第九讲 数字电压表

1、第九讲第九讲 数字电压表数字电压表1.直流电压数字化测量直流电压数字化测量2. 数字多用表数字多用表2Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.9.1 9.1 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 u1 DVMDVM的组成原理及主要性能指标的组成原理及主要性能指标u1 1）DVMDVM的组成的组成u数字电压表（数字电压表（Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter，简称，简称DVMDVM）。）。u组成框图组成框图输输入入电电路路A A/ /D

2、 D转转换换器器数数字字显显示示器器逻逻辑辑控控制制电电路路时时钟钟发发生生器器模模拟拟部部分分数数字字部部分分Vx3Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u1 1）DVMDVM的组成的组成u组成框图组成框图u包括模拟和数字两部分。包括模拟和数字两部分。u输入电路：对输入电压衰减输入电路：对输入电压衰减/ /放大、变换等。放大、变换等。u核心部件是核心部件是A/DA/D转换器（转换器（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter，简，简称称ADCADC

3、），实现模拟电压到数字量的转换。），实现模拟电压到数字量的转换。u数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。u逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。序工作。9.1 9.1 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 4Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u应用应用u直流或慢变化电压直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速信号的测量（通常采用高精度低速A/DA/D转转换器）

4、。换器）。u通过通过AC-DCAC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成、峰值，构成交流数字电压表交流数字电压表。 u通过电流通过电流- -电压、阻抗电压、阻抗- -电压等变换，实现电流、阻抗等测量电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。，进一步扩展其功能。u基于微处理器的智能化基于微处理器的智能化DVMDVM称为数字多用表（称为数字多用表（DMMDMM，Digital Digital MultiMeterMultiMeter）。）。uDMMDMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（功能更全，性能更高，一般

5、具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口平均、方差计算等）和通信接口( (如如GPIB)GPIB)。9.1 9.1 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 5Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u2 2）主要性能指标）主要性能指标u显示位数显示位数u完整显示位完整显示位：能够显示：能够显示0909的数字。的数字。u非完整显示位非完整显示位( (俗称半位俗称半位) )：只能显示：只能显示0 0和和1 1（在最高位上）。（在最高位上）。u如如4 4位位DVMDVM，具有，

6、具有4 4位完整显示位，其最大显示数字为位完整显示位，其最大显示数字为9999 9999 。u而而 位（位（4 4位半）位半）DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，位完整显示位，1 1位非完整位非完整显示位，其最大显示数字为显示位，其最大显示数字为19999 19999 。u量程量程u基本量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/DA/D转换器动转换器动态范围确定。态范围确定。u通过对输入电压（按通过对输入电压（按1010倍）放大或衰减，可倍）放大或衰减，可扩展其他量程扩展其他量程。1429.1 9.1 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量

7、及A/DA/D转换原理转换原理 6Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u基本量程为基本量程为2V2V或或20V20V的的DVMDVM，可扩展出，可扩展出200mV200mV、2V2V、20V20V、200V200V、1000V1000V等五档量程。等五档量程。u如基本量程为如基本量程为10V10V的的DVMDVM，可扩展出，可扩展出0.1V0.1V、1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V等五档量程；等五档量程；u分辨力分辨力u指指DVMDVM能够能够分辨最小电压变化量的能力分辨最小电压变化

8、量的能力。反映了。反映了DVMDVM灵敏度。灵敏度。u用每个字对应的电压值来表示，即用每个字对应的电压值来表示，即V/V/字字。u不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在在最小量程上具有最高分辨力最小量程上具有最高分辨力。u例如，例如，3 3位半的位半的DVMDVM，在，在200mV200mV最小量程上，可以测量的最大最小量程上，可以测量的最大输入电压为输入电压为199.9mV199.9mV，其分辨力为，其分辨力为0.1mV/0.1mV/字（即字（即当输入电压当输入电压变化变化0.1mV0.1mV时，显示的末尾数字将变化时，显示的末

9、尾数字将变化“1 1个字个字” ）。）。9.1 9.1 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 7Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u分辨力分辨力u分辨率：用百分数表示，与量程有关，比较直观。分辨率：用百分数表示，与量程有关，比较直观。如上述的如上述的DVMDVM在最小量程在最小量程200mV200mV上分辨力为上分辨力为0.1mV0.1mV，则分辨率为，则分辨率为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3 3位半的位半的D

10、VMDVM，可显示出，可显示出19991999（共（共20002000个字），则分辨率为个字），则分辨率为u测量速度测量速度u每秒钟完成的测量次数。它主要取决于每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/DA/D转换器的转换速度。转换器的转换速度。u一般低速高精度的一般低速高精度的DVMDVM测量速度在几次测量速度在几次/ /秒秒 几十次几十次/ /秒。秒。0.1mV100%0.05%200mV1100%0.05%20009.1 9.1 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 8Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All r

11、ights reserved.u测量精度测量精度u固有误差表达式：固有误差表达式：u误差由两部分构成：读数误差和满度误差。误差由两部分构成：读数误差和满度误差。u读数误差：读数误差： 与当前读数有关。主要包括与当前读数有关。主要包括DVMDVM的刻度系数的刻度系数误差和非线性误差。误差和非线性误差。u满度误差：满度误差： 与当前读数无关，只与选用的量程有关。与当前读数无关，只与选用的量程有关。( %)xmVVV ( %)mxxVVVV %xV%mV( %)xVVn 字9.1 9.1 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 9Copyright 2003 Fai

