第7章电压测量.ppt

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1、第第7 7章章 电压测量电压测量第第7 7章章 电压测量电压测量7.1 概概 述述7.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量7.3 交流电压表征和测量方法交流电压表征和测量方法7.4 低频交流电压测量低频交流电压测量7.5 高频交流电压测量高频交流电压测量7.6 脉冲电压测量脉冲电压测量7.7 电压的数字式测量电压的数字式测量习习 题题 七七第第7 7章章 电压测量电压测量7.1 概概 述述 一、电压测量的重要性 电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信号能量的三个基本参数(电压、电流、功率)之一，电压测量是电子测量中的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作

2、点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。第第7 7章章 电压测量电压测量 电路中其他电参数，包括电流和功率，以及如信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的Q值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。最后也是最重要的，电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。作为比较，电流测量就不具备这些优点，首先须把电流表串接在被测

3、支路中，很不方便，其次电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。由此不难得出结论：电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测量。第第7 7章章 电压测量电压测量 二、电压测量的特点 第一章中介绍的电子测量的基本特点，同样在电压测量中得到体现，电压测量的特点就对电压测量的主要仪器电压表的性能，提出了相应的要求，这些主要包括下面几个方面。第第7 7章章 电压测量电压测量 l.频率范围 电子电路中电压信号的频率范围相当广，除直流外，交流电压的频率从10-6(甚至更低)到109Hz，频段不同，测量方法手段也各异。2测量范围 电子电路中

4、待测电压的大小，低至10-9V，高到几十伏，几百伏甚至上千伏。信号江压电平低，就要求电压表分辨力高，而这些又会受到干扰、内部噪声等的限制信号，辽压电子高，就要考虑电压表输入级中加接分压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。第第7 7章章 电压测量电压测量 3信号波形 电子电路中待测电压的波形，除正弦波外，还包括失真的正弦波以及各种非正弦波(如脉冲电压等)，不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。4被测电路的输出阻抗 由待测电压两端看去的电子电路的等效电路，可以用图71l(b)表示，其中Z。为电路的输出阻抗，Zi为电压表输入阻抗。第第7 7章章 电压测量电压测量 在实际的电子电路中，

5、Z0的大小不一，有些电路Z0很低，可以小于几十欧姆，有些电路Z0很高，可能大于几百干欧姆，前面已经讲过，电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，尤其是对输出阻抗Z0比较高的电路。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.11 电压表测量电压及其等效电路第第7 7章章 电压测量电压测量 5测量精度 由于被测电压的频率、波形等因素的影响，电压测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数等的影响也可以忽略，因而直流电压测量的精度较高。目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优于10-7量级。但交流电压测量精度要低得多，因为交流电压须经交流直流(ACDC)变换电路变成直流电压，交

6、流电压的频率和电压大小对ACDC变换电路的特性都有影响，同时高频测量时分布参数的影响很难 避免和准确估算，因此目前交流电压测量的精度一般在10-210-4量级。第第7 7章章 电压测量电压测量 6干扰 电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素，相应要求高灵敏度电压表(如数字式电压表、高频毫伏表等)必须具有较高的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施(例如正确的接线方式，必要的电磁屏蔽)，以减少外界干扰的影响。第第7 7章章 电压测量电压测量 三、电压测量仪器的分类 1按显示方式分类 电压测量仪器主要指各类电压表。在一般工频(50Hz)和要求不高的低频(

7、低于几十 kHz)测量时。可使用一般万用表电压档，其他情况大都使用电子电压表。按显示方式不同，电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。前者以模拟式电表显示测量结果，后者用数字显示器显示测量结果。模拟式电压表准确度和分辨力不及数字式电压表，但由于结构相对简单，价格较为便宜，频率范围也宽，另外在某些场合，并不需要准确测量电 压的真实大小，而只需要知道电压大小的范围或变化趋势，第第7 7章章 电压测量电压测量 例如作为零示器或者谐振电路调谐时峰值、谷值的观测，此时用模拟式电压表反而更为直观。数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量速度快，输入阻抗大，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模

