第6章电压测量为主的智能仪器

1、 6.1 智能化智能化DVM原理原理 6.2 智能化智能化DMM原理原理 6.3 智能化智能化RLC 测量仪原理测量仪原理 第第6章章 电压测量为主的智能仪器电压测量为主的智能仪器第第6章章 电压测量为主的智能仪器电压测量为主的智能仪器电压测量是电子测量中最基本的测量内容，这电压测量是电子测量中最基本的测量内容，这是因为其他电量和非电量的测量大多数是先转化为是因为其他电量和非电量的测量大多数是先转化为直流电压，直流电压， 尔后再进行测量，所以电压测量具有非尔后再进行测量，所以电压测量具有非常广泛的意义。常广泛的意义。识记：识记：智能智能DVM的典型结构、智能的典型结构、智能DVM的的 功能及主

2、要技术指标功能及主要技术指标理解：理解：智能智能DVM中的中的AD转换技术、国转换技术、国 产产 HG1850微处理器微处理器DVM的组成原理的组成原理 及特点及特点应用：应用：1071型智能型智能DVM输入电路的组成与设输入电路的组成与设 计。计。6.1 智能化智能化DVM原理原理 6.1.1 概述概述一、一、 组成组成 智能智能DVM是指以微处理器为核心的数字电压表。是指以微处理器为核心的数字电压表。其中专用微型计算机部分包括微处理器芯片、存放其中专用微型计算机部分包括微处理器芯片、存放仪器监控程序的存储器仪器监控程序的存储器ROM和存放测量及运算数据和存放测量及运算数据的存储器的存储器R

3、AM等。用于测量的输入输出设备有：输等。用于测量的输入输出设备有：输入电路、入电路、A/D转换器、键盘、显示器及标准仪用接转换器、键盘、显示器及标准仪用接口电路等。仪器内部采用总线结构，外部设备与总口电路等。仪器内部采用总线结构，外部设备与总线相连。线相连。一、一、 组成组成 一、一、 组成组成 智能智能DVM的测量过程大致分为三个主要阶段：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

4、上述整个工作过程都是在存放在ROMROM中监控程序的控制中监控程序的控制下进行的。下进行的。 二、二、 智能智能DVM的功能及主要技术指标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：、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、自动诊断等自动测量功能。 2、普通、普通DVM的各项技术指标：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 标定标定(AX+B) RAx+B 式中 ： R最后的显示结果； x实际测量值； A

5、，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。数据处理功能数据处理功能 2 相对误差相对误差()式中：式中： n 为由面板键盘输入的标称值。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。%100nnxR 3 极限极限(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。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 和下极限值 L。测量时， 在显示测量值 x 的同时，还将显示标

6、志字H，L 或P， 表明测量结果超上限、超下限或通过。 数据处理功能数据处理功能 4 最大最大/最小最小 利用此项功能能对一组测量值进行处理，利用此项功能能对一组测量值进行处理， 求出其中的最大求出其中的最大值和最小值并存储起来。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 比例比例 指测量值与某指测量值与某参考参考值之间的关系，有三种表达形式。值之间的关系，有三种表达形式。 式中式中 : r 为由面板输入的参考量。为由面板输入的参考量。第一种表达形式为简单比例；第一种表达形式为简单比例；第二种为对数比，

7、第二种为对数比， 单位为单位为dB，这是电学、声学常用的单，这是电学、声学常用的单位；位；第三种是将测量值平方后除以第三种是将测量值平方后除以r， 其用途之一就是用瓦或其用途之一就是用瓦或毫瓦为单位直接显示负载电阻毫瓦为单位直接显示负载电阻r上的功率。上的功率。数据处理功能数据处理功能rxRrxRrxR2lg20 6统计统计利用此项功能，利用此项功能， 直接显示多次测量值的统计运算结果，直接显示多次测量值的统计运算结果， 常常见的统计有：平均值、方差值、标准差值、均方值等。见的统计有：平均值、方差值、标准差值、均方值等。 数据处理功能数据处理功能智能智能DVM一般都具有自动量程转换、自动零点调

8、整、自动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章和章和第第5章中已做过讨论。章中已做过讨论。 自动测量等功能自动测量等功能 (1)量程量程为扩大测量范围，为扩大测量范围， 智能智能DVM借助于分压器和输入放大器分借助于分压器和输入放大器分为若干个量程，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。其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。 普通普通DVMDVM的各项技术指标的各项技术指标(2)位数位数 智能智能DVM的位数是以完整的显示位（能够显示的位数是以完整的显示位（能够显示0

9、9十个数十个数码的显示位）来定义的。例如最大显示数为码的显示位）来定义的。例如最大显示数为9999，19999，11999的的DVM称四位表。为区别起见，常常也把最大显示数为称四位表。为区别起见，常常也把最大显示数为19999，11999的的DVM称为称为4 位半数字电压表。位半数字电压表。位数是表征位数是表征DVM性能的一个最基本的参量。通常将高于五性能的一个最基本的参量。通常将高于五位数字的位数字的DVM称为高精度称为高精度DVM。 (3)测量准确度测量准确度测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为 式中：式中： a误差的相对项系数；误差