12、r Isaac Corporation. All rights reserved. 例例 一台一台3 3位半的位半的DVMDVM给出的精度为：给出的精度为：（0.1%0.1%读数读数+1+1字），如字），如用该用该DVMDVM的的020V DC020V DC的基本量程分别测量的基本量程分别测量5.00V5.00V和和15.00V15.00V的电源的电源电压，试计算电压，试计算DVMDVM测量的固有误差。测量的固有误差。 解解 首先，计算出首先，计算出“1 1字字”对应的满度误差。对应的满度误差。在在0-20V0-20V量程上，量程上，3 3位半的位半的DVMDVM对应的刻度系数为对应的刻度系数

13、为0.01V/0.01V/字，因字，因而满度误差而满度误差“1 1字字”相当于相当于0.01V0.01V。当当VxVx=5.00V=5.00V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：VVx x(0.1%(0.1%5.00V5.00V0.01V)0.01V)0.015V0.015V 当当VxVx=15.00V=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：0.015100%100%0.3%5.00 xxxVV 10Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved. Vx(0.1%15

14、.00V0.01V)0.025V 可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小（这也是在使用（这也是在使用DVMDVM时应注意）时应注意）. .0.025100%100%0.17%15.00 xxxVV 11Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u输入阻抗输入阻抗u输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。u输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 u对于直流对于直流DVMDVM

15、，输入阻抗用输入电阻表示，一般在，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M10M1000M之间。之间。u对于交流对于交流DVMDVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十值一般在几十 几百几百pFpF之间。之间。12Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.9.2 9.2 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u1 .1 .电流、电压、阻抗变换技术电流、电压、阻抗变换技术uAC/DCAC/DC变换变换u将交流电压变换（检波）得

16、到直流的峰值、平均值和有效将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。值，如前所述。uI/VI/V变换变换 u基于欧姆定律，将被测电流通过一个基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻已知的取样电阻，测，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。u为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。u如下图。如下图。13Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u如图，假如变换后如图，假如变换后采用的电压量程

17、为采用的电压量程为200mV200mV，则通过量程开关选择取样则通过量程开关选择取样电阻分别为电阻分别为1k1k、100100、1010、11、0.10.1，便可，便可测量测量200A200A、2mA2mA、20mA20mA、200mA200mA、2A2A的满量程电流。的满量程电流。uZ/VZ/V变换变换u同样基于欧姆定律。同样基于欧姆定律。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A14Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights

18、 reserved.u对于纯电阻对于纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的电压，即可得到被测电阻阻值。电压，即可得到被测电阻阻值。u而而对于电感、电容参数的测量对于电感、电容参数的测量，则需采用交流参考电压，并将，则需采用交流参考电压，并将实部和虚部分离后分别测量得到。实部和虚部分离后分别测量得到。u电阻电阻- -电压（电压（R/VR/V）变换原理图。）变换原理图。a.a.实现实现R/VR/V变换的简单原理变换的简单原理 b.b.通过运放实现比例测量的通过运放实现比例测量的R/VR/V变变换换恒恒流流源源( (可可调调) )A A

19、/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可调调) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密电电阻阻VoVr取取样样电电阻阻15Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u如图如图a a，直接通过恒流源，直接通过恒流源I Ir r流过被测电阻流过被测电阻R Rx x，并对，并对R Rx x两端的两端的电压放大后送入电压放大后送入A/DA/D转换器。转换器。u为了实现为了实现不同量程不同量程电阻的测量，要求电阻的测量，要求恒流源可调恒流源可调。u图图a a对于大电阻的

20、测量不利对于大电阻的测量不利，因为要求的恒流源电流，因为要求的恒流源电流I Ir r很很小，对测量精度影响较大。小，对测量精度影响较大。u图图b b中，将被测电阻作为反馈电阻，将恒流源输出中，将被测电阻作为反馈电阻，将恒流源输出I Ir r流过流过一个已知的精密电阻，从而得到参考电压一个已知的精密电阻，从而得到参考电压V Vr r如图，放大器输出如图，放大器输出 , ,于是于是u如果将如果将V Vo o作为作为A/DA/D转换器的输入，并将转换器的输入，并将V Vr r直接作为直接作为A/DA/D转换转换器的参考电压，即可实现器的参考电压，即可实现比例测量比例测量。1xorRVVR 1oxrV

21、RRV 16Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.2 .2 .数字多用表数字多用表u组成框图组成框图u数字多用表（数字多用表（DMMDMM）的主要特点）的主要特点uDVMDVM的的功能扩展功能扩展。DMMDMM可进行直流电压、交流电压、电流可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。、阻抗等测量。u测量分辨力和精度测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数有低、中、高三个档级，位数3 3位半位半88位半位半。A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD D

22、C CA AC CI IZ Z17Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.2 .2 .数字多用表数字多用表u数字多用表（数字多用表（DMMDMM）的主要特点）的主要特点u一般一般内置有微处理器内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均方根值）等自动测量功能。）等自动测量功能。u一般具有一般具有外部通信接口外部通信接口，如，如RS-232RS-232、GPIBGPIB等，易于组成等，易于组成自动测试

23、系统。自动测试系统。u数字多用表的使用数字多用表的使用u二端法和四端法测电阻。如下图（图二端法和四端法测电阻。如下图（图中中R Rl1l1、R Rl2l2、R Rl3l3、R Rl4l4为等效导线电阻和接触电阻）。为等效导线电阻和接触电阻）。18Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.2. 2. 数字多用表数字多用表u实际产品Agilent 3458A：8位半DMM。主要技术指标：uMath/statistics ；20 kB memory ；uSelf-adjusting autocalibration；dc Volts ；u100 mV to 1000 V ranges； 10 nV sensitivity u0.05 ppm transfer accuracy； ac Volts；u10mV to 1000V ranges； Ohms；uAnalