第五章-电压测量

1、 第第5 5章章 电压测量电压测量 5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 电压标准电压标准 5.3 5.3 交流电压的测量交流电压的测量 5.4 5.4 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原理转换原理 5.5 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表电流、电压、阻抗变换技术及数字多用表 5.6 5.6 数字电压表测量的不确定度及数字电压表测量的不确定度及 自动校准、自动量程技术自动校准、自动量程技术 5.7 5.7 电压测量的干扰及抑制技术电压测量的干扰及抑制技术 1.1.重要性：重要性： 电压测量是许多电测量与非电测量的电压测量是许多电测量与非电测量的基础基

2、础，是电子，是电子 测量的重要内容。测量的重要内容。 2.2.特点：特点： （1 1）频率范围广）频率范围广 （2 2）测量范围宽）测量范围宽 （3 3）电压波形多样化）电压波形多样化 （4 4）阻抗匹配）阻抗匹配 （5 5）测量精度）测量精度 （6 6）测量速度）测量速度 （7 7）抗干扰性能）抗干扰性能 直流电压测量、交流电压测量直流电压测量、交流电压测量 模拟测量、数字测量模拟测量、数字测量 1.1.交流电压的模拟测量方法交流电压的模拟测量方法 有效值、峰值和平均值电压表有效值、峰值和平均值电压表 交流电压交流电压检波检波直流电流直流电流驱动表头驱动表头 2. 基于直流采样的电压数字化测

3、量方法基于直流采样的电压数字化测量方法 ADCADC，DVMDVM、DMMDMM AC-DC AC-DC变换变换 3.3.基于交流采样的电压基于交流采样的电压数字化数字化测量方法测量方法 交流电压交流电压A/DA/D转换器转换器瞬时采样值瞬时采样值u(k) u(k) 计算计算 4.4.示波测量方法示波测量方法 化学反应化学反应稳定的电动势（稳定的电动势（1.01860V1.01860V）。）。 温度修正（特别是对饱和型）温度修正（特别是对饱和型） 内阻影响内阻影响 抗振动冲击能力差、不易运输抗振动冲击能力差、不易运输 标准电池 分类 稳定性稳定性温度系数温度系数 饱和型饱和型较好较好 （约（约

4、0.5V/0.5V/年）年） 较大较大 （约（约40V/40V/） 不饱和型不饱和型较差较差小小 （约（约4V/4V/） 固态电压标准固态电压标准, ,齐纳二极管的齐纳二极管的稳压稳压特性。特性。 温度漂移影响，高稳电源和内部恒温控制减小温度系数。温度漂移影响，高稳电源和内部恒温控制减小温度系数。 集成齐纳管与恒温控制的精密电压基准。集成齐纳管与恒温控制的精密电压基准。 WUK7000WUK7000系列参考源系列参考源:10V:10V、年稳定性、年稳定性1 11010-6 -6 ； ；1V1V、1.0186V1.0186V， 年稳定性年稳定性2 21010-6 -6 ，温度系数 ，温度系数0.

5、050.051010-6 -6 。 。 约瑟夫森（约瑟夫森（Josephson）效应效应 超导体超导体- -绝缘体绝缘体- -超导体（超导体（SISSIS）结构）结构约瑟夫森隧道结约瑟夫森隧道结 交流约瑟夫森效应：交流约瑟夫森效应：电压电压 交变交变超导电流超导电流 约瑟夫森电压基准约瑟夫森电压基准 约瑟夫森约瑟夫森逆效应逆效应： 微波（微波（频率频率f f) )约瑟夫森结约瑟夫森结量子化电压量子化电压VnVn 约瑟夫森结阵（约瑟夫森结阵（JJAJJA）：）：mV mV 1-10V1-10V 约瑟夫森电压量子基准约瑟夫森电压量子基准:10:10-10 -10 由直流电压标准建立，由直流电压标准