10、的相对项系数； b误差的固定项系数；误差的固定项系数； UX 测量电压的指示值；测量电压的指示值； Um 测量电压的满度值。测量电压的满度值。 DVM的测量准确度与量程有关，的测量准确度与量程有关， 其中基本量程的测量准其中基本量程的测量准确度最高。确度最高。 普通普通DVMDVM的各项技术指标的各项技术指标 = a%Uxb%Um (4)分辨率分辨率 分辨率即能显示输入电压最小增量的能力，通常以使显示分辨率即能显示输入电压最小增量的能力，通常以使显示器末位跳一个字所需输入的最小电压值来表示。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

11、 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。普通普通DVMDVM的各项技术指标的各项技术指标(5)输入阻抗输入阻抗Zi输入阻抗输入阻抗Zi 是指从是指从DVM两个输入端子看进去的等效电阻。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)输入电流输入电流I0 输入电流输入电流I0 是指仪器内部产生并表现于输入端的电流，它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，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

12、随机的。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，所以输入电流愈小愈好。成误差电压，所以输入电流愈小愈好。 普通普通DVMDVM的各项技术指标的各项技术指标(7)测量速率测量速率 以每秒的测量次数来表示，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。或者以每次测量所需的时间来表示。 6.1.2 输入电路输入电路 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输入电流补偿电路等部分组成。输入电路

13、的主要作用是提高输入阻抗和实现量程转换。入阻抗和实现量程转换。常常将常常将DVM的输入电路和的输入电路和A/D转换器两部分电路合称为模转换器两部分电路合称为模拟部分。拟部分。DVM的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。无论的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。无论一台智能一台智能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。部分来决定。 下面以下面以DATRON公司公司1071型智能型智能DVM输入电路为例对输入输入电路为例对输入电路的组成原理进行讨论。电路的组成原理进行讨论。1071 型型DVM输入电路主要由输入衰输入电路主要由输入衰减

14、器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电减器、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。路等部分组成。 1071 1071 型型DVMDVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大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器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。组成。 有源滤波器有源滤波器是否接入由微处理器通过是否接入由微处理器通过I/OI/O接口电路实施控制，接口电路实施控制，该滤波器对该滤波器对50Hz 50Hz 的干扰有的干扰有54dB54dB的衰减。的衰减。 输入放大器输入放大器由直流自举电路供电，以使放大

15、器的地线电压和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，即所谓电源电压跟随输入信号而变化，即所谓“浮动浮动”的电源。的电源。 图中，图中，M32M32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M32M32能精确地跟踪输入信号变化。能精确地跟踪输入信号变化。M32M32输出接另两个放大器的输入端，从而达到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，产生一个浮动的随输入信号变化而控制自举电源输出端，产生一个浮动的12V12V电源。电源。 这样，输入放大器工作点基本上不随输入信号

16、的变化而变化，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。大器的稳定性及抗共模干扰能力等性能是很有益处的。 输入电流补偿电路输入电流补偿电路的作用的作用是减小输入电流的影响。是减小输入电流的影响。 自动补偿时，在输入端接自动补偿时，在输入端接入一个入一个10M10M电阻，这样，输入电阻，这样，输入电流电流 + I + I b b在该电阻上产生的在该电阻上产生的压降经压降经A/DA/D转换后存入到非易失转换后存入到非易失性存储器内，作为输入电流的性存储器内，作为输入电流的校正量。正常测量时，微处理校正量。正常测量时，

17、微处理器根据校正量送出适当的数字器根据校正量送出适当的数字到到D/AD/A转换器并经输入电流补偿转换器并经输入电流补偿电路产生一个与原来输入电流电路产生一个与原来输入电流 + I + I b b 大小相等方向相反的电大小相等方向相反的电流流 - I - I b b ，使两者在放大器的，使两者在放大器的输入端相互抵消。输入端相互抵消。 这项措施可以使仪器的零这项措施可以使仪器的零输入电流减小到输入电流减小到1pA1pA。 输入电路的核心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，是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路，如图所示。如图所示。 继电器继电器S S控制控制10011001

18、衰减器是否接入。衰减器是否接入。VTVT5 5VTVT1010是模拟开关，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、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，构成断组态，构成0.1V0.1V， 1V1V，10V10V，100V100V，1000V1000V五个量程状态及自测五个量程状态及自测试状态。各组分析如下：试状态。各组分析如下： S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7Uo (1) 0.1 V(1) 0.1 V量程。量程。V8V8、V6V6导通，放大

19、电路被接成电压负反馈导通，放大电路被接成电压负反馈放大器，放大器， 其放大倍数其放大倍数A Af f及最大输出电压及最大输出电压U Uomaxomax分别为分别为 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV6 .316 .311 . 06 .311196 .21omaxfUA (2) 1 V(2) 1 V量程。量程。V8V8、V10V10导通，此时放大电路被接成串联负导通，此时放大电路被接成串联负反馈放大器，其放大倍数反馈放大器，其放大倍数AfAf及最大输出电压及最大输出电压UomaxUomax分别为分别为

