智能化DVM原理PPT课件

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1、 6.1.1 概述一、 组成 6.1.1 概述一、 组成 智能DVM的测量过程大致分为三个主要阶段：、在微处理器的控制下，被测电压通过输入电路、A/D转换器的处理转变为相应的数字量，然后存入到数据存储器中；、微处理器对采集的测量数据进行必要的处理，例如计算平均值、减去零点漂移等；、显示处理结果。上述整个工作过程都是在存放在ROM中监控程序的控制下进行的。 6.1.1 概述二、 智能DVM的功能及主要技术指标 1、数据处理功能及自动测量功能等： 标定(AX+B) 、相对误差() 、极限(LMT) 、 最大/最小 、比例 、统计 等数据处理功能； 自动量程转换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等自

2、动测量功能。 2、普通DVM的各项技术指标： 量程、位数、测量准确度、分辨率、输入阻抗、输入电流、测量速率等。 1 标定(AX+B) RAx+B 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，实现标度变换。数据处理功能： 2 相对误差()式中： n 为由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) 即上下限报警功能。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

3、限值 L。测量时， 在显示测量值 x 的同时，还将显示标志字H，L 或P， 表明测量结果超上限、超下限或通过。 数据处理功能： 4 最大/最小 利用此项功能能对一组测量值进行处理， 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测量值， 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值和最小值。 5 比例 指测量值与某参考值之间的关系，有三种表达形式。 Rx r R20 log（x r） Rx2 r 式中 : r 为由面板输入的参考量。第一种表达形式为简单比例；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

4、瓦或毫瓦为单位直接显示负载电阻r上的功率。数据处理功能： 6统计利用此项功能， 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。 数据处理功能：智能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。这些功能在第4章和第5章中已做过讨论。 自动测量等功能 二、 智能DVM的功能及主要技术指标 (1)量程为扩大测量范围， 智能DVM借助于分压器和输入放大器分为若干个量程， 其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。 普通DVM的各项技术指标(2)位数 智能DVM的位数是以完整的显示位（能够显示09十个数码的显示位）来定义的。例

5、如最大显示数为9999，19999，11999的DVM称四位表。为区别起见，常常也把最大显示数为19999，11999的DVM称为4 位半数字电压表。位数是表征DVM性能的一个最基本的参量。通常将高于五位数字的DVM称为高精度DVM。 二、 智能DVM的功能及主要技术指标 普通DVM的各项技术指标(3)测量准确度测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为 aUXbUm式中： a误差的相对项系数； b误差的固定项系数； UX测量电压的指示值； Um 测量电压的满度值。 DVM的测量准确度与量程有关， 其中基本量程的测量准确度最高。 (4)分辨率 分辨率即能显示输入电压最小增量的能力，通常以使

6、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 通常以仪器最小量程的分辨率来代表仪器的分辨率，例如最小量程为1V的4 位DVM的分辨率为 100V。普通DVM的各项技术指标(5)输入阻抗Zi输入阻抗Zi 是指从DVM两个输入端子看进去的等效电阻。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 是指仪器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，而与被测信号的大小无关，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，而形成误差电压，所以输入电

7、流愈小愈好。 普通DVM的各项技术指标(7)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。(3)测量准确度测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为 aUXbUm式中： a误差的相对项系数； b误差的固定项系数； UX 测量电压的指示值； Um 测量电压的满度值。 DVM的测量准确度与量程有关， 其中基本量程的测量准确度最高。 普通DVM的各项技术指标 6.1.2 输入电路 输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路等部分组成。输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程转换。常常将DVM的输入电路和A/D转换器两部分电路合称为模拟部分。DVM的许

8、多技术指标都是由模拟部分来决定的。无论一台智能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。 下面以DATRON公司1071型智能DVM输入电路为例对输入电路的组成原理进行讨论。1071 型DVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。 1071 型DVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。 有源滤波器是否接入由微处理器通过I/O接口电路实施控制，该滤波器对50Hz 的干扰有54dB的衰减。 输入放大器由直流自举电路供电，以使放大器的地线电压和电源电压跟随输入信号而变化，即所谓“浮

9、动”的电源。 图中， M32是高阻抗电压跟随器，它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。M32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输出端，产生一个浮动的12V电源。 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。 输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响。 自动补偿时，在输入端接入一个10M电阻，这样，输入电流 + I b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。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

10、偿电路产生一个与原来输入电流 + I b 大小相等方向相反的电流 - I b ，使两者在放大器的输入端相互抵消。 这项措施可以使仪器的零输入电流减小到1pA。 输入电流补偿原理示意图 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，如图所示。 继电器S控制1001衰减器是否接入。VT5VT10是模拟开关，控制放大器不同的增益。它们在控制信号的作用下，形成不同的通、断组态，构成0.1V， 1V，10V，100V，1000V五个量程状态及自测试状态。各组分析如下： （1）0.1量程： VT8，VT6导通，放大电路被接成电压负反馈放大器，则 放大倍数 Af （21.6+9+1） 1 31.6