6、建立，需经过需经过交流交流- -直流直流变换。变换。 测热电阻桥式高频电压标准测热电阻桥式高频电压标准 将高频电压通过一测热电阻（如热敏电阻），该电阻由将高频电压通过一测热电阻（如热敏电阻），该电阻由 于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化。再将一标准于吸收高频电压功率，其阻值将发生变化。再将一标准 直流电压施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高直流电压施加于该电阻，若引起的阻值变化相等，则高 频电压的有效值就等于该直流电压。频电压的有效值就等于该直流电压。 双测热电阻电桥的原理双测热电阻电桥的原理 高高频频电电压压 V0V1 RFDCDCRF R R G R R R R R RT T R R

7、T T C C C C VRF 2.2.均值均值 定义定义: :直流分量直流分量 实际测量中，均值通常指经过全波或半波整流后的波形实际测量中，均值通常指经过全波或半波整流后的波形 （若无特指为（若无特指为全波整流全波整流）：）： 理想正弦电压理想正弦电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)， 峰值、平均值、有效值；波峰因数和波形因数。峰值、平均值、有效值；波峰因数和波形因数。 1.1.峰值峰值 以零电平为参考的最大电压幅值以零电平为参考的最大电压幅值（V Vp p）。 振幅（振幅（U Um m）: :直流分量为参考直流分量为参考; ; 峰峰值（峰峰值（V VPP PP） ）

8、: :最大最大- -最小最小 4.4.波峰因数和波形因数波峰因数和波形因数 波峰因数波峰因数: : 波形因数：波形因数： 3.3.有效值有效值 定义：交流电压定义：交流电压u(t)u(t)在一个周期内，通过纯电阻在一个周期内，通过纯电阻R R所产生所产生 的热量，与一个直流电压的热量，与一个直流电压V V产生的热量相等时，则该直流产生的热量相等时，则该直流 电压电压V V的数值就表示交流电压的数值就表示交流电压u(t)u(t)的有效值。的有效值。 意义：有效值在数学上即为意义：有效值在数学上即为均方根值均方根值。反映交流电压的功。反映交流电压的功 率，是表征交流电压的重要参量。率，是表征交流电

9、压的重要参量。 理想正弦交流电压理想正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t)， 理想正弦交流电压理想正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vp psin(t)sin(t) 交流电压交流电压有效值、峰值和平均值有效值、峰值和平均值:AC-DC:AC-DC转换。检波电路转换。检波电路 峰值检波峰值检波: :二极管峰值检波电路。串联和并联形式。二极管峰值检波电路。串联和并联形式。 D Vp C RL u(t) C D RLu(t)Vp ab VP u(t) t c 快充慢放 前提条件 二极管桥式整流（全波和半波）电路。二极管桥式整流（全波和半波）电路。 I0 u(t) D1 D

10、2 D3D4 C C u(t) D1 D2 I0 Rd检波二极管导通电阻 Rm电流表内阻 有效值检波：有效值检波： 方法方法1:1:利用二极管平方律伏安特性利用二极管平方律伏安特性检波检波( (小信号时二极管正向伏小信号时二极管正向伏 安特性曲线近似为平方关系安特性曲线近似为平方关系).).精度低且动态范围小。实际采用精度低且动态范围小。实际采用分分 段逼近平方律段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的二极管伏安特性曲线图. . 方法方法2:2:利用模拟运算电路或专用集成电路利用模拟运算电路或专用集成电路（如（如AD536 AD736 AD536 AD736 ）。）。 方法方法3 3：利用热电偶有

11、效值检波：利用热电偶有效值检波 热电效应热电效应：两种不同导体的两端连接组成一个闭合回路，当：两种不同导体的两端连接组成一个闭合回路，当 两节点处温度不同时，回路中将产生电动势（热电动势），从两节点处温度不同时，回路中将产生电动势（热电动势），从 而形成电流。而形成电流。热电动势的大小与温差热电动势的大小与温差T=T-T0T=T-T0成正比。成正比。 R R u u( (t t) ) 冷冷 端端 T T0 0 加加 热热 丝丝 热热 端端 T T 热热偶偶M M u uA A 连连接接导导线线 I I 热电偶：测温热电偶：测温 通过被测交流电压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将通过被测交流电

