数字万用表原理2

数字电压表一、概述•电压、电流和功率是表征电信号能量大小的三个基本参数，其中又以电压最为常用。•要正确测量电压值，必须先了解被测电压的特征和测试要求，选用适当的电压测量仪器、采用切实可行的测量方法，才能较好地完成测量任务。1．电压的主要特征①量值的范围宽②波形的多样化③频率各不相同④不同端点的输出阻抗不同⑤电压成分多样化正弦波脉冲波方波三角波低频噪声波阶梯波2．交流电压的量值表示•一个交流电压的大小，可用多种方式来表示，如平均值、峰值和有效值。0.7070.637UP-PUPUU图5.2正弦波参数表示图（1）峰值的基本概念•峰值UP：是指交流电压在所观察的时间内或一个周期内所能达到的最大值，记为UP，峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值UP+和负峰值UP-之分。正峰值与负峰值包括在一起时称为峰峰值UP-P。振幅Um：它是以直流电压为参考电平的最大瞬时值，记为UM。电压中包含直流成分时，UP与Um是不相同的，只有纯交流电压才有UP＝Um。（2）平均值的基本概念•平均值：在数学上定义为•对纯交流电压来说，由于=0，将无法用平均值来表征它的大小。•定义：通常是指经过测量仪器检波后的平均值，分为全波平均值和半波平均平均值。•全波平均值是指交流电压经全波检波后的全波平均值，即UTdttuTU0)(1UTdttuTU0)(1•（a）未检波前的电压波形•（b）半波整流后的波形•（c）全波整流后的波形•一般如果不加特别说明时，平均值都是指全波平均值。（3）有效值的基本概念•有效值U：指均方根值，用U或Urms表示。•物理意义：一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若在相同的时间内它们产生的热量相等，则交流电压的有效值U等于该直流电压值。TrmsdttuTU02)(13．交流电压量值相互转换②波峰因数KP交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP，即UUKFUUKPP①波形因数KF：电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF，即几种典型的交流电压波形参数序号名称波形因数KF波峰因数KP有效值平均值1正弦波1.111.4142三角波1.151.733锯齿波1.151.734方波11UPUP5白噪声1.2532/PU3/PU3/PUPU31/2PU2/PU2/PU75.3/PU4．常用电压测量仪器•有模拟式电压表和数字式电压表两种类型•①模拟式电压表•一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度α的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。②数字式电压表•是指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数码管以十进制数字显示被测量电压值。•数字式电压表具有高精度、量程宽、显示位数多、分辨率高、易于实现测量自动化等优点，在电压测量中也占据了越来越重要的地位。二、数字式多用表数字万用表DMM——（DigitalMultimeter），又称数字多用表.是一种多用途、多量程的电工仪表，它实际上是在直流数字电压表DVM的基础上增加了一些转换器而构成。用途:它不但可以测量交直流电压、交直流电流和电阻，而且还可以测量电容及信号频率、判断电路的通断等。•数字万用表的组成原理框图•整个电路主要由数字电压表DVM和交流电压/直流电压（AC/DC）转换器、电流/直流电压（I/DC）转换器、电阻/直流电压（Ω/DC）转换器等组成。•在测量时先把被测量通过不同的转换器转换成直流电压，然后再用数字电压表进行电压测量，从而得到被测量的数值.•因此说DMM的核心是直流数字电压表DVM。