11、 最大输出电压 Uomax 0.131.6 3.16（2） 1V量程 ： VT8，VT10 导通，此时放大电路被接成串联负反馈放大器，Af （21.6+9+1）（ 9+1 ） 3.16Uomax 13.163.1（3） 10V量程： VT7，VT9导通，放大电路被接成跟随器，放大倍数为1， 然后输出又经分压，此时 Uomax 10（9+1）（21.6+9+1 ） 3.16V （4） 100V量程 ： VT8，VT10 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 Uomax 100 1 100 21.6+9+1 9+1 3.16 V（5）1 000V量程

12、 ： 继电器S吸合，1001衰减器接入；VT，VT9导通，放大电路被接成跟随器，并使输出再经分压，此时Uomax 1000 1 100 (9+1) (21.6+9+1) 3.16 V 由上述计算可见，送入A/D转换器的输入规范电压为0V3.16V，由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源， 0.1V，1V，10V三挡量程的输入电阻高达10000M， 10V和1000V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10M。 当VT5，VT6，VT8导通，S吸合时， 电路组态为自测试状态。此时放大器的输出应为 3.12V。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内， 即认为放大器

13、工作正常。 6.1. 3 智能 DVM中的AD 转换技术 高精度的智能DVM一般不直接采用集成AD转换器芯片，而是在一般AD转换器的基础上，借助于软件来形成高精度的AD转换器。其中，广为采用的有多斜积分式AD转换器、Fluke公司提出的余数循环比较式AD转换器、Solartron公司提出的脉冲调宽式AD转换器等。本节仅介绍：一、多斜积分式AD转换器二、脉冲调宽式AD转换器（略） 一、多斜积分式AD转换器 多斜积分式AD转换器是在双积分式AD转换器的基础上发展起来的。双积分式AD转换器具有抗干扰性能强的特点，在采用零点校准和增益校准前提下其转换精度也可以做得很高，双积分式AD转换器的不足之处是：

14、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，如果采用软件计数，则时钟频率的提高更是有限度的。除此之外，双积分式AD转换器还存在着“零区”等问题。采用三斜积分式AD转换器可以较好地改善转换速度慢这个弱点，它的转换速率分辨率乘积可比传统双积分式AD提高二个数量级以上。 三斜积分式的反向积分阶段T2分为如图所示的T21、T22 两部分：在T21期间积分器对基准电压UR进行积分，放电速度较快；在T22期间积分器改对较小的基准电压UR/2m进行积分，放电速度较慢。计数时，计数器也分两段计数：T21期间从计数器的高位(2m位)开始

15、计数，设其计数值为N1；在T22期间从计数器的低位(20位)开始计数，设其计数值为N2。则计数器中最后的读数为 NN12mN2在一次测量过程中，积分器上电容器上的充电电荷与放电电荷是平衡的，则 UXT1UR T21 (UR 2m) T22 其中 T21 N1 T0，T22 N2 T0 将上式加以整理得 UXT1UR N1 T0 (UR2m) N2 T0 三斜积分式的反向积分阶段T2分为如图所示的T21、T22 两部分：在T21期间积分器对基准电压UR进行积分，放电速度较快；在T22期间积分器改对较小的基准电压UR/2m进行积分，放电速度较慢。将上式进一步加以整理，可得三斜积分式AD转换器的基本

16、关系式如果取m7，时钟脉冲周期T120s，基准电压UR10V，并希望把12V被测电压变换为N120 000码读数时，由上式可以计算得T1100ms。传统双积分式AD转换器在相同的条件下所需要的积分时间T15.36s，可见，三斜积分式AD转换器可以使测量速度大幅度提高。四斜积分式AD转换器四斜积分式AD转换器是为解决双积分式和三斜积分式AD转换器存在的零区问题而提出的。解决的方法是：在取样期结束时，先选用与被测电压同极性的基准电压积分一段固定的时间TC，以产生上冲波形，避开零区，然后再按上述三斜积分式AD转换的方法去进行反向积分，从而构成四斜积分式AD转换器，其转换波形如图所示。由于TC是固定的，因此该上冲使测量结果增加的数值也是固定的，这很容易用软件的方法来扣除。积分器输入端经六个开关分别与被测电压、各种基准电压和模拟地相接，6个D触发器组成的输出口实施对这些开关的控制。比较器和比较器的输出分别经三态反相器连接到数据总线的D7和D0位。这两个三态门构成了微处理器系统的一个输入口，通过对D7和D0位进行判别，就可以确定当时积分器的状态。计数器是由微处理器内部的8位寄存器B，C，D级联组成