12、压对热电偶的热端进行加热，则热电动势将 反映该交流电压的有效值。反映该交流电压的有效值。 具有线性刻度的有效值电压表具有线性刻度的有效值电压表 平衡热偶形成电压负反馈。平衡热偶形成电压负反馈。 测量热偶测量热偶:E:Ex x= k= k V V2 2 ；平衡热偶 平衡热偶:E:Ef f = k = k V Vo o2 2 差分放大器差分放大器:V:Vi i=k(V=k(V2 2- V- Vo o2 2) ) ；V Vi i=0=0时，输出电压等于时，输出电压等于u(t)u(t)有效值有效值 有效值电压表的特点有效值电压表的特点 真有效值测量真有效值测量, ,理论上理论上不存在波形误差不存在波形

13、误差。 对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成，对非正弦波，可视为由基波和各次谐波构成， 若其有效值分别为若其有效值分别为V V1 1、V V2 2、V V3 3、，则读数，则读数 目前目前计算式有效值电压表计算式有效值电压表得到更多应用。得到更多应用。 两种情况使读数偏小：两种情况使读数偏小： 1.1.由于电路饱和使电压表可能出现由于电路饱和使电压表可能出现“削波削波” ； 2.2.高于电压表高于电压表有效带宽有效带宽的波形分量将被抑制。的波形分量将被抑制。 峰值响应：不管波形，只要峰值响应：不管波形，只要峰值峰值相同，读数相同。相同，读数相同。 刻度特性：按纯正弦波的刻度特性：按纯正弦波的

14、有效值有效值定度。读数定度。读数不是峰值，不是峰值， 而是假设信号为正弦波时的有效值。而是假设信号为正弦波时的有效值。 任意波形：读数任意波形：读数既不是有效值，也不是峰值。既不是有效值，也不是峰值。 根据根据读数换算读数换算 峰值峰值和和有效值有效值 “读数直接当成有效读数直接当成有效 值值”产生的误差产生的误差 均值响应：不管波形，只要均值响应：不管波形，只要均值均值相同，读数相同。相同，读数相同。 刻度特性：按纯正弦波的刻度特性：按纯正弦波的有效值有效值定度。读数定度。读数不是均值，不是均值， 而是假设信号为正弦波时的有效值。而是假设信号为正弦波时的有效值。 任意波形：读数任意波形：读数

15、既不是有效值，也不是均值。既不是有效值，也不是均值。 根据根据读数换算读数换算 均值均值和和有效值有效值 读数直接当读数直接当 成有效值产成有效值产 生的误差生的误差 例例11用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压， 读数为读数为1.0V1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？，问如何从该读数得到方波电压的有效值？ 解解 由读数由读数=1.0V=1.0V，得被测信号峰值，得被测信号峰值V Vp p =1.4V =1.4V 方波的波峰因数方波的波峰因数K Kp p=1=1，故有效值，故有效值V=VV=Vp p/K/Kp p=1.4

16、V=1.4V 不换算读数的波形误差不换算读数的波形误差 例例2 用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，用具有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压， 读数为读数为1.0V，问该方波电压的有效值为多少？，问该方波电压的有效值为多少？ 解解 由读数由读数=1.0V=1.0V，得被测信号均值，得被测信号均值=0.9=0.9V=0.9=0.9V 方波的波形因数方波的波形因数 =1 =1，故有效值，故有效值0.9V0.9V。 不换算读数的波形误差不换算读数的波形误差 例例3 有效值电压表的有限带宽对测量非正弦电压时的波形误有效值电压表的有限带宽对测量非正弦电压时的波形误 差。设某有效值电