20、 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV16.36 .3116 .3119196 .21omaxfUA (3) 10 V(3) 10 V量程。量程。7 7、V9V9导通，放大电路被接成跟随器，放导通，放大电路被接成跟随器，放大倍数为大倍数为1 1，然后输出经分压，此时，然后输出经分压，此时 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV16.3196 .211910omaxU (4) 100 V(4) 100 V量程。量

21、程。V8V8、V10V10导通，放大电路仍为串联负反馈导通，放大电路仍为串联负反馈放大器，同时继电器开关放大器，同时继电器开关S S吸合，使吸合，使10011001衰减器接入，此时衰减器接入，此时S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV6 .3119196 .211001100omaxU (5) 1000 V (5) 1000 V 量程。继电器开关量程。继电器开关S S吸合，使吸合，使10011001衰减器接衰减器接入，同时入，同时V7V7、V9V9导通，放大电路被接成跟随器，并使输出再经导通，放大电路被

22、接成跟随器，并使输出再经分压，此时分压，此时 S1.2S1.1100 k9.9 MHiLo100 kV9V1021.6 k9 kV6V51 k147 k 15 VV8V7UoV6 .31196 .21191001100omaxU 由上述计算可见，送入由上述计算可见，送入A/DA/D转换器的输入规范电转换器的输入规范电压为压为 0 03.16 V3.16 V，同时，由于电路被接成串联负反，同时，由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源，因此馈形式并且采用自举电源，因此0.1 V0.1 V、 1 V1 V和和10 V10 V三挡量程的输入电阻高达三挡量程的输入电阻高达10 000 M10 00

23、0 M。10 V10 V和和1000 1000 V V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10 M10 M。 当当V5V5、V6V6和和V8V8导通，继电器开关导通，继电器开关S S吸合时，电路吸合时，电路组态为自测试状态。此时放大器的输出应为组态为自测试状态。此时放大器的输出应为-3.12 V-3.12 V。仪器在自诊断时测量该电压，并与存储的数值相比仪器在自诊断时测量该电压，并与存储的数值相比较。若两者之差在较。若两者之差在6%6%以内，即认为放大器工作正常；以内，即认为放大器工作正常； 否则视为故障，否则视为故障， 必须排除。必须排除。 6.1. 3 智能

24、智能 DVM中的中的AD 转换技术转换技术 高精度的智能高精度的智能DVM一般不直接采用集成一般不直接采用集成AD转换器芯片，转换器芯片，而是在一般而是在一般AD转换器的基础上，借助于软件来形成高精度转换器的基础上，借助于软件来形成高精度的的AD转换器。其中，广为采用的有多斜积分式转换器。其中，广为采用的有多斜积分式AD转换器、转换器、Fluke公司提出的余数循环比较式公司提出的余数循环比较式AD转换器、转换器、Solartron公公司提出的脉冲调宽式司提出的脉冲调宽式AD转换器等。转换器等。本节仅介绍：本节仅介绍：一、多斜积分式一、多斜积分式AD转换器转换器二、脉冲调宽式二、脉冲调宽式AD转

25、换器（略）转换器（略） 多斜积分式多斜积分式A/DA/D转换器是在双积分式转换器是在双积分式A/DA/D转换器的基础上发转换器的基础上发展起来的。双积分式展起来的。双积分式A/DA/D转换器具有抗干扰性强的特点，在采转换器具有抗干扰性强的特点，在采用零点校准和增益校准的前提下，其转换精度也可以做得很高，用零点校准和增益校准的前提下，其转换精度也可以做得很高， 但显著的不足之处是转换速度较慢，并且分辨率要求愈高，但显著的不足之处是转换速度较慢，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

26、换速度。如果采用软件计数，则时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，双积分式钟频率的提高更是有限度的。除此之外，双积分式A/DA/D转换器转换器还存在着还存在着“零区零区”等问题。采用多斜积分式等问题。采用多斜积分式A AD D转换器可以较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传统双积分式A AD D提高二个数量级以上。下图为多斜积分式提高二个数量级以上。下图为多斜积分式A/D转换器的转换波形图。转换器的转换波形图。 一、一、 多斜积分式多斜积分式A

27、/D转换器转换器图图 5-5 5-5 多斜积分式多斜积分式A/DA/D转换器的转换波形图转换器的转换波形图(a) 三斜积分式；三斜积分式； (b) 四斜积分式四斜积分式 OOUoUoTTT1T22T21T21T1T22(a)(b)Tc采用三斜积分式采用三斜积分式A/D转换器可以较好地改善转换速度慢这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以比传统双积分式个弱点，它的转换速率分辨率乘积可以比传统双积分式A/D转转换器提高两个数量级以上。三斜积分式换器提高两个数量级以上。三斜积分式A/D转换器的转换波形转换器的转换波形是将双积分式是将双积分式A/D转换的反向积分阶段转换的反