8、拟电压表。此外，由于测量结果是数字形式输出、显示，除读数直观外，还便于和计算机及其他设备联用组成自动化测试仪器或自动测试系统。目前由于微处理器的运用，高中档 数字式电压表已普遍具有数据存贮、计算及自检、自校、自动故障诊断功能，并配有IEEE 488或RS232C接口，很容易构成自动测试系统。数字式电压表当前存在的不足是频率范围不及模拟式电压表。第第7 7章章 电压测量电压测量 2模拟式电压表分类 (1)按测量功能分类 分为直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。其中脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长(即占空系数很小)的脉冲信号和单脉冲信号，一般情况下脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。第第7

9、7章章 电压测量电压测量 (2)按工作频段分类 可分为超低频电压表(低于10Hz)、低频电压表(低于1 MHz)、视频电压表(低于30MHz)、高频或射频电压表(低于300MHz)和超高频电压表(高于300MHz)。(3)按测量电压量级分类 分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为V(伏)量级，毫伏表的主量程mV(毫伏)量级。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。第第7 7章章 电压测量电压测量 (4)按电压测量准确度等级分类 分为0.05、0.1、0.2、0.5、1 0、l.5、2.5、5.0和10.0等级，其满度相对误差分别为0.05、0.1、10.0。第第7 7章章 电压测量电

10、压测量 (5)按刻度特性分类 可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度和其他非线性刻度。此外，还可以按测量原理分类。这将在交流电压测量中介绍。按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输入阻抗、峰值因数(波峰因数)、等效输入噪声、零点漂移等共19项。第第7 7章章 电压测量电压测量 3数字式电压表 数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般按测量功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其ACDC变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表。数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳

11、定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比(SMR)、共模干扰抑制比(CMR)、波峰因数等30项指标。第第7 7章章 电压测量电压测量7.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量 一、动圈式电压表 图7.2-1是动圈式电压表示意图。图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流(或满度电流)为Im，若作为直流电压表，满度电压(7.2-1)第第7 7章章 电压测量电压测量 例如满偏电流为50 A，电流表内阻为20k，则满偏电压为1V。为了扩大量程，通常串接若干倍压电阻，如图721中 。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，又增加了 三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的

12、阻值分别为（7.2-2）第第7 7章章 电压测量电压测量图7.21 直流电压表电路第第7 7章章 电压测量电压测量 例1 在图722中，虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表V的“V数为20k V，分别用5V量程和25V量程测量端电压Ux，分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。解：如果是理想情况，电压表内阻Rv应为无穷大，此时电压表示值Ux，与被测电压实际值E0相等：第第7 7章章 电压测量电压测量 当电压表输入电阻为Rv时，电压表测得值：（7.2-3）直流电压（7.2-4）将有关数据值代入上面两式，可得5V电压档：Rv120k V5V100k，第第7 7章章 电压测量

13、电压测量图7.22 测量高输出电阻电路的第第7 7章章 电压测量电压测量25V电压档：Rv220k V.25V500k，由此不难看出电压表输入电阻尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响。第第7 7章章 电压测量电压测量 根据式(723)，我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值：(7.2-5)第第7 7章章 电压测量电压测量 同理可得因此解出式中(7.2-6)(7.2-7)(7.2-8)第第7 7章章 电压测量电压测量 因此，如果用内阻不同的两只电压表,或者同一电压表的不同电压档(此时 即等于电压量程之比)，根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值E0。例如

14、将本题中有关数据代入式(727)，可得待测电压近似值第第7 7章章 电压测量电压测量 除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，当然也可以利用其他测量方法，如零示法(如电桥)和微差法(比如利用微差电压表)，但一般操作都比较麻烦，通常用在精密测量中。在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利用电子电压表进行测量。第第7 7章章 电压测量电压测量 二、电子电压表 1电子电压表原理 电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管(FET)源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。第第7 7章章 电压

15、测量电压测量 分压电路的接入将使输入电阻韦所降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。图723是这种电子电压表的示意图。图中 组成分压器，由于FET源极跟随器输入电阻很大(几百M以上)，因此由Ux测量端看进去的输入电阻基本上由只。等串联决定，通常使它们的串联和大于10M，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.23 电子电压表框图第第7 7章章 电压测量电压测量 图72-4是MF-65集成运放型电子电压表的原理图。在第三章33节我们曾对运放进行过理想化处理和分析。当运放开环放大系数

