电子测量技术第5章 数字测量方法.

1、第第5 5章章 数字测量方法数字测量方法5.1 5.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法 数字化测量是将连续的模拟量转换成断续的数数字化测量是将连续的模拟量转换成断续的数字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。进行字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。进行这种处理的电参数是直流电压和脉冲（或交流）频这种处理的电参数是直流电压和脉冲（或交流）频率，对应的测量仪器是数字电压表（率，对应的测量仪器是数字电压表（DVMDVM）和电子）和电子计数器（数字频率计）。计数器（数字频率计）。数字式仪器的综合结构：数字式仪器的综合结构：5.1.1 DVM5.1.1 DVM的特点的特点1.1.数字显示：

2、消除视觉误差数字显示：消除视觉误差2.2.准确度高：准确度高：4-64-6位，甚至位，甚至7-87-8位位3.3.测量范围：显示位数及超量程能力测量范围：显示位数及超量程能力( (半位半位) )4.4.分辨力高：最小量程时末位跳一个字所需的最小输入电压值。分辨力高：最小量程时末位跳一个字所需的最小输入电压值。直流直流DVMDVM的组成：的组成：5.5.测量速度快：每秒中进行测量的次数。测量速度快：每秒中进行测量的次数。6.6.输入阻抗高：输入阻抗高：10M10M。7.7.抗干扰能力强抗干扰能力强 (1)(1)串模干扰：干扰源电压以串联形式与被测串模干扰：干扰源电压以串联形式与被测电压叠加后接至

3、电压叠加后接至DVMDVM输入端。输入端。串模抑制比：串模干扰电压的峰值与由串模干扰引起串模抑制比：串模干扰电压的峰值与由串模干扰引起的最大显示误差之比。的最大显示误差之比。dBlg20maxUUSMRsmp设串模干扰电压为一正弦波，设串模干扰电压为一正弦波，DVMDVM的采样时间为的采样时间为T T1 1，在在T T1 1内经积分后的电压反映了内经积分后的电压反映了u ux x的平均值。则的平均值。则在采样时间在采样时间T T1 1内，干扰源频率越高，内，干扰源频率越高，SMRSMR越大。对越大。对50Hz50Hz的工频干扰，如果取的工频干扰，如果取smnTT 1nnSMRsinlg20当当

4、n n为整数时，为整数时，SMR=SMR=，即干扰信号经平均后消失。，即干扰信号经平均后消失。积分型积分型DVMDVM具有较高的具有较高的SMRSMR。smsmTTTTSMR11sinlg20(2)(2)共模干扰共模干扰当被测信号的地端与当被测信号的地端与DVMDVM的机壳间存在共模干扰电压的机壳间存在共模干扰电压U Ucmcm时时, ,将产生干扰电流将产生干扰电流I I1 1和和I I2 2, ,分别串入分别串入R R1 1和和R R2 2支路支路,I,I1 1在信号源内阻在信号源内阻R Rs s及及R R1 1上的压降上的压降, ,以及以及I I2 2在在R R2 2上的压降上的压降, ,

5、共模抑制比共模抑制比由于由于21ZZ ，不计干扰电流，不计干扰电流I1的影响，的影响，2222ZUZRRUIcmpCcmpm2m2maxRIUdBlg20maxUUCMRcmpdBlg20lg20222222RZRIZICMRmmZ2中电阻成分反映对直流信号的共模抑制比，电容中电阻成分反映对直流信号的共模抑制比，电容成分反映对交流信号的共模抑制比。成分反映对交流信号的共模抑制比。当当R2一定时，增大一定时，增大Z2，可以提高，可以提高CMR。一般将一般将DVM中的中的A/D转换器进行浮置（输入低端与转换器进行浮置（输入低端与机壳不连接）。机壳不连接）。5.1.2 DVM5.1.2 DVM的主要