28、向积分阶段T2分为（分为（a）所示的）所示的T21和和T22两部分。两部分。三斜积分式三斜积分式A AD D转换器转换器在在T21期间，积分器对基准电压期间，积分器对基准电压UR进行积分，放电速度较进行积分，放电速度较快；在快；在T22期间，积分器改为对较小的基准电压期间，积分器改为对较小的基准电压UR/2m进行积分，进行积分，放电速度较慢。在计数时，把计数器也分成两段进行计数。在放电速度较慢。在计数时，把计数器也分成两段进行计数。在T21期间，从计数器的高位（期间，从计数器的高位（2m位）开始计数，设其计数值为位）开始计数，设其计数值为N1；在；在T22期间，从计数器的低位（期间，从计数器的

29、低位（20位）开始计数，设其计位）开始计数，设其计数值为数值为N2。 则计数器中最后的读数为则计数器中最后的读数为 NN1 2mN2 在一次测量过程中，在一次测量过程中， 积分器上电容器的充电电荷与放电积分器上电容器的充电电荷与放电电荷是平衡的，电荷是平衡的， 则则 22R21R1x2|TUTUTUm其中：其中： 02220121,TNTTNT将上式加以整理，将上式加以整理， 可得可得 NTUNNTUTNUTNUTUmmmm2)2(22|0R210R02R01R1x将上式进一步整理，可得三斜积分式将上式进一步整理，可得三斜积分式A/D转换器的基本关系式为转换器的基本关系式为 NTTUUm10R

30、x2|上式中，如果取上式中，如果取m=7，时钟脉冲周期，时钟脉冲周期T0120s，基准电，基准电压压UR10 V，并希望把，并希望把12 V 被测电压变换为被测电压变换为N120 000码读码读数时，由上式可以计算出数时，由上式可以计算出T1 100 ms, 而传统的双积分式而传统的双积分式A/D转换器在相同的条件下所需要的积分时间转换器在相同的条件下所需要的积分时间T115.36 s， 可见可见三斜积分式三斜积分式A/D转换器可以使测量速度大幅度提高。转换器可以使测量速度大幅度提高。 四斜积分式四斜积分式A AD D转换器转换器 四斜积分式四斜积分式AD转换器是为解决双积分式和三斜积分式转换

31、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。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，以产生上冲波形，避开零区，然后再按上述三斜积分式零区，然后再按上述三斜积分式AD转换的方法去进行反向积转换的方法去进行反向积分，从而构成四斜积分式分，从而构成四斜积分式AD转换器，其转换波形如图所示。转换器，其转换波形如图所示。由于由于TC是固定的，因此该上冲使测量结果增加的数值也是固定是固定的，因此该上冲使测量结果

32、增加的数值也是固定的，这很容易用软件的方法来扣除。的，这很容易用软件的方法来扣除。下图示出了四斜积分式下图示出了四斜积分式A/DA/D转换器的原理框图。积分器的转换器的原理框图。积分器的输入端经输入端经6 6个开关分别与被测电压、各种基准电压和模拟地相个开关分别与被测电压、各种基准电压和模拟地相接，由接，由6 6个个D D触发器组成的输出口实施对这些开关的控制。触发器组成的输出口实施对这些开关的控制。 微微处理器通过执行输出指令将不同的数据送往该输出口，处理器通过执行输出指令将不同的数据送往该输出口， 就可就可以使不同的开关接通或断开。以使不同的开关接通或断开。 S5S4 UR / 2mS3

33、UR / 2mS2 URS1URS0UxR积 分 器CUo绝 对 值 放大 器| x|COMP比 较 器 COMP比 较 器 UD0D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5输 出 口微 处 理 器 系 统显 示三 态 反 相 器四斜积分式四斜积分式A AD D转换控制流程图转换控制流程图 脉冲调宽式脉冲调宽式A/DA/D转换器是转换器是SolartronSolartron公司的专利，它也是在公司的专利，它也是在双积分式双积分式A/DA/D转换器的基础上发展起来的。脉冲调宽式转换器的基础上发展起来的。脉冲调宽式A/DA/D转换转换器主要克服了双积分式器主要克服了双积分式A/DA/D转换器的不足之处。双积分式

34、转换器的不足之处。双积分式A/DA/D转转换器的不足之处为：积分器输出斜波电压的线性度有限，使双换器的不足之处为：积分器输出斜波电压的线性度有限，使双积分式积分式A/D A/D 转换器的精度很难高于转换器的精度很难高于0.01%0.01%；积分器式；积分器式A/DA/D转换器转换器采样是间断的，采样是间断的， 不能对被测信号进行连续监测。不能对被测信号进行连续监测。 二、脉冲调宽式二、脉冲调宽式A/D转换器转换器脉冲调宽式脉冲调宽式A/D转换器原理框图转换器原理框图 COMP比较器积分器CR1R3门降门升可逆计数器缓冲器数据总线COMP比较器时钟 U UR URR2Uf：强制方波Ux：被测信号