17、压表带宽为差。设某有效值电压表带宽为10MHz，用该电压表测量，用该电压表测量 下图所示方波，计算由电压表带宽引起的波形误差。下图所示方波，计算由电压表带宽引起的波形误差。 VP 0 T=1uS t u(t) 理论有效值（波峰因数=1） 实际有效值（读数） 读数误差 负值（读数偏小）负值（读数偏小） 解解 为求解电压表带宽引起的波形误差， 需要分析输入方波电压的谐波成分。 将方波电压用付里叶级数表示为 检波器检波器和和放大器放大器是交流电压测量的核心部件。是交流电压测量的核心部件。 两类组成方案：先检波后放大，两类组成方案：先检波后放大，检波检波- -放大式放大式； 先放大后检波，先放大后检波

18、，放大放大- -检波式检波式。 模拟电压表的两个重要指标：模拟电压表的两个重要指标：带宽和灵敏度带宽和灵敏度( (分辨力分辨力) )。 1.1.检波检波- -放大式电压表放大式电压表 频率范围宽 常称为“高频毫伏表”或“超高频毫伏表” 灵敏度高。 常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表” 。 模拟式 交流电压表结构 检波器检波器检波器检波器 带宽带宽 较低 灵敏度灵敏度较低 (1)(1)分贝：分贝：声学中音量单位，通信系统中电平或功率单位。声学中音量单位，通信系统中电平或功率单位。 对数表示的相对量值 绝对功率(相对1mW) 绝对电平 (相对0.775V, 600电阻上吸 收1mW功率时的电压有效

19、值) 宽频电平表宽频电平表: :具有分贝读数的电压表。具有分贝读数的电压表。 在放大在放大- -检波式均值电压表基础上设计。检波式均值电压表基础上设计。 103.162 功率电平测量：阻抗两端电压电平的测量。功率电平测量：阻抗两端电压电平的测量。 零刻度基准阻抗零刻度基准阻抗 ：按：按600600“零刻度基准阻抗零刻度基准阻抗”定度。定度。 Z Zi i600600时，根据读出换算时，根据读出换算 输输入入 电电路路 中中频频 放放大大器器 均均值值 检检波波器器 dB 混混频频器器 2 2 fZ2 (固固定定) f2(固 固定定) 带带通通 滤滤波波器器 窄窄带带 滤滤波波器器 混混频频器器

20、 1 1 f1 (可可调调) fZ1 (固固定定) fx (第第一一本本振振)(第第二二本本振振) 外差式接收机宽频电平表外差式接收机宽频电平表 通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现 高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。 灵敏度可达灵敏度可达-120dB-120dB，相当于，相当于0.775V0.775V。“高频微伏表高频微伏表” 。 应用特点：应用特点： 小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。 放大器谐波失真、滤波器

21、衰耗特性测量及通信传输系统中。放大器谐波失真、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。 峰值电压表峰值电压表 检波检波- -放大式，峰值响应。放大式，峰值响应。 频率范围宽频率范围宽( (达达1GHz)1GHz)但灵敏度低（但灵敏度低（mVmV级）级），“调制式调制式” 到几十到几十V V 。 读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值或峰值。读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值或峰值。 测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。 均值电压表均值电压表 放大放大- -检波式，均值响应。检波式，均值响应。 灵敏度比峰值表提高但频率范

22、围小灵敏度比峰值表提高但频率范围小（10MHz10MHz），低频和视频应用。），低频和视频应用。 读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值或均值。读数的换算：根据波形因数，将读数换算成有效值或均值。 有效值电压表有效值电压表 直接读出有效值，方便。但复杂，价格较贵。削波和带宽限制。直接读出有效值，方便。但复杂，价格较贵。削波和带宽限制。 宽频电平表宽频电平表 电压电平电压电平( (分贝分贝) )：步进衰减器读数表头读数步进衰减器读数表头读数。 功率电平功率电平( (分贝分贝) )：输入阻抗不等于基准阻抗时，用：输入阻抗不等于基准阻抗时，用 修正。修正。 选频电平表选频电平表 外差式接收原理