16、A足够大时，可以认为 (虚短路和虚断路)，因而有所以(7.2-9)第第7 7章章 电压测量电压测量图7.24 集成运放电压表原理第第7 7章章 电压测量电压测量 分压器和电压跟随器的作用使Ui正比于待测电压Ux(7.2-10)因而 即流过电流表的电流I0与被测电压成正比，只要分压系数和RF足够精确和稳定，就可以获得良好的准确度，因此，各分压电阻及反馈电阻RF都要使用精密电阻。第第7 7章章 电压测量电压测量 2调制式直流放大器 在上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高，为此，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏

17、量级的电压。调制式直流放大器的原理示于图7250图中微弱的直流电压信号经调制器(又称斩波器)变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号(幅度已得到放大)。振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。第第7 7章章 电压测量电压测量图725 调制式直流放大器原理第第7 7章章 电压测量电压测量图726 调制器工作原理第第7 7章章 电压测量电压测量图726 调制器工作原理第第7 7章章 电压测量电压测量 解调器工作原理和各点波形示于图72-7。其中图(a)中KD是与调制器中KM同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关，C为隔直流电容，正是由于它的隔直流作用，使放大器的零点

18、漂移被阻断，不至传输到后面的直流电压表表头。R为限流电阻，构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。解调器中各点波形示于图7.2-7(b)、(c)、(d)。第第7 7章章 电压测量电压测量 图7.2-5中的交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。在实际直流电子电压表中，还采用了其他措施以提高性能，比如在解调器输出端和调制器输入端间增加负反馈网络以提高整机稳定性等。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.27 解调器工作原理第第7 7章章 电压测量电压测量图7.27 解调器工作原理第第7 7章章 电压测量电压测量7.3 交流电压表征和测量方法交流

19、电压表征和测量方法 一、交流电压的表征 交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，通常还可以用峰值、幅值、平均值、有效值等参数来表征。第第7 7章章 电压测量电压测量 1峰值 周期性交变电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用Up表示，正、负峰值不等时分别用Up+和Up-表示，如图731(a)所示.u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为幅值或振幅，用Um表示，正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示，如图7.3l(b)所示，图中U0 0且正、负幅值相等。第第7 7章章 电压测量电压测量 2平均值 u(t)的平均值 的数学定义为(7.3-1)按照这个定义，

20、实质上就是周期性电压的直流分量U0，如图73-1(a)中虚线所示。第第7 7章章 电压测量电压测量 在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称整流)以后的平均值，又可分为半波整流平均值(简称半波平均值)和全波整流平均值(简称全波平均值)，如图7，3-2所示，其中(a)为未检波前电压波形，(b)、(c)分别为半波整流和全波整流后的波形。全波平均值定义为(7.3-2)如不另加说明，本章所指平均值均为式(73-2)所定义的全波平均值。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.31 交流电压的峰值与幅值 第第7 7章章 电压测量电压测量图7.32 半波和全波整流第第7 7章章 电压测量电压测量 3有效值

21、 在电工理论中曾定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U，当该交流电压和 数值为U的直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。刚数学式可表示为(7.3-3)式(73-3)实质上即数学上的均方根定义，因此电压有效值有时也写作Urms。第第7 7章章 电压测量电压测量 4波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数(或称波形系数)及波峰因数(或称波峰系数)表示。波形因数人KF，定义为该电压的有效值与平均值之比(7.3-4)波峰因数丘，定义为该电压的峰值与有效值之比(7.3-5)第第7 7章章 电压测量电压测量 二、交流电压的测量方法

22、 1交流电压测量的基本原理 测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。其中最主要的是利用交流直流(ACDC)转换电路将交流电压转换成直流电压，然后再接到直流电压表上进行测量。根据ACDC转换器的类型，可分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，检波法又可分成平均值检波、峰值检波、有效值检波等。第第7 7章章 电压测量电压测量 2模拟交流电压表的主要类型 (1)检波放大式 在直流放大器前面接上检波器，就构成了如图733所示的检波放大式电压表。这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。采用超高频检波二极管并在电表结构工艺上仔细设计，可使这种电压表的频率范围从几十Hz到几百MHz，输入阻抗也