35、 U(a)(b)积分器输入积分器输出升脉冲降脉冲 U UUx加入假定假定T1和和T2分别代表在一个周期分别代表在一个周期T内正负基准接入的时间，内正负基准接入的时间， 根据电荷平衡原理，则有根据电荷平衡原理，则有 TTTRRUUtUCRtUCRtUCRTTT1221Rx0R20R20 x10d1d1d121若若R1R2，则，则 )(12TTTUURx 6.1.4 典型智能典型智能 DVM 介绍介绍 HG1850 DVM是在吸取诸多智能是在吸取诸多智能DVM某些特点的基础上，结某些特点的基础上，结合国内具体情况自行设计的产品。它采用了合国内具体情况自行设计的产品。它采用了8080A CPU，多斜

36、积，多斜积分式分式A/D转换器，自动量程转换，最大显示数为转换器，自动量程转换，最大显示数为112200。可用于。可用于测量测量10V至至1000V的直流电压，主要技术指标如表。的直流电压，主要技术指标如表。 以国产以国产HG1850 DVMHG1850 DVM为代表介绍智能为代表介绍智能DVMDVM的组成原理及特点。的组成原理及特点。 一、一、 概述概述 在自校准方面：吸取了在自校准方面：吸取了HP3455A DVM的优点，使仪器每隔的优点，使仪器每隔三分钟便自动进行一次自校准，保证了测量的准确度和长期稳三分钟便自动进行一次自校准，保证了测量的准确度和长期稳定性；定性； 在自检方面：借鉴了在

37、自检方面：借鉴了Fluke 8500A DVM的做法，用户可随的做法，用户可随时按下面板上的自检键使仪器进行自检，若某一部分出现故障，时按下面板上的自检键使仪器进行自检，若某一部分出现故障，显示器将显示故障代码，为仪器的维修提供了方便；显示器将显示故障代码，为仪器的维修提供了方便； 在数据处理方面，参考了在数据处理方面，参考了Solartron 7055 DVM所采用的方所采用的方法并加以改进，使用户不仅可以通过面板上的功能键对测量结法并加以改进，使用户不仅可以通过面板上的功能键对测量结果进行正常运算，还允许用户根据需要通过操作键盘编写出各果进行正常运算，还允许用户根据需要通过操作键盘编写出各

38、种数据处理程序。种数据处理程序。HG1850 DVM HG1850 DVM 吸取了诸多智能吸取了诸多智能DVMDVM的某些特点的某些特点: :HG1850 DVMHG1850 DVM原理框图如图所示。图中上半部分为模拟部分，下半部分为数字原理框图如图所示。图中上半部分为模拟部分，下半部分为数字部分。模拟部分中的输入放大器和部分。模拟部分中的输入放大器和A AD D转换器是保证仪器精度等技术指标的关键转换器是保证仪器精度等技术指标的关键部件，为了免受干扰，仪器的模拟部分和数字部分在电气上采取相互隔离的措施，部件，为了免受干扰，仪器的模拟部分和数字部分在电气上采取相互隔离的措施，两部分分别单独供电

39、，它们之间的信息通过光电耦合进行传递。两部分分别单独供电，它们之间的信息通过光电耦合进行传递。 测量模式：是测量模式：是HG1850 DVM最基本的工作方式，微处理器最基本的工作方式，微处理器根据用户通过键盘选定的量程送出相应的开关量根据用户通过键盘选定的量程送出相应的开关量(控制字控制字)，使，使输入放大器组成相应的组态。测量时，被测电压首先经输入放输入放大器组成相应的组态。测量时，被测电压首先经输入放大器进入大器进入AD转换器，然后转换器，然后AD转换器把放大器输出的电压转换器把放大器输出的电压变成数字量存入到相应的内存单元。接着，微处理器将根据不变成数字量存入到相应的内存单元。接着，微处

40、理器将根据不同量程的参数并按照相应的数学模型、计算出正确的测量结果。同量程的参数并按照相应的数学模型、计算出正确的测量结果。一次测量结束后，程序自动地返回去进行下一次测量，如此不一次测量结束后，程序自动地返回去进行下一次测量，如此不断地循环测量。断地循环测量。自检模式：自检模式：“自检自检”键被按下时进入。微处理器将按预定键被按下时进入。微处理器将按预定程序检查模拟单元各部分的工作状态。若正常即显示程序检查模拟单元各部分的工作状态。若正常即显示“pass”字样，然后返回到测量模式。若有故障，显示器将显示此故障字样，然后返回到测量模式。若有故障，显示器将显示此故障的代码，然后等待的代码，然后等待