23、。窄带中频放大，使测量灵敏度得到大幅提高外差式接收原理。窄带中频放大，使测量灵敏度得到大幅提高 量程量程 基本量程（无衰减或放大）由基本量程（无衰减或放大）由ADCADC动态范围确定。动态范围确定。 按按1010倍扩展。倍扩展。 显示位数显示位数 完整显示位完整显示位+ +非完整显示位：非完整显示位： 如如1999 3 1999 3 位位 。 分辨力分辨力 分辨最小电压变化量能力，反映灵敏度。分辨最小电压变化量能力，反映灵敏度。 最小量程上有最高分辨力。最小量程上有最高分辨力。 用每个字对应的电压用每个字对应的电压（V/V/字）字）表示：如分辨力表示：如分辨力0.1mV/0.1mV/字。字。

24、用用百分数百分数表示表示( (与量程无关与量程无关) )。 3 3位半的位半的DVMDVM，分辨力，分辨力 0.05% 0.05% 。 测量速度测量速度 每秒钟完成的测量次数。主要取决于每秒钟完成的测量次数。主要取决于ADCADC的转换速度。一般的转换速度。一般 几次几次- -几十次几十次/ /秒。秒。 测量精度测量精度 固有误差固有误差= =读数误差读数误差+ +满度误差满度误差 输入阻抗输入阻抗 越大越好，否则将影响测量精度。越大越好，否则将影响测量精度。 用输入电阻用输入电阻/电容表示，一般电容表示，一般10-1000M/10-1000M/几十几十- -几百几百pFpF。 A/DA/D转

25、换器分类转换器分类 积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWMPWM）式、）式、 电压电压- -频率（频率（V-FV-F）变换式等。）变换式等。 非积分式：比较式（逐次逼近式、零平衡式）、斜波电非积分式：比较式（逐次逼近式、零平衡式）、斜波电 压（线性斜波、阶梯斜波）式、压（线性斜波、阶梯斜波）式、- -型型A/DA/D转换器等。转换器等。 基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比基本原理：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。较，最终逼近被测电压。“对分搜索对分搜索”策略。策略。 基准电压基准电压V Vr r=10V

26、=10V，8 8位位ADCADC，被测电压，被测电压V Vx x8.5V8.5V的逼近过的逼近过 程。程。 刻度系数：刻度系数：e=Vr/2e=Vr/2n n （V/V/字），代表字），代表ADCADC的分辨力。的分辨力。 1LSB1LSB代表的电压量，逼近时可用的最小代表的电压量，逼近时可用的最小“电子砝码电子砝码”。 单片集成单片集成逐次比较式逐次比较式ADCADC。常见的产品有。常见的产品有8 8位的位的ADC0809ADC0809， 1212位的位的ADC1210ADC1210和和1616位的位的AD7805AD7805等。等。 逐逐次次逼逼近近移移位位 寄寄存存器器( (S SA A

27、R R) ) D/A转转换换器器 Vx+ - 比比较较器器 C CL LK K START A/D 转转 换换 结结 果果 2-1 2-n MSB LSB Vr N N 非积分非积分V-TV-T式）式） 斜斜波波电电压压 发发生生器器 Q Q SET CLR S R & 0 0 0 时时钟钟 计计数数器器 主主门门 Vr Vx + - + - 门门控控信信号号 输输入入比比较较器器 接接地地比比较较器器 a 计计数数输输入入 0 Vx Vx、V Vr r 门门控控信信号号 计计数数输输入入 N V Vr r t 1 b T0 T 误差：误差： 斜波电压的线性和稳定性、时间测量精斜波电压的线性和