23、较大。第第7 7章章 电压测量电压测量 一般将这种电压表称为“高频毫伏表”(“高频电压表”)或“超高频毫伏表”(“超高频电压表”)，如国产DA36型超高频毫伏表，其测量频率范围为10kHzl 000MHzo电压范围1mV10V(不加分压器)o输入阻抗分别为：100kHz时，3V量程，输入阻抗100k；50MHz时，3V量程，输入阻抗50k，输入电容C1)，uC2经反馈电阻Rf加至电容C1上作补偿电压。适当选择时常数R2C2，使脉冲休止期C2上放电很少。随着输入脉冲增多，uC2逐渐增大，当 ，时，不再增加，由后面的直流电压表测出 。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.62 补偿式脉冲电压表第第

24、7 7章章 电压测量电压测量 3高压脉冲电压表 在雷达发射机等设备的测试中，会碰到高达万伏的高压脉冲，除利用电容分压法使用示波器测试外，还可以使用高压脉冲电压表进行测量，图7.63是用充放电法测高压脉冲的原理。第第7 7章章 电压测量电压测量 图中D为高压硅堆，经限流电阻R1和电容C1构成峰值检波器。R2与微安表可用来直接指示被测脉冲峰值。R3为标准电阻，阻值远小于R2，其上电压为毫伏级，C2是旁路电容，该电压可送直流电压表(数字电压表)显示。开关K在测量时闭合，测量后断开，以保护电压表。当正向脉冲输入时，D导通，C1充电。脉冲休止期D截止，C1放电，由电表读取脉冲电压峰值。第第7 7章章 电

25、压测量电压测量图7.63 用充放电法测高压脉冲第第7 7章章 电压测量电压测量表7.6l 国内外模拟电压表性能对照表第第7 7章章 电压测量电压测量第第7 7章章 电压测量电压测量第第7 7章章 电压测量电压测量7.7 电压的数字式测量电压的数字式测量 一、概述 模拟式电压表直接从指针式显示仪表的表盘上读取测量结果，“模拟”的含义是指随着被测电压的连续变化，表头指针的偏转角度也连续变化。模拟式电压表结构简单，价格低 廉，模拟交流电压表的频率范围比较宽，因而在电压测量尤其高频电压测量中得到广泛应用。但由于表头误差和读数误差的限制，模拟式电压表的灵敏度和精度不高。第第7 7章章 电压测量电压测量

26、从50年代逐步发展起来的数字式测量方法，是利用模拟数字(AD)转换器，将连续的模拟量转换成离散的数字量，然后利用十进制数字方式显示被测量的数值。由于电子技术、计算技术、半导体技术的发展，数字式仪表的绝大部分电路都已集成化，又因为摆脱了笨重的指针式表头，数字式仪表显得格外精巧、轻便。更主要的，它具有下列模拟式仪表所不能比拟的 优点。第第7 7章章 电压测量电压测量 (1)准确度高。以直流数字电压表为例，高档的准确度可达10-7量级，测量灵敏度(分辨力)达1 V。(2)数字显示。测量结果以十进制数字显示，消除了指针式仪表的读数误差。由于数字显示代替指针机械偏转，仪器内又有保护电路，所以数字仪表过载

27、能力强。(3)输入阻抗高。一般的数字电压表(DVM)为10M 左右，高的可超过1 000M ，因而其负载效应几乎可以忽略。第第7 7章章 电压测量电压测量 (4)测量速度快，自动化程度高。由于没有指针惯性，DVM完成一次测量的时间(从信号输入到显示结果)很短(可小于几个 s)。由于微处理器的应用，中、高档DVM已普 遍具有很强的数据存贮、计算、自检、自校、自诊断等功能，并配有IEEI-488和或RS232C接口，有的还具有模拟量输出，很容易构成自动测试系统。例如8520数字多用表可贮存400个测量数据，具有14种运算程序。第第7 7章章 电压测量电压测量 (5)功能多样。现在的数字式仪表一般都

28、具有多种功能，这种仪表称为数字多用表，具有直流电压(DCV)、直流电流(DCl)、交流电压(ACV)、交流电流(ACl)和电阻()五项功能，有的还有频率、温度等测量功能。当前，数字式电压表的缺点是交流测量时的频率范围不够宽，一般上限频率在1MHz以下。第第7 7章章 电压测量电压测量 二、数字式电压表(DVM)的组成原理 1直流数字式电压表 直流数字电压表的组成如图77-1所示。图中模拟部分包括输入电路(如阻抗变换，放大电路、量程控制)和AD变换器，AD完成模拟量到数字量的转换。电压表的主要技术指标如准确度、分辨力等主要取决于这一部分电路。数字部分完成逻辑控制，译码(比如将二进制数字转换成十进