41、10s，再次检查直至故障排除。，再次检查直至故障排除。 HG1850HG1850具有测量、自检、用户程序、编程和自校五种工作模式。具有测量、自检、用户程序、编程和自校五种工作模式。 二、二、 整机工作流程整机工作流程 编程模式：编程模式：“编程编程”键被按下时进入。用户可以利用仪器面键被按下时进入。用户可以利用仪器面板的键盘编制所需要的计算程序。编程结束后，程序又返回到测板的键盘编制所需要的计算程序。编程结束后，程序又返回到测量模式中继续进行测量。量模式中继续进行测量。用户程序模式：用户程序模式：“用户用户”键被按下时进入。用户程序是按使键被按下时进入。用户程序是按使用者需要而事先编制并固化在

42、用者需要而事先编制并固化在ROMROM中的测量、控制或数据处理程中的测量、控制或数据处理程序。若要结束用户程序模式而进入测量模式，需要按下序。若要结束用户程序模式而进入测量模式，需要按下“返回返回”键。键。自校准模式：每隔大约自校准模式：每隔大约3min3min就自动进行一次自校准。设立了就自动进行一次自校准。设立了一个一个9 9比特二进制自校计数器比特二进制自校计数器M M。程序在每进行一次测量之后。程序在每进行一次测量之后M M增增1 1，当计数器计满时，即进行了当计数器计满时，即进行了512512次测量次测量( (约约3min)3min)之后，使仪器自之后，使仪器自动校准一次。动校准一次

43、。HG1850 的整机工作流程如图的整机工作流程如图三、三、 键盘与编程模式键盘与编程模式 HG1850HG1850键盘分上下两排，每排有十二个按键，为了使用户了解当前仪器的键盘分上下两排，每排有十二个按键，为了使用户了解当前仪器的状态，每个按键上方都设有一只状态，每个按键上方都设有一只LEDLED作为键灯，以记忆该按键是否有效。这些作为键灯，以记忆该按键是否有效。这些按键大都用以表示各按键在不同模式下的意义。键盘结构图如图。按键大都用以表示各按键在不同模式下的意义。键盘结构图如图。 (1) “(1) “手动手动”、“连续连续”两键为互锁键。当两键为互锁键。当“连续连续”键被按键被按下时，测量

44、自动连续进行，即每测量一次显示读数就自动更新一下时，测量自动连续进行，即每测量一次显示读数就自动更新一次。当次。当“手动手动”键有效时，显示器将随每次按动键有效时，显示器将随每次按动“手动手动”键而更键而更新，若不按动该键，显示器的内容将不再更新。新，若不按动该键，显示器的内容将不再更新。 (2) (2) 、按键、按键“1” 1” 、“10” 10” 、“100” 100” 、“1000” 1000” 分别表分别表示示1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V量程键。他们与量程键。他们与“自动自动” ” 键为互锁键。键为互锁键。用于选择测量量程。用于选择测量量程。 (3)(

45、3)、 “ “遥测遥测”键为自锁键。按下时，面板上的键均失去作键为自锁键。按下时，面板上的键均失去作用，这时从后面板接入键盘将能实现遥控。再按一次用，这时从后面板接入键盘将能实现遥控。再按一次“遥测遥测”键，键，将使该键释放，它的将使该键释放，它的LEDLED指示灯熄灭，前面板键盘各键重新生效。指示灯熄灭，前面板键盘各键重新生效。测量模式：按键下方标号表示该键的意义，用法和普通测量模式：按键下方标号表示该键的意义，用法和普通DVMDVM类似类似 (4) (4) 显示位数键显示位数键 和和 也为互锁键。当也为互锁键。当 键按下时键按下时位数为四位半，位数为四位半，但测量速度快；当键按下时，显示数

46、为五位半，但测量速度但测量速度快；当键按下时，显示数为五位半，但测量速度减慢。减慢。 (5) “(5) “自检自检”键按动后，仪器将暂时脱离测量模式而进行自键按动后，仪器将暂时脱离测量模式而进行自检。检。 (6) “(6) “计算计算”键为自锁键。当用户编制了计算程序以后，按键为自锁键。当用户编制了计算程序以后，按动此键就能按照所编程序对测量结果进行处理并显示处理的结果，动此键就能按照所编程序对测量结果进行处理并显示处理的结果，此时该键的此时该键的LEDLED指示灯亮。如果再按一次指示灯亮。如果再按一次“计算计算”键，则该键，则该LEDLED指指示灯熄灭，显示器显示测得的电压值。示灯熄灭，显示

47、器显示测得的电压值。 (7) “(7) “用户用户”键键”为自锁键。按下该键为自锁键。按下该键HG1850HG1850即进入用户程即进入用户程序。用户程序已固化在仪器内部。序。用户程序已固化在仪器内部。 214215214215测量模式：按键下方标号表示该键的意义，用法和普通测量模式：按键下方标号表示该键的意义，用法和普通DVMDVM类似类似(1) “(1) “检查检查”键用于检查或修改程序。连续按动该键显示器将显键用于检查或修改程序。连续按动该键显示器将显示程序内容。示程序内容。(2) “(2) “清除清除”键用于清除刚从键盘上送入的数据。键用于清除刚从键盘上送入的数据。(3) “R”(3)