28、稳定性、时间测量精 度。度。 比较器的漂移和死区电压。比较器的漂移和死区电压。 特点、应用：特点、应用： 线路简单，成本低。线路简单，成本低。 速度取决于斜波电压斜率与被测电压值。速度取决于斜波电压斜率与被测电压值。 用于精度和速度要求不高的用于精度和速度要求不高的DVMDVM中。中。 主主 门门 计计数数器器 逻逻辑辑控控制制电电路路 数数字字输输出出 时时钟钟 S1 S2 C R Vx -Vr Vr 积积分分器器 比比较较器器 - + - + S S1 1S S2 2 Vo t0t1复复零零t2t3 Vo Vom T1T2 N1N2 t 积积分分 波波形形 计计数数器器 输输入入 b. T

29、0 11 a. 清清零零 f0 T0 T0 复零复零定时积分定时积分反向定值积分反向定值积分 基于基于V-TV-T变换变换的比较测量。的比较测量。 速度较低（速度较低（几几- -几十次几十次/ /秒秒），与被测电压有关，常用于高精），与被测电压有关，常用于高精 度慢速测量。度慢速测量。 积分器的积分器的R R、C C元件元件对转换结果不会产生影响，其精度和稳定对转换结果不会产生影响，其精度和稳定 性要求不高。性要求不高。 参考电压参考电压V Vr r精度和稳定性影响转换结果，需采用精密基准电精度和稳定性影响转换结果，需采用精密基准电 压源。如压源。如16bitADC16bitADC，分辨率，分

30、辨率1/21/216 1615 151010-6 -6，要求基准电压 ，要求基准电压 稳定性（温漂）优于稳定性（温漂）优于15ppm15ppm。 比较器比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力 （响应带宽）。比较器灵敏度应优于（响应带宽）。比较器灵敏度应优于1LSB 1LSB 对应的电压量。对应的电压量。响响 应带宽决定比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡应带宽决定比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡 峭）过零时的能力。峭）过零时的能力。 响应输入电压的平均值，具有较好的抗干扰能力。响应输入电压的平均值，具有较好的抗干扰能力

31、。选择选择T T1 1为为 20ms20ms的整倍数，可消除来自于电网的整倍数，可消除来自于电网50Hz50Hz工频干扰。工频干扰。 提高分辨力（双斜式受比较器的分辨力和带宽所限）。提高分辨力（双斜式受比较器的分辨力和带宽所限）。 主主 门门 高高位位计计数数 器器A A 逻逻辑辑控控制制电电路路 数数字字 输输出出 时时钟钟 S1 S2 C R Vx -Vr 积积分分器器 比比较较器器 - + - + S S1 1S S2 2 Vo t0t1 复复零零t2 t31 Vo Vom T1 T2 N1N2 t 积积分分 波波形形 计计数数器器 输输入入 a. b. 清清零零 低低位位计计数数 器器

32、B B 主主 门门 清清零零 - + A B R1 R2 R3 t32 T3 N3 Vt Vr/10n Vt N N2 2 N3 f0 T0 T0 T0 缓慢进入零点缓慢进入零点 1.-结构的结构的ADC是一种内在的过采样转换器。是一种内在的过采样转换器。 2.-型型ADC以很低的采样分辨率（以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号位）和很高的采样速率将模拟信号 数字化，利用过采样技术（数字化，利用过采样技术（Oversampling）、噪声整形和数字滤波技术）、噪声整形和数字滤波技术 增加有效分辨率，然后对增加有效分辨率，然后对ADC输出进行抽取（输出进行抽取（Decimatio