数字多用表的框图VDCKI-DC变换器Ω-DC变换器数字电压表AC-DC变换器VACIΩ直流数字电压表DVM•DVM（DigitalVoltmeter）的测量过程是利用A/D（模/数）变换器将被测的模拟电压变换成相应的数字量，然后通过电子计数器计数，最后把被测电压值以十进制数字形式直接显示在显示器上。数字电压表的分类•根据模/数转换器(A/D)的转换原理不同，可把数字电压表分为：•1．斜坡式数字电压表：U—T变换•2．双积分式数字电压表：U—T变换•3．比较式数字电压表：大者弃、小者留•4.复合式数字电压表：U—T和U—F数字电压表的主要技术指标•1．测量范围•（1）显示位数：指能显示0～9共十个完整数码的显示器的位数。•能显示0～9十个完整数码的显示器的位数称为完整位或满位，否则称为不完整位，不完整位通常是最高位。•首位只能显示“1”或“0”，是不完整位，称之为1/2位或半位。•（2）量程的范围•指测量电压范围的上限值与下限值之差，包括基本量程和扩展量程。•基本量程：未经衰减器和放大器的量程称为基本量程，如1V或10V，也有的为2V或5V，基本量程的测量误差最小；•扩展量程：借助于衰减器和输入放大器的适当配合来完成量程扩大的。•（3）超量程能力•指数字电压表所能测量的最大电压超出量程值的能力。DVM有无超量程能力，要根据它的量程分档情况和能够测量的最大电压情况来决定，其计算公式为：•½位和基本量程结合起来，能说明DVM有无超量程能力。例如：某3½位DVM基本量程为1V，那么该DVM具有超量程能力,因为在1V挡上，它的最大显示为1.999V。而对于基本量程为2V的DVM，它就不具备超量程能力，因为它在2V挡上的最大显示仍是1.999V。最高位只能取0~5的位称为¾位。5¾位DVM指数字电压表的最大显示为599999。•当被测电压超过满量程时，若DVM具有超量程能力，则测量结果不会降低精度和分辨率。•例如：被测电压13.04V,如果使用无超量程能力的3位DVM，则须使用100V量程挡，显示13.0V，测量结果的最低位舍掉了，精度降低了；如果使用有超量程能力的三位DVM，即3½位DVM，则仍可使用10V挡测量，显示结果为13.04V。•2．分辨率——即灵敏度•指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程时显示器末位跳一个字所需的最小输入电压。•在不同的量程上分辨率是不同的，最小量程的分辨率是最高的。•例如DT-890型DVM为三位半电压表，在最小量程200mV上满度值为199.9mV，则其分辨率为0.1mV。•3．测量速率•指每秒钟对被测电压的测量次数，或者完成一次测量所需的时间。•主要取决于A/D变换器的变换速度，由比较式A/D变换器构成的DVM测速较快，由积分式A/D变换器构成的DVM测速较慢。•4．输入特性•包括输入阻抗和输入零电流。•直流测量时,DVM输入阻抗Ri在10MΩ~1000MΩ之间。•交流测量时,DVM输入阻抗用Ri∥Ci表示，Ci一般在几十~几百pF之间。•输入零电流：是指未加入信号时，DVM输入端短路时产生的电流。•5．抗干扰能力•根据干扰信号的加入方式不同，DVM的干扰分为串模干扰和共模干扰。通常用串模干扰抑制比（SMR）和共模干扰抑制比（CMR）来表征。•干扰抑制比的数值越大，表明数字电压表抑制干扰的能力就越强。•一般串模干扰抑制比可达50～90dB，•共模干扰抑制比可达80～150dB。•6．固有误差和工作误差固有误差主要是读数误差和满度误差。ΔU=±(α%·Ux+β%·Um)•式中：α——误差的相对项系数β——误差的固定项系数Ux——被测电压读数Um——DVM量程的满度值工作误差是指在额定工作条件下的误差，通常也用绝对误差的形式表示。例5．3某四位半数字电压表在2V量程上测得电压1.2V，已知2V量程的固有误差为±(0.05%·Ux+0.01%·Um)V，试求由于固有误差产生的测量误差？解：根据公式可得ΔU=±(0.05%·Ux+0.01%·Um)=±0.05%×1.2±0.01%×2=±0.0008V数字电压表的工作原理DVM的核心是A/D转换器。图数字电压表的组成框图模拟部分被测信号A/D变换器逻辑控制电路计数器输入电路显示器时钟信号发生电路数字部分1．