48、 “R”键用于仪器直接显示测量得到的结果。键用于仪器直接显示测量得到的结果。(4) “F”(4) “F”键用于仪器显示在键用于仪器显示在RAMRAM区开辟的中间寄存器中的内容。区开辟的中间寄存器中的内容。(5) “SF”(5) “SF”键代表向寄存器键代表向寄存器F F存数。存数。(6) “(6) “”,“,“”，“”，“ ”“ ”，“log” log” 代表加法、代表加法、乘法、除法、开方和对数运算。乘法、除法、开方和对数运算。(7) “0”(7) “0”，“1”1”，“9”9”，“”，“” ” 键用于键用于供编程时设置各种数据、正负号、小数点用。供编程时设置各种数据、正负号、小数点用。 编

49、程模式：按编程模式：按 “编程编程”键进入。按键上方的标号表示各键的意义键进入。按键上方的标号表示各键的意义6.2 智能化智能化 DMM 原理原理 识记：识记：DMM组成框图、平均值转换器和有效组成框图、平均值转换器和有效 值转换器、欧姆转换器和电流转换器值转换器、欧姆转换器和电流转换器理解：理解：71507151型可程控型可程控DMM的特点和的特点和 工作原理工作原理6.2 智能化智能化 DMM 原理原理 6.2.1 概述概述 数字多用表数字多用表(DMM) 指除能测量直流电压外，还同时能测量交流指除能测量直流电压外，还同时能测量交流电压、电流和电阻等参数的数字测量仪器。其组成框图如图电压、

50、电流和电阻等参数的数字测量仪器。其组成框图如图 交流电压、电流和电阻的测量是通过交直流交流电压、电流和电阻的测量是通过交直流(AC(ACDC)DC)转换器、电流转换器转换器、电流转换器和欧姆转换器先转换成相应的直流电压，然后再由和欧姆转换器先转换成相应的直流电压，然后再由DVMDVM进行电压测量而实现的。进行电压测量而实现的。因此，因此，DMMDMM实际是一种以实际是一种以DVMDVM为基础的电子仪器。为基础的电子仪器。 电 阻 / 直 流 电 压 转 换 器Rx直 流 电 流 / 电 压 转 换 器IxDVM交 / 直 流 电 压 转 换 器UU6.2.2 交直流转换器交直流转换器 DMM采

51、用的交直流转换器主要有采用的交直流转换器主要有平均值转换器平均值转换器和和有效值转换器有效值转换器。平均值平均值ACDC转换器对交流电压进行有效值测量的方法是：转换器对交流电压进行有效值测量的方法是：先测出交流信号的平均值，然后再根据波形因数换算出对应的有先测出交流信号的平均值，然后再根据波形因数换算出对应的有效值。交流信号的平均值由下式表示效值。交流信号的平均值由下式表示从交流电压测量的角度来看，平均值是指经过整流之后的平从交流电压测量的角度来看，平均值是指经过整流之后的平均值。否则，若被测交流信号为正弦波信号，则平均值为零。因均值。否则，若被测交流信号为正弦波信号，则平均值为零。因此，要取

52、得上式所表征的平均值此，要取得上式所表征的平均值 ，必须先求交流信号的绝对值，必须先求交流信号的绝对值，然后再取其平均值。然后再取其平均值。绝对值可用绝对值可用半波线性整流器半波线性整流器或或全波线性整流器全波线性整流器实现，平均值实现，平均值可用可用滤波器滤波器来实现来实现。一、平均值（一、平均值（AC/DC）电压转换器）电压转换器TiiodtuTuU01iu 放大器放大器A A2 2及二极管及二极管VDVD1 1，VDVD2 2等构成了半波整流器，在输入信等构成了半波整流器，在输入信号电压的正半周，号电压的正半周，VDVD1 1导通、导通、VDVD2 2截止，截止，B B点电压为点电压为0

53、 0；在负半周，；在负半周，VDVD1 1截止、截止、VDVD2 2导通，电流经导通，电流经R R7 7在在B B点产生正极性电压。由于点产生正极性电压。由于R R3 3R R4 4，因此在因此在B B点波形的幅度与输入信号电压相等，但极性相反。点波形的幅度与输入信号电压相等，但极性相反。一、平均值转换器一、平均值转换器半波线性平均值半波线性平均值ACACDCDC转换器转换器 A1A1的作用是提高输入阻抗和扩大测量范围。的作用是提高输入阻抗和扩大测量范围。A3A3组成的有源滤组成的有源滤波放大器，实现平均值的计算。最后再将平均值按正弦波有效值波放大器，实现平均值的计算。最后再将平均值按正弦波有

54、效值进行刻度进行刻度( (或换算或换算) )，实现了对交流正弦信号的有效值测量。，实现了对交流正弦信号的有效值测量。 一、平均值转换器一、平均值转换器半波线性平均值半波线性平均值ACACDCDC转换器转换器把半波平均值转换器中的把半波平均值转换器中的A A，C C两点通过电阻两点通过电阻R R1010连接起来，连接起来，使输入的交流电压与倍的半波整流后电压叠加，便可构成全使输入的交流电压与倍的半波整流后电压叠加，便可构成全波平均值波平均值ACACDCDC转换。转换。 全波线性平均值全波线性平均值ACACDCDC转换器转换器 A3A3为有源滤波加法器，若暂不考虑电容为有源滤波加法器，若暂不考虑电