33、n）处理，以降）处理，以降 低低ADC的有效采样速率，去除多于信息，减轻数据处理负担的有效采样速率，去除多于信息，减轻数据处理负担 。 3.转换分辨率已高达转换分辨率已高达24位位，在各类模数转换器中分辨率是最高的，在各类模数转换器中分辨率是最高的 。 检波检波 取样电阻取样电阻 恒流源恒流源 （对对C C、L L需交流参考电压需交流参考电压） Ix 900 90 9 0.9 0.1 (200mV) 200A A (200mV) 2mA A (200mV) 20mA A (200mV) 200mA A (200mV) 2A A 恒恒流流源源 ( (可可调调) ) A A/ /D DR Rx x

34、Ir - + A Am mp p 恒恒流流源源 ( (可可调调) ) A A/ /D D - + A Am mp p Ir Vr R1 Rx 精精密密 电电阻阻 Vo Vr 取取样样 电电阻阻 DVMDVM的功能扩展。的功能扩展。 精度：精度：3 3位半位半-8-8位半位半( (Agilent 3458A)。 内置微处理器。自检、自校准、自内置微处理器。自检、自校准、自 动量程等自动测量。动量程等自动测量。 通信接口，通信接口，RS-232RS-232、GPIBGPIB等。等。 A AC C/ /D DC C I I/ /V V Z Z/ /V V D DV VM M C CP PU U D

35、DC C A AC C I I Z Z R Rx xIr IrVx DMM Rl1 Rl2 R Rx xIr IrVx DMM Rl1 Rl2 Rl3 Rl4 固有误差固有误差: :一定测量条件下一定测量条件下DVMDVM所固有的误差，反映性能指标。所固有的误差，反映性能指标。 附加误差附加误差: :环境（如温度）和测量条件（如内阻）引起的误差。环境（如温度）和测量条件（如内阻）引起的误差。 ( %) xm VVVabD= + 转换误差、满度误差可根 据系统组成计算。 衰减器、放大器、模拟开 关、ADC 满度误差：与被测电压无关， 主要由系统漂移引起。 读数误差：转换误差（刻 度误差）+非线性

36、误差。 Vx N 0 理理想想特特性性 转转换换误误差差影影响响下下 的的特特性性 满满度度误误差差影影响响下下的的特特性性 （平平行行于于理理想想特特性性） 读数数误误差和和满度误误差 共共同同影响响下下的的 实际际转转换特特性 VD D 由由DVMDVM输入阻抗输入阻抗、输入零电流输入零电流及及温度漂移温度漂移等引起。等引起。 H L I0 DVM Rs Vx Ri 典型输入电阻典型输入电阻1000M(1000M(接入分压器时为接入分压器时为10M),10M),输入零电流约为输入零电流约为0.5nA0.5nA。 温度漂移引起的附加误差：温度漂移引起的附加误差： 用用 或温度系数或温度系数p

37、pmppm表示。表示。 例例 一台一台3位半的位半的DVM给出的精度为：给出的精度为：（0.1%读数读数+1字），如字），如 用该用该DVM的的020V DC的基本量程分别测量的基本量程分别测量5.00V和和15.00V的电的电 源电压，试计算源电压，试计算DVM测量的固有误差。测量的固有误差。 解解 “1 1字字”对应的误差：在对应的误差：在0-20V0-20V量程上，量程上，3 3位半的位半的DVMDVM的刻度系的刻度系 数为数为0.01V/0.01V/字，因而满度误差字，因而满度误差“1 1字字”相当于相当于0.01V0.01V。 当当Vx=5.00VVx=5.00V时，固有误差和相对误

38、差分别为：时，固有误差和相对误差分别为： VVx x(0.1%(0.1%5.00V5.00V0.01V)0.01V)0.015V 0.015V 当当Vx=15.00VVx=15.00V时，固有误差和相对误差分别为：时，固有误差和相对误差分别为： Vx(0.1%15.00V0.01V)0.025V 被测电压愈接近满度电压，测量相对误差愈小。被测电压愈接近满度电压，测量相对误差愈小。 例例 一台一台DVMDVM，其输入等效电阻，其输入等效电阻R Ri i=1000M, =1000M, 输入零电流输入零电流 I I0 0=1nA=1nA，被测信号源等效内阻，被测信号源等效内阻R Rs s=2k=2k