数字电压表的组成2.逐次逼近比较式DVM的基本原理（1）电路组成框图逐次逼近比较式A/D转换框图D/A转换器_+_A逻辑控制电路输出缓冲器并行数字输出（MSB）（LSB）基准电压Vref模拟输入ux时钟脉冲起始脉冲模拟输入ux模拟输入ux逐次逼近寄存器SAR主要包含：比较器，D/A转换器，逐次逼近寄存器，逻辑控制电路及输出缓冲（2）工作原理——属于直接式A/D转换。在时钟脉冲作用下，SAR提供代表不同基准电压的基准码，并通过D/A变换器输出可变的基准电压，后者加到电压比较器与Ux相比较，根据“大者弃、小者留”，比较器有不同的高低电平输出，该输出用以确认逐次逼近寄存器的各位数码是“留码”还是“去码”，通常以“1”的形式记录“留码”，以“0”的形式记录“去码”。基本原理是用被测电压和一个可变的基准电压按照“大者弃、小者留”的原则逐次进行比较，直至逼近得出被测电压值。工作过程类似于天平称量物体质量，图中的电压比较器相当于天平，被测模拟电压相当于物体，基准电压Uref相当于砝码.逐次逼近比较式A/D转换框图D/A转换器_+_A逻辑控制电路输出缓冲器并行数字输出（MSB）（LSB）基准电压Vref模拟输入ux时钟脉冲起始脉冲模拟输入ux模拟输入ux逐次逼近寄存器SAR被测电压和可变基准电压的比较过程是从最高位开始，当逐次逼近寄存器输出的编码从大到小变化时，D/A变换器也随之输出从大到小的基准电压，根据比较结果逐次减小寄存器的数值，使输出的基准电压与被测电压逼近直至相等。最后逐次逼近寄存器输出的二进制编码对应于Ux的大小，以并行的形式送至译码器、显示器来显示被测结果。逐次逼近比较式A/D转换框图D/A转换器_+_A逻辑控制电路输出缓冲器并行数字输出（MSB）（LSB）基准电压Vref模拟输入ux时钟脉冲起始脉冲模拟输入ux模拟输入ux逐次逼近寄存器SAR•举例：设被测电压Ux=3.285V，逐次逼近寄存器和D/A变换器都为6位，基准电压Uref=10V。解：最后输出010101，显示3.281V由于D/A变换器输出的基准电压是量化的，因此经变换后显示的数值3.281V比实际电压值低0.004V，这就是A/D变换的量化误差。减小量化误差的方法是增加比较次数，即增加逐次比较式A/D变换器的位数。目前常见的集成逐次比较式A/D变换器有8位、10位及12位等几种形式。（3）工作特点1）测量速度快。取决于时钟脉冲频率和逐次逼近寄存器的位数。2)测量精度高。精度决定于基准电压源和电压比较器，并且还与D/A变换器的位数有关。3）抗串模干扰能力差。因为比较器输入的是被测电压的瞬时值，而不是平均值，所以外界任何干扰电压的串入都会影响测量结果。3．双积分式DVM基本原理•双积分型A/D转换器是在V-T变换型中用得最多的A/D转换器。•V-T变换原理是用积分器将被测电压转换为时间间隔，然后用电子计数器在此间隔内累计脉冲数，数字显示测量结果，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。（1）电路模型211toxtuudtRC实际上是一个线性的积分器，利用电容和运算放大器获得线性的充放电电压。完成对UX的一次测量需要先后进行两次积分才能完成，即首先对被测电压在采样时间T1内进行定时积分，然后对基准电压进行反向定值积分。通过两次积分的比较，将被测电压变换成与之成正比的时间间隔。（2）工作原理电路组成框图-++∞KUOR2逻辑控制休止脉冲转换控制时钟脉冲源计数译码显示（MSB）（LSB）数字量输出过零比较器CR1Vref–Vrefux输入电路图双积分型A/D转换器的原理框图•由积分器、零比较器、逻辑控制电路、计数显示电路、电子开关和基准电压源等组成。•双积分式A/D变换器的工作过程分为准备、采样和比较三个阶段。零比较器时钟脉冲闸门逻辑控制电路溢出复零计数器显示器RU±XU＋＋－CSR•1）准备阶段（t0~t1）：积分器输入电压为零，使输出电压也为零，计数器复零.•2）采样阶段（t1~t2）:即定时积分阶段.在t1时刻，逻辑控制电路使开关S接通UX，积分器开始对UX积分，设UX＞0，则积分器输出电压线性递减