29、制数字)和显示等功能。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.71 直流数字电压表组成原理第第7 7章章 电压测量电压测量 2数字多用表(DMM)和模拟直流电压表前端配接检波器即可构成模拟交流电压表一样，在数字直流电压表前端配接相应的交流直流转换器(ACDC)、电流电压转换电路(I/V)、电阻电压转换电路(V)等，就构成了数字多用表，如图772所示。可以看出，数字式多用表的核心是数字直流电压表。第第7 7章章 电压测量电压测量 由于直流数字电压表是线性化显示的仪器，因此要求其前端配接的ACDC、IV、QV等变换器也必须是线性变换器，即变换器的输出与输入间成线性关系。而像前面介绍的有效值检波器的输

30、出(流过直流微安表电流I)和电压有效值U之间不是线性关系(见(7416)式)，因而那种有效值检波器不是线性ACDC变换器。第第7 7章章 电压测量电压测量 (1)线性ACDC变换器 数字多用表中的线性ACDC变换器主要有平均值ACDC和有效值ACDC。有效值ACDC可以采用前面介绍的热偶变换式和模拟计算式。平均值ACDC通常利用负反馈原理以克服检波二极管的非线性，以实现线性ACDC转换。图7，73是线性平均值检波器的原理，其中图(z)为运算放大器构成的负反馈放大器，在第三章我们曾分析过运算放大器的特性，这里用它说明图(b)半波线性检波的原理。设运放的开环增益为k，并假设其输入阻抗足够高(实际的

31、运放一般 能满足这一假设)，则 第第7 7章章 电压测量电压测量(7.7-1)解得(7.7-2)第第7 7章章 电压测量电压测量图7.72 数字式多用表组成原理第第7 7章章 电压测量电压测量 图7.73 线性检波原理第第7 7章章 电压测量电压测量 一般k1(通常k在105-108之间)，因此上式简化为(7.7-3)第第7 7章章 电压测量电压测量 图7.74 线性平均值ACDC框图第第7 7章章 电压测量电压测量 (2)IV变换器 将直流电流I。变换成直流电压最简单的方法，是让该电流流过标准电阻Rs，根据欧姆定律，Rs上端电压 ，从而完成了IV线性转换。为了减小对被测电路的影响，电阻Rs的

32、取值应尽可能小，图775是两种IV变换器的原理图。图(a)采用高输入阻 抗同相运算大器，不难算出输出电压U0与被测电流Ix之间满足：(7.7-4)第第7 7章章 电压测量电压测量 当被测电流较小时(Ix小于几个毫安)，采用图(b)转换电路，忽略运放输入端漏电流，输出电压U0与被测电流Ix间满足：(7.7-5)第第7 7章章 电压测量电压测量 (3)V变换器 实现 V变换的方法有多种，图776是恒流法 V变换器原理图。图中Rx为待测电阻，Rs为标准电阻，Us为基准电压源，该图实质上是由运算放大器构成的负反馈电路，利用前面的分析方法，可以得到(7.7-6)即输出电压与被测电阻成正比，Us/Rs实质

33、上构成了恒流源，改变Rs，可以改变Rx 的量程。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.75 IV变换器第第7 7章章 电压测量电压测量图7.76 恒流法 V变换器第第7 7章章 电压测量电压测量 三、DVM的主要类型 除了将DVM分成直流DVM和交流DVM外，还可以根据AD变换的基本原理进行分类。比较型AD转换器是采用将输入模拟电压与离散标准电压相比较的方法，典型的是具有闭环反馈系统的逐次比较式。积分型AD转换器是一种间接转换形式。它对输入模拟电压进行积分并转换成中间量 时间97或频率9，再通过计数器等将中间量转换成数字量。第第7 7章章 电压测量电压测量 比较型和积分型是AD变换的基本类型。

