出再经分压，此时,由上述计算可见，送入A/D转换器的输入规范电压为 03.16 V，同时， 由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举

16、电源，因此0.1 V、 1 V和10 V三挡量程的输入电阻高达10 000 M。10 V和1000 V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10 M。 当V5、V6和V8导通，继电器开关S吸合时，电路组态为自测试状态。此时放大器的输出应为-3.12 V。仪器在自诊断时测量该电压，并与存储的数值相比较。若两者之差在6%以内，即认为放大器工作正常； 否则视为故障， 必须排除。,5.2.2 智能型DVM中的A/D转换技术,1. 多斜积分式A/D转换器 多斜积分式A/D转换器是在双积分式A/D转换器的基础上发展起来的。双积分式A/D转换器具有抗干扰性强的特点，在采用零点校准和增益校准的前提下，其转换精度也可以做得很高， 但显著的不足之处是转换速度较慢，并且分辨率要求愈高， 其转换速度也就愈慢。由于比较器带宽有限，因此不能简单地通过提高时钟频率来加快转换速度。如果采用软