6、类型的主要类型 DVM DVM的区别主要是的区别主要是A/DA/D转换方式。转换方式。1. 1. 逐次比较型逐次比较型DVMDVM的工作原理：将被测电压与可变标的工作原理：将被测电压与可变标准电压进行比较，直至达到平衡准电压进行比较，直至达到平衡( (直接转换直接转换) )。2. U-T积分型积分型DVM的工作原理的工作原理(间接转换间接转换)(1) 双斜积分式双斜积分式DVM 在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，将被测电压分，将被测电压Ux转换成与其成正比的时间间隔，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，用仪器记录在此间

7、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的脉冲个数来反映Ux的值。的值。(与双积分式与双积分式ADC原理原理相同相同)准备阶段准备阶段(S4)：放电：放电采样阶段采样阶段(S1)：定时积分：定时积分(计数器溢出断开计数器溢出断开S1)设时钟脉冲的周期设时钟脉冲的周期T0=10s比较阶段比较阶段(S2)：定值积分，使积分器输出为：定值积分，使积分器输出为0.2121d1d1111ttxttxotUTRCTtURCuxomoURCTUu11ms60101060006011TNT32d12ttNomotURCUuNNNxUNNUTNTNUTTU12010212xomNURCTUURCT

8、12特点：特点：(1) 准确度主要取决于基准电压准确度主要取决于基准电压UN的准确度和稳定度，的准确度和稳定度，与积分参数基本无关。与积分参数基本无关。(2) 由于两次积分都是对同一时钟源进行计数，从而由于两次积分都是对同一时钟源进行计数，从而降低了对脉冲源频率准确度的要求。降低了对脉冲源频率准确度的要求。(3) 由于测量结果反映的是被测电压在采样时间由于测量结果反映的是被测电压在采样时间T1内内的平均值，故串入被测电压信号中的各种干扰成分将的平均值，故串入被测电压信号中的各种干扰成分将通过积分过程而减弱。通过积分过程而减弱。(2) U-F积分型积分型DVM工作原理工作原理被测电压被测电压Ux

9、通过积分以后输出一线性变化的电压通过积分以后输出一线性变化的电压,控控制一个振荡器制一个振荡器,产生于被测电压成正比的频率值产生于被测电压成正比的频率值,再用再用数字频率计测量出频率值数字频率计测量出频率值,从而表示被测电压大小。从而表示被测电压大小。fkUxfUTRRRSfRRRURRRUNFF0211211211xNFUKUTURRRf0121特点：特点： U/F转换器的转换准确度主要取决于基准电压转换器的转换准确度主要取决于基准电压UN及及F/U转换器的准确度，而转换器的准确度，而F/U转换器具有较高转换器具有较高的转换准确度，因此，能够确保的转换准确度，因此，能够确保U/F彻底转换。只

10、彻底转换。只要要UN，R1，R2的值准确稳定，则的值准确稳定，则f与与Ux严格成正比。严格成正比。除二重积分外，还有三重积分、四重积分、甚至五除二重积分外，还有三重积分、四重积分、甚至五重积分的转换器，效果更佳理想。重积分的转换器，效果更佳理想。3. U-F转换器实用电路转换器实用电路(1) 恢复型恢复型U-F转换器转换器(2) 由单片集成电路构成的由单片集成电路构成的10kHz U-F 转换器转换器4.1.3 DVM4.1.3 DVM的测量误差的测量误差a%Ux用示值相对误差表示，与读数成正比，称为用示值相对误差表示，与读数成正比，称为读数误差；读数误差；bUm称为满度误差，与被测电压大小无

11、关，而称为满度误差，与被测电压大小无关，而与所取量程有关，常用正负几个字来表示。与所取量程有关，常用正负几个字来表示。当不在接近满量程显示时，误差是很大的，为此，当不在接近满量程显示时，误差是很大的，为此，当测量小电压时，应当用较小的量程。当测量小电压时，应当用较小的量程。几个字xmxUaUUbUaU%DVM的固有误差通常表示为：的固有误差通常表示为：【例例5.1.1】用一只用一只4位位DVM的的5V量程分别测量量程分别测量5V和和0.1V电压，已知该仪表的准确度为电压，已知该仪表的准确度为0.01%Ux1个个字，求由仪表的固有误差所引起的测量误差的大小。字，求由仪表的固有误差所引起的测量误差