34、由比较型AD构成的DVM测量速度快(最高可达每秒100万次以上)，电路比较简单，但抗干扰能力差。积分型AD构成的DVM突出优点是抗干扰能力强，主要不足是测量速度慢。复合型DVM是将积分型与比较型结合起来的一种类型。随着电子技术的发展，新的AD变换原理和器件不断涌现，推动DVM的性能不断提高。表771列出了三类AD转换器的常见形式。第第7 7章章 电压测量电压测量表7.7l AD转换器常见形式第第7 7章章 电压测量电压测量 四、逐次比较型DVM 图777是逐次比较型DVM原理框图，逐次比较也叫逐次逼近。这种DVM的核心是逐次比较式AD变换器。1主要电路单元 逐次比较式AD主要电路单元有比较器、

35、控制器、逐次逼近寄存器SAR、缓冲寄存器、译码器和模数(DA)转换器。第第7 7章章 电压测量电压测量 比较器是一种特殊设计的高速高增益运算放大器，它完成输入端两屯压的比较运算。在图777中，模拟输入电压Ux、反馈电压U0分别作用在比较器输入端，若U0 Ux，则比较器输出Qc0(逻辑低电平)，若U0 Ux，则Qc 1。(逻辑高电平)。控制器发出一系列的节拍脉冲，并根据Qc值控制SAR各位的输出状态。第第7 7章章 电压测量电压测量 SAR是一组双稳触发器，如果是二进制n位AD，则SAR中就有n个双稳触发器，各位的输出由控制器控制，并送往缓冲寄存器锁存和送往DA变换成模拟量U0。DA包括基准电压

36、源、电子开关电路和由分压分流电路组成的解码网络，其功能是将二进制数字量转换成模拟量。第第7 7章章 电压测量电压测量图777 逐次逼近式数字电压表原理框图第第7 7章章 电压测量电压测量 图778是权电阻DA变换原理，其中K0K7是电子开关，其通断对应于相应位ai的取值，若ai 1，则ki通，若ai=0，则ki断。运用第三章介绍的运算放大器的分析方法，不难得出：当K0闭合(对应，t位二进制数最低位(LSB)a0=1)时(7.7-7)第第7 7章章 电压测量电压测量 图778 权电阻A/D变换原理第第7 7章章 电压测量电压测量 此时若K1K7均断开，则输出电压(7.7-8)当DA输入为任意二进

37、制数字量 时，输出电压(7.7-9)权电阻解码电路中电阻个数较少，但阻值大小不一，制造较为困难。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.79 T型电路DA变换原理第第7 7章章 电压测量电压测量 图77-9(a)所示的T型解码电路虽然电阻个数较多，但电阻值仅为两种，很适宜集成制造工艺。可以用图(b)节点i等效电路来分析其工作原理。对于节点07的任意节点i，左、右两侧的等效电阻均为2R，因此其节点电位(ai1时)(7.7-10)第第7 7章章 电压测量电压测量 当该节点电位向输出端传送时，要经过多节电阻网络衰减，每节衰减数均为12，比如“0”节点电位传送到输出端时，要经过七节电阻衰减器衰减，所以传

38、送到输出端的电压为(7.7-11)根据迭加原理，对于任意二进制数 ，输出电压第第7 7章章 电压测量电压测量 2逐次比较AD工作原理 逐次比较AD的工作原理非常类似于天平称质量过程(因而逐次比较也叫称量法)。它利用对分搜索原理，依次按二进制递减规律减小，从数字码的最高位(1MB或MSB，相当于满度值FS的一半)开始，逐次比较到低位，使U0逐次逼近Ux。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.710 三位逐次比较流程图第第7 7章章 电压测量电压测量图7.711 3比特逐次比较AD工作波形图第第7 7章章 电压测量电压测量图7.712 双积分式DVM框图第第7 7章章 电压测量电压测量表7.7-2

39、 三位逐次比较过程(Us8V，Ux=5V)第第7 7章章 电压测量电压测量 五、双积分型DVM 图77-12和图77-13分别画出了双积分式DVM组成框图和双积分AD原理图。其工作过程如下：准备阶段(t0t1)：控制逻辑使开关K4接地，K1K 3断开，使积分器输入、输出为零，作为初始状态。第第7 7章章 电压测量电压测量 取样阶段(t0t1)：t1时刻，控制逻辑发出取样指令，接 通K1，断开K2K1，被测电压(-Ux)(设-Ux为负值)加到积分器，积分器输出电压U0线性上升，一旦 U0 0，零比较器输出由低电平跳变到高电平，打开计数闸门，时钟脉冲通过闸门，计数器开始减法计数，由于时钟是等周期T

