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1、第五章 数字测量方法,田宝凤 仪器科学与电气工程学院,主要内容,5.1 电压测量的数字化方法 5.2 直流数字电压表 5.3 多用型数字电压表 5.4 频率的测量 5.5 时间的测量 5.6 相位的测量 小结与作业,5.1-3节教学重点与难点,重点： 直流DVM框图与原理 逐次比较式DVM框图与原理 DVM误差计算 多用型DVM原理 难点： 双积分式DVM框图与原理阐述、双积分式DVM特点以及相关计算,5.1电压测量的数字化方法,数字式电压表(Digital Voltage Meter，简称DVM) 数字式电压表实际上就是一种用AD变換器作测量机构，用数字显示器显示测量结果的电压表。,5.1电
2、压测量的数字化方法,直流DVM的组成,5.1电压测量的数字化方法,包括模拟和数字两部分： （1）输入电路： 对输入电压衰减/放大、变换等。 （2）核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。它的变換精度、分辨力、抗干扰能力直接影响数字式电压表的测量精度、灵敏度和抗干扰能力。 （3）显示器：显示模拟电压的数字量结果。 （4）逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。,5.1.1 DVM的特点,1.数字显示 测量结果以数字形式直接显示，消除了指针式仪表的视觉误差。 2.准确度高 通常，数字电压表的位数愈
3、多，准确度愈高。 3.测量范围 DVM用量程、显示位数以及超量程能力来反映它的测量范围。,5.1.1 DVM的特点,(1) 量程： DVM的量程以其基本量程（即未经衰减和放大的量程，亦即AD 转换器的基本工作电压范围）为基础，再和输入通道中的步进衰减器及输入放大器适当配合向两端扩展。 如DS-14型电压表的量程为500V、50V、5V、0.5V四档，5V为基本量程。,5.1.1 DVM的特点,(2) 显示位数： DVM的位数指完整显示位，显示09十个数码。最大显示为999、1999和5999的数字电压表都是三位数字电压表。 不完整位，常用分数表示，把最大显示为1 9999(首位只能显示0、1)
4、的数字电压表称作 位数字电压表，即“半位”数字电压表。,5.1.1 DVM的特点,(3) 超量程能力： 指DVM所能测量的最大电压超过量程值的能力，是数字电压表的一个重要指标。 数字式电压表有无超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。,例如，最大显示数字分别为9.999、19.999、5.999、11.999，对应量程分别为10V、20V、5V、10V的数字电压表的超量程能力分别为0%、0%、20%、20%。,5.1.1 DVM的特点,显示位数全是完整位的DVM，没有超量程能力。 带有1/2位的数字电压表，如最大显示为1999，如果按2V、20V、200V分挡，也没有超
5、量程能力。 带有1/2位如最大显示为1999，并以1V、10V、100V分挡的DVM，才具有超量程能力。,5.1.1 DVM的特点,有了超量程能力，在有些情况下可以提高测量精度。 例如：被测电压为10.001V时，若采用不具有超量程能力的4位DVM的10V档测量，计数器溢出，量程自动切换到100V，得到“10.00V”的显示，丢失了0.001V的信息； 若改用有超量程能力的四位半DVM的10V档测量，则显示为“10.001V”，不会降低精度和分辨力。,5.1.1 DVM的特点,超量程举例： 如5位的DVM，在10V量程上，最大显示19.9999V电压，允许有100的超量程。 如果数字电压表的最
6、大显示为5.9999，如量程按5V、50V、500V分挡，则允许有20超量程。,5.1.1 DVM的特点,4.分辨力高 DVM能够显示被测电压的最小变化值，称为分辨力（或称最高灵敏度），即最小量程时显示器末位跳一个字所需要的最小输入电压值。 例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。 又如：某型号DVM的最小量程为0.2V,最大显示数为19999，所以分辨力为10V。,5.1.1 DVM的特点,例如，4位DVM在1V、10V量程上的分辨力分别为0.0001V、0
7、.001V，则DVM的分辨力为0.0001V。 这是因为，4位DVM的最大显示数字为9999，量程为1V、10V时，可以判断出满量程时的显示数字应分别为“.9999”、“9.999”，根据定义即可判断出上述分辨力的大小。,5.1.1 DVM的特点,5.测量速度快 每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度。DVM完成一次测量所需要的时间只有几至几十毫秒，有的更快。 6.输入阻抗高 一般的DVM输入阻抗为10M左右，最高可达 ，对被测电路的影响极小。 7.抗干扰能力强 数字电压表的抗干扰能力较强，按干扰作用在仪器输入端的方式分为串模干扰和共模干扰。通常用串模干扰抑制比和共模干扰抑制