12、的大小。(1)测量测量5V电压电压5V量程时，量程时，1个字相当于个字相当于0.001V，所以绝对误差，所以绝对误差 U= 0.01%51个字个字 = 0.0005 0.001= 0.0015V示值相对误差示值相对误差U= 0.0015 /5=0.03%(2)测量测量0.1V电压电压 U= 0.01%0.11个字个字 = 0.00001 0.001= 0.001V示值相对误差示值相对误差U= 0.001 /0.1=1%5.2 5.2 直流数字电压表直流数字电压表1.单片CMOS双积分式A/D转换器 7106, 7107, 7116, MC14433, 71352.由A/D转换器为主体构成的数字

13、电压表逻辑电路逻辑电路逻辑及驱动电路逻辑及驱动电路5.3 5.3 多用型数字电压表多用型数字电压表 以测量直流电压的以测量直流电压的DVM为基础，通过各种参数为基础，通过各种参数变换器将其他参数变换为等效的直流电压变换器将其他参数变换为等效的直流电压U，通过，通过测量测量U值来获得所测参数的数值。值来获得所测参数的数值。1.交流电压交流电压-直流电压直流电压(AC-DC)转换器转换器2.2.精密全波检波电路精密全波检波电路输出电压与输入电压的幅值成正比，而与输入电压的输出电压与输入电压的幅值成正比，而与输入电压的极性无关，即输出电压与输入电压的绝对值成比例。极性无关，即输出电压与输入电压的绝对

14、值成比例。当输入信号为正时，当输入信号为正时，VD1截止，截止，VD2导通导通 uo1=(-R2/R1)ui；uo=ui当输入信号为负时，当输入信号为负时，VD2截止，截止，VD1导通导通 uo=(-R5/R3)ui=-ui若在若在R5上并联一只电容，则其输出电压与输入电上并联一只电容，则其输出电压与输入电压绝对值的平均值成比例。压绝对值的平均值成比例。3.电阻电阻-直流电压直流电压(R-U)转换器转换器被测电阻被测电阻Rx接在反馈回路，标准电阻接在反馈回路，标准电阻RN接在输入回接在输入回路，路，UN是基准电压。是基准电压。NNRUI xNNxoRRUIRU不适合测量小电阻。不适合测量小电阻

15、。NNNNRERRRRUI211与被测电阻无关。与被测电阻无关。(a)(b) 与双积分型与双积分型DVM配合配合,对对Ux定时积分定时积分(S1接通接通)xNNxxRRUIRU对对UN定值积分定值积分(S2接通接通)21TTRRNx4.直流电流直流电流-直流电压直流电压(I-U)转换器转换器采样电阻串联到被测电采样电阻串联到被测电路中，适于路中，适于Ix较大时。较大时。并联电压负反馈放大电并联电压负反馈放大电路，适于路，适于Ix较小时。较小时。NxRIU iNxoRIRRU32-NxRIU o5.5.用数字面板表测直流电流用数字面板表测直流电流电流测量是通过测试取样电阻电流测量是通过测试取样电

16、阻RsRs的压降来完成的。的压降来完成的。多用型数字电压表原理框图多用型数字电压表原理框图5.4 5.4 频率的测量频率的测量5.4.1 5.4.1 标准频率源标准频率源1.1.原子频标的基本原理原子频标的基本原理原子秒：与铯原子秒：与铯-133-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的的91926317709192631770个周期的持续时间。个周期的持续时间。精度：精度：1010-13-13-10-10-14-14。 冷铯原子喷泉钟冷铯原子喷泉钟( (我国研制我国研制) )：1s/3501s/350万年万年2.2.氢原子钟：氢原子钟：精度：精度：10

17、10-12-123.3.铷原子钟：铷原子钟：精度：精度：1010- -11114.4.离子储存频标：离子储存频标：精度：精度：1010-15-15-10-10-16-16 未来时间标准未来时间标准。国家授时中心国家授时中心：陕西天文台：陕西天文台 利用电台、电视台、因特网或电话网络发布不同利用电台、电视台、因特网或电话网络发布不同准确度的标准时间频率信号。准确度的标准时间频率信号。5.5.频段的划分频段的划分 国际上规定国际上规定30kHz30kHz以下为甚低频、超低频；以下为甚低频、超低频；30kHz30kHz以上每以上每1010倍频依次划分为低、中、高、甚高、特高、倍频依次划分为低、中、高

18、、甚高、特高、超高等频段。微波技术中，按波长划分为米波、分米超高等频段。微波技术中，按波长划分为米波、分米波、厘米波、毫米波等。波、厘米波、毫米波等。5.4.2 5.4.2 电子计数式频率计的原理电子计数式频率计的原理1.1.时间基准的产生时间基准的产生 一般选用频率一般选用频率稳定度良好的石英稳定度良好的石英晶体振荡器来产生晶体振荡器来产生时间基准，它的短时间基准，它的短时稳定度可达时稳定度可达10-9量级。量级。2.2.计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理TNfxBABAABffTfTTN5.4.3 5.4.3 频率计数器的组成频率计数器的组成5.4.4 高精度高精度10MHz频率

19、计频率计放大及限幅电路放大及限幅电路定时定时/计数器芯片计数器芯片5.4.5 5.4.5 脉冲累计的测量脉冲累计的测量 与测频原理相同，需要主门开放时间较长，门与测频原理相同，需要主门开放时间较长，门控电路的输入端改用人工控制。控电路的输入端改用人工控制。5.4.6 5.4.6 用计数式频率计测量频率比用计数式频率计测量频率比频率高的信号接频率高的信号接A A，作为计时脉冲；频率低的信号接，作为计时脉冲；频率低的信号接B B，作为，作为门控信号。门控信号。NTTffABBA为了提高测量为了提高测量准确度，可将准确度，可将频率信号频率信号B B的周的周期扩大，使主期扩大，使主门的开方时间门的开方

20、时间增加。增加。5.4.7 5.4.7 误差分析误差分析 闸门时间闸门时间T T是否是否准确？计数器准确？计数器计数是否计数是否准确？准确？按按误差合成原理：误差合成原理：1.1.量化误差量化误差1 1误差误差 N/N称为量化误差，是数字化仪器特有的误称为量化误差，是数字化仪器特有的误差。其差。其特点是：不管计数值特点是：不管计数值N为多少，其最大误为多少，其最大误差总是差总是1 1个量化单位。个量化单位。 最大量化误差相对值：最大量化误差相对值：TTNNffxxxTfNNN11选择闸门时间的选择闸门时间的原则原则：既不使计数器溢出，又使测量的准确度：既不使计数器溢出，又使测量的准确度最高。最

21、高。2.2.标准频率误差标准频率误差ccxxxffTfff1在在fx一定时，闸门时间一定时，闸门时间越长，测量精度越高；越长，测量精度越高；当当T一定时，一定时，fx越高，则越高，则1误差对测量结果的误差对测量结果的影响越小，从而提高测影响越小，从而提高测量精度。量精度。低频时应测周低频时应测周期。期。ccffTT5.5 5.5 时间的测量时间的测量1.1.周期的测量周期的测量(1)(1)测量原理：将被测周期与时标比较，若在测量原理：将被测周期与时标比较，若在TxTx期间期间计数值为计数值为N N：sxNTT “周期倍乘周期倍乘”的方法减小的方法减小1误差。误差。(2)(2)误差分析误差分析ssxxTTNNTT