40、0的脉冲，这里的计数实质上就是计时。经过预置时间T1(对应计数器预置初值N1)，到达t2时，计数器溢出，并复零。此时积分器输出达到最大值：(7.7-13)第第7 7章章 电压测量电压测量 图7.713 双积分AD原理第第7 7章章 电压测量电压测量 比较阶段(t2一t3)：在取样结束，计数器复零时，控制逻辑断开K1，接通正基准电压Us，Us接到积分器进行反向积分，输出U0线性下降。与此同时，计数器从零开始加法计数。到达t3时刻，积分器输出U0 0，零比较器由高电平跳到低电平，闸门关闭，停止计数，设此时计数器值为N2，则反向积分时间 。比较阶段积分器输出电压为 （7.7-14）第第7 7章章 电

41、压测量电压测量在t3时刻，U00，因此（7.7-15）将式(7.714)代入上式得（7.7-16）从而得到了被测电压值。适当地选择时钟周期T0和取样时间，可以使计数器的计数值直接对应被测电压值。第第7 7章章 电压测量电压测量 六、DVM的技术指标 前面曾提到，衡量DVM性能的技术指标多达30项，做为DVM的使用者，应掌握其中一些最重要的项目，以便正确选择和使用DVM。1测量范围 包括显示位数、量程划分和超量程能力，还可包括量程的选择方式是手动、自动或远控等。第第7 7章章 电压测量电压测量 2.分辨力 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变一个字所需的最小输入电压。

42、例如SXl842DVM，最小量程20mV，最大显示数为19 999，所以其分辨力为20mV19 999即1 V。第第7 7章章 电压测量电压测量 3测量速度 指每秒钟能完成的测量次数，它主要取决于DVM所使用的AD。积分型DVM速度较低，一般在几次秒几百次秒之间，逐次比较型DVM可达每秒一百万次以上。4输入阻抗 在直流测量时，DVM输入阻抗用输入电阻Ri表示，量程不一样，Ri也有差别，大体在10MQ到1 000MQ之间。交流测量时，DVM输入阻抗用输入电阻Ri并联输入电容Ci表示，Ci一般在几十几百pF之间。第第7 7章章 电压测量电压测量 5固有误差或工作误差 DVM的固有误差通常用绝对误差

43、表示(7.7-17)其中Ux为测量示值，Um为该量程满度值，a.Ux霉称为读数误差.b.Um称为满度误差，它与被测点压大小无关，而与所取量程有关。当量程选定后，显示结果末位1个字所代表的电压值也就一定，因此满度误差通常用正负几个字表示。第第7 7章章 电压测量电压测量 例1 DS26A直流DVM基本量程8V档固有误差为0.02Ux 0.005Um，最 大显示为79999，问满度误差相当于几个字?解：满度误差为该量程每个字所代表的电压值为 所以8V档上的满度误差 0.005 Um也可以用 4个字表示。第第7 7章章 电压测量电压测量 例2 用 位SXl842DVM测量1.5V电压，分别用2V档和

44、200V档测量，已知2V档和200V档固有误差分别为 0.025 Ux 1个字和 0.03 Ux 1个字。问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少?解：该DVM为四位半显示，最大显示为19 999，所以2V档和200V档1个，字分别代表 和第第7 7章章 电压测量电压测量用2V档测量时的示值相对误差为用200V档测量时的示值相对误差为第第7 7章章 电压测量电压测量 5抗干扰能力 由于DVM的灵敏度很高，因而对外部干扰的抑制能力就成为保证它的高精度测量能力的重要因素。外部干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。(1)串模干扰 串模干扰是指干扰电压usm以串联形式与被测电压Ux迭加后加到DVM输

45、入端，见图7，7-140图(a)表示串模干扰来自被测信号源内部，图(b)表示串模干扰是由于测量引线受外界电磁场感应所引起的。第第7 7章章 电压测量电压测量图7.714 串模干扰示意图第第7 7章章 电压测量电压测量 通常用串模干扰抑制比SMR来表示DVM对串模干扰的抑制能力，SMR定义为(7.7-18)设串模干扰源为正弦波：(7.7-19)第第7 7章章 电压测量电压测量 式中Tsm 为正弦型串模干扰的周期。对于积分式DVM而言，由于积分过程就是取平均值的过程，因此对于正弦型串模干扰的抑制能力很强。可以证明，积分式DVM的串模干扰抑制比为(7.7-20)第第7 7章章 电压测量电压测量 (2