8、比来表示，干扰抑制比的数值越大，表明数字电压表抗干扰的能力越强。,5.1.2 DVM的主要类型,根据A/D转换方式不同而分成不同的类型： （1）逐次比较型DVM （2）双积分型（U-T）DVM,逐次比较型DVM的工作原理,基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。,原理：与天平称重相似,原则：大者弃，小者留,砝码,待测,逐次比较型DVM的工作原理,假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 Vr可分解为：,逐次比较型DVM的工作原理,上式表示，若把Vr不断细分（每次
9、取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取前4项，则： 其逼近的最大误差为9.375V-10V =-0.625V， 相当于最后一项的值。 现假设有一被测电压Vx8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：,逐次比较型DVM的工作原理,Vx5V（首先，取5V项，由于5V8.5V，则应去掉该项，记为数字0） +0.625（再取0.625V项，此时5V+2.5V+0.625V8.5V，则保留该项，记为数字1） 8.125V（得到最后逼近结果） 总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出Vr
10、的各分项值，按照“大者弃，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果，其数字表示为1101。,逐次比较型DVM的工作原理,上述逐次逼近比较过程表示了该类A/D转换器的基本工作原理。它类似天平称重的过程，Vr的各分项相当于提供的有限“电子砝码”，而Vx是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减法码的过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码。,逐次比较型DVM的工作原理,逐次比较型集成A/D转换器原理框图,UO,逐次比较型DVM的工作原理,现以一个简单的3比特（3位二进制）逐次比较过程为例，再体会其原理。 设基准电压Ur8V，输入电压Ux5V， 3比特SAR的输出为Q2Q1
11、Q0。 流程图如右图所示。,逐次比较型DVM的工作原理,三位逐次比较过程 （Ur8V，UX5V）,双积分型（U-T）DVM的工作原理,基本原理 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，在此间隔内填充标准频率的时钟脉冲，用仪 器记录的脉冲个数来反映UX的数值，所以它是U- T变换型。,双积分型（U-T）DVM的工作原理,双积分型（U-T）DVM的工作原理,双积分型（U-T）DVM的工作原理,工作过程分三个阶段： （1）准备阶段(t0-t1)：复零阶段。 （2）采样阶段(t1-t2)：对被测电压UX进行定时积分。,t2时刻:,当UX为直流时，,
12、双积分型（U-T）DVM的工作原理,（3）比较阶段(t2-t3)：对参考电压反向定值积分。,t3时刻：,所以可得：,双积分型（U-T）DVM的工作原理,双积分型DVM的特点： （1）仪表的准确度主要取决于基准电压UN的准确度和稳定度，与积分器的参数基本无关，即不必选用精密积分元件,从而提高了整个仪表的准确度。 （2）两次积分都是对同一时钟脉冲源进行计数，从而降低了对脉冲源频率准确度的要求。 （3）串模干扰通过积分过程而减弱，因而具有较强的抗干扰能力。,5.1.3 DVM的测量误差,DVM的固有误差通常用下列两种方式表示： Ux是测量值（被测电压的读数），Um是该量程的满度值。 a%Ux是与读数
13、成正比，称为读数误差。 b%Um不随读数变化，称为满度误差。满度误差与被测电压大小无关，而与所取量程有关。,5.1.3 DVM的测量误差,例如，用一只四位DVM的5V量程分别测量5V和0.1V电压，已知该仪表的准确度为 =0.01%Ux1个字，求由仪表的固有误差引起测量误差的大小。,5.2直流数字电压表,以 位直流数字电压表为例，给出了电路图和原理框图。,5.3 多用型数字电压表,图4.3.2 多用型DVM原理框图,多用型数字电压表的基本测量方法以直流电压的测量为基础。 测量时，先把其它参数变换为等效的直流电压U，然后通过测量U获得所测参数的数值。,5.3 多用型数字电压表,5.3.1 AC-
14、DC转换器 （1）运放式半波检波电路,图4.3.5 AC-DC变换器电路原理图,（2）精密全波检波电路,图4.3.7 精密全波电路检波器的波形及特性曲线,图4.3.6 精密全波检波电路原理图,5.3 多用型数字电压表,5.3.2 R-U转换器 1. 用一个恒流源流过被测电阻，通过测量被测电阻两端的电压，即可得到被测电阻的阻值。 2. 为了实现不同量程电阻的测量，要求恒流源可调。,图4.3.8 R-U转换器原理电路原理图,5.3 多用型数字电压表,5.3.3 I-U转换器 1. 将被测电流流过标准电阻，通过测量电阻两端的电压，即可得到被测电流。 2. 为了实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。,图4.3.10 I-U转换器原理电路原理图,本次课小结,直流DVM原理、特点（测量范围、分辨力） 逐次比较式DVM框图与工作原理 双积分型DVM框图与原理及特点 DVM的测量误差 多用型DVM原理: AC-DC变换器 R-U变换器 I-U变换器,