55、容C C的作用，的作用，A3A3为典型为典型的加法器；的加法器；C C的存在，使的存在，使A3A3同时也为有源滤波器，使它同时也能同时也为有源滤波器，使它同时也能进行平均值处理。进行平均值处理。 全波线性平均值全波线性平均值ACACDCDC转换器转换器二、二、 真有效值真有效值ACDC转换器转换器 平均值平均值ACDC转换器电路简单、成本低，广泛应用于低精转换器电路简单、成本低，广泛应用于低精度度DMM中。但由于采用平均值转换器的电压表是按正弦有效值中。但由于采用平均值转换器的电压表是按正弦有效值进行刻度的，所以，只有在测纯净的正弦电压信号时，所显示进行刻度的，所以，只有在测纯净的正弦电压信号

56、时，所显示的结果才是正确的。的结果才是正确的。 高精度高精度DMMDMM广泛采用真有效值转换器，很少采用平均值转换广泛采用真有效值转换器，很少采用平均值转换器。真有效值转换器输出直流电压线性地正比于被测各种波形器。真有效值转换器输出直流电压线性地正比于被测各种波形交流信号的有效值，基本上不受输入波形失真度的影响。交流信号的有效值，基本上不受输入波形失真度的影响。真有效值真有效值ACACDCDC转换器有转换器有热电式热电式和和运算式运算式等几种形式。热等几种形式。热电式具有精度高、频带宽的优点，但过载能力差，结构复杂。电式具有精度高、频带宽的优点，但过载能力差，结构复杂。目前高精度智能目前高精度

57、智能DMMDMM采用的主要是运算式。采用的主要是运算式。一、平均值转换器一、平均值转换器二、二、 真有效值真有效值ACDC转换器转换器 在数学上，有效值与均方根值是同义词，可写成在数学上，有效值与均方根值是同义词，可写成 运算式有运算式有直接运算式直接运算式和和隐含运算式隐含运算式两种两种直接运算式是按有效值表达式逐一按步骤运算的，其实现可直接运算式是按有效值表达式逐一按步骤运算的，其实现可用下图所示的框图来表示。用下图所示的框图来表示。 2i2iT0oudtuT1UCR平 方 电 路ui平 均 值 电 路开 方 电 路Uo2iu二、二、 真有效值真有效值ACDC转换器转换器 已知，则 隐含运

58、算式的原理是根据直接运算式推演而来的。隐含运算式的原理是根据直接运算式推演而来的。 2i2iT0oudtuT1U2i2ouUoioUuU2由上式可见，隐含运算式只需一只平方器除法器和一只由上式可见，隐含运算式只需一只平方器除法器和一只积分滤波器连接成闭环系统，就能完成有效值转换。积分滤波器连接成闭环系统，就能完成有效值转换。隐含运算式有利于电路集成化，美国隐含运算式有利于电路集成化，美国AD公司研制的公司研制的AD637就是按隐含运算而设计的一款真有效值转换器芯片。就是按隐含运算而设计的一款真有效值转换器芯片。 AD637精度优于精度优于0.1，是性能较好的集成真有效值转换器芯片，是性能较好的

59、集成真有效值转换器芯片 AD637AD637由绝对值电路、平方由绝对值电路、平方/ /除法器、低通滤波除法器、低通滤波/ /放大器和缓冲放大器和缓冲放大器组成。输入放大器组成。输入u ui i 经绝对值电路转换成单极性电流经绝对值电路转换成单极性电流I I1 1，加至平，加至平方方/ /除法器的一输入端，平方除法器的一输入端，平方/ /除法器另一输入端的电流除法器另一输入端的电流I I3 3由输出由输出电压电压U UO O提供，则平方提供，则平方/ /除法器的输出为除法器的输出为I I4 4I I1 12 2I I3 3。AD637精度优于精度优于0.1，是性能较好的集成真有效值转换器芯片，是

60、性能较好的集成真有效值转换器芯片 I I4 4再驱动低通滤波再驱动低通滤波/ /放大器，如果低通滤波器的放大器，如果低通滤波器的RCRC与输入交流与输入交流信号的周期相比足够大，信号的周期相比足够大，A A4 4的输出电压的输出电压U UO O正比于电流正比于电流I I4 4的平均值。的平均值。输出电压输出电压U UO O再经外部电路送到再经外部电路送到A A3 3的输入端产生了电流的输入端产生了电流I I3 3，I I3 3应与应与I I4 4的平均值相等。的平均值相等。I I3 3还要流入平方还要流入平方/ /除法器另一输入端，完成下述隐除法器另一输入端，完成下述隐含的有效值运算。即含的有