46、)共模干扰 用DVM进行测量时的共模干扰如图77-15所示，图中Z1、Z2是DVM两个输入端与机壳间的绝缘阻抗，一般Z1Z2，R1、R2是测量引线的电阻。当被测信号源地端与DVM机壳间存在电位差时，这个电位差就相当于 一个干扰源Ucm。Ucm将串入两根信号引 线，由于(R1+Z1)不等于(R2+Z2)，所以Ucm的作用等效于信号通道中的 串联干扰源而对测量结果发生影响，尤 如图77-14中Ucm的作用。第第7 7章章 电压测量电压测量 如果(R1+Z1)(R2+Z2)，尽管有Ucm存在，等效的Usm也等于零，因而不会影响测量结果。因此将Ucm与Usm的比值定义为DVM的共模抑制比：(7.7-2

47、1)式中Ucmp，和Usmp，分别为共模干扰的峰值和它等效的串模干扰的峰值。第第7 7章章 电压测量电压测量 一般Z1Z2，故可忽略图7，7土5中I1的影响，所以有即(7.7-22)第第7 7章章 电压测量电压测量图7.715 共模干扰示意图第第7 7章章 电压测量电压测量习习 题题 七七 7.1 简述电压测量的意义和特点。7.2 题7，2图中L、C、r构成的并联谐振电路的端电压u(t)与频率f间关系如图中(b)所示，当用输入电阻Ri输入电容Ci的电压表实际测量描绘谐振曲线时，实测曲线和理论曲线间有何不同?第第7 7章章 电压测量电压测量 题7.2图第第7 7章章 电压测量电压测量 题7.3图

48、 第第7 7章章 电压测量电压测量 7.3 用MF-30万用表5V及25V档测量高内阻等效电路输出电压Ux，已知MF30电压灵敏度为20k V，试计算由于负载效应而引起的相对误差，并计算其实际值U0和电压表示值Ux。第第7 7章章 电压测量电压测量 7.4 说明本章72中图72-3所示电子电压表中各部分的功能。7.5 说明调制式直流放大器工作过程及其抑制直流漂移的原理。7.6 简述本章73图73-3和图73-4两类模拟交流电压表的工作过程。7.7 验证本章表73-1中半波整流、全波整流、锯齿波和脉冲波信号的 和 值。第第7 7章章 电压测量电压测量 7.8 说明本章7，4图74-1中电容C的作

49、用。7.9 利用单峰值电压表测量题79图中正弦、方波和三角波的电压，电压表读数均为5V，问：(1)对每种波形来说，读数各代表什么意义?(2)三种波形的峰值、平均值、有效值各为多少?第第7 7章章 电压测量电压测量题7.9图第第7 7章章 电压测量电压测量 7.10 改用有效值电压表测量，重复7.9题。7.11 改用平均值电压表，重复7.9题。7.12 测量题7.12图所示矩形波电压，计算电压表读数。(1)利用7.4中图7.4-1全波整流平均值电压表。(2)利用1.5中图7.5-1串联峰值电压表。(3)利用7.5中图7.5-4并联峰值电压表。第第7 7章章 电压测量电压测量题7.12图第第7 7

50、章章 电压测量电压测量 7.13 利用75中图75-7所示峰值检波电压表测量矩形脉冲电压，电压表读数为10V，已知：R1M，Rd(包括电源内阻)175。(1)若 ，求测量的绝对误差和相对误差。(2)若 重复(1)。第第7 7章章 电压测量电压测量 7.14 用SR-8示波器观察幅值Um2V的正弦波，已知y轴灵敏度0.1Vdiv(已置校正位)，信号经1:10探极输入，问荧光屏上波形高度为多少格?7.15 被测脉冲信号电压幅度Up3V，经1:10探极引入，“倍率”置“l位，“微调”置校正位，要想在荧光屏上获得高度为3cm的波形，Y轴偏转灵敏度开关“Vcm”应置哪一档?第第7 7章章 电压测量电压测