39、，分别测量，分别测量V Vx x=2V=2V和和 V Vx x=0.2V=0.2V两个电压，计算由两个电压，计算由R Ri i和和I I0 0引入的附加误差极限值。引入的附加误差极限值。 解解 为计算由为计算由R Ri i和和I I0 0引入的附加误差极限值，可将分别由引入的附加误差极限值，可将分别由R Ri i 和和I I0 0引入的附加误差进行引入的附加误差进行代数和合成代数和合成。即。即 V Vx x=2V=2V时，时， V Vx x=0.2V=0.2V时，时， 测量小电压时测量小电压时I I0 0的影响较大。的影响较大。 以双斜式ADC构成的DVM为例,误差来源于： 积分器误差：输入失

40、调电压Uos和输入偏置电流IB，动态校零） 比较器误差：灵敏度(电压分辨力)和响应带宽(时间分辨力) 模拟开关误差：导通电阻（接通时）及漏电流（断开时）。 在模拟开关到积分器之间加入一级跟随器。 基准电压源误差：精度和稳定性问题 输入衰减/放大误差：零漂、增益误差、带宽、输入/出阻抗 ADC量化误差： Uos IB - + R C 积积分分器器 Vi Vo Uos Vo t 实实际际积积分分器器 输输出出 理理想想积积分分器器 输输出出 为减小为减小U Uos os的影响，可在放大器同相或反相输入端采用一 的影响，可在放大器同相或反相输入端采用一 个保持电容，用以抵消该漂移电压。个保持电容，用

41、以抵消该漂移电压。 “零采样期零采样期” 接入接入Vi 放大器放大器U Uos os的影响，比没有自动校零时减小了 的影响，比没有自动校零时减小了A A倍）。倍）。 积分器的零点校正，也可减小读数误差中的积分器的零点校正，也可减小读数误差中的转换误差转换误差。 非线性误差非线性误差，还需要采取补偿和校正两种措施。，还需要采取补偿和校正两种措施。 软件校准软件校准:转换误差（通道增益）和零点漂移转换误差（通道增益）和零点漂移 00 0 A/D 转转换换器器 Vx Vr 0V Nx Nr N0 衰衰减减/ / 放放大大器器 转转换换系系数数k k 总总漂漂移移 U Uo os s S1 S2 S3

42、 参考校准参考校准 零点校准零点校准 输入被测电压输入被测电压 完全消除了通道零漂完全消除了通道零漂U Uos os和转 和转 换系数换系数k k引起的误差。引起的误差。 满度误差与量程的关系：满度误差与量程的关系： 0 199.9mV 180mV1.999V 1.8V19.99V 18V199.9V 180V 1200V 自动量程：相邻两个量程之间适当重叠，避免当被测电压自动量程：相邻两个量程之间适当重叠，避免当被测电压 在界限值附近变化时频繁切换在界限值附近变化时频繁切换( ( “摇摆不定摇摆不定”) )。可将较大。可将较大 一档量程的最小值设为一档量程的最小值设为相邻小一档量程满度值的相邻小一档量程满度值的90%90% 。 干干扰扰信信号号un 被被测测 电电压压 Vx H L DVM 被被测测 电电压压 Vx H L DVM 干干扰扰 信信号号 ucm 串模干扰串模干扰: :串联叠加形式串联叠加形式 共模干扰共模干扰: :同时作用于同时作用于DVMDVM 两个测量输入端。两个测量输入端。 信号源本身，如电源纹信号源本身，如电源纹 波干扰波干扰 工频（工频（50Hz50Hz）干扰）干扰 空中电磁干扰（高频）空中电磁干扰（高频） 被测电压是浮置电压。被测电压是浮置电压。 被测电压与被测电压与DVMDVM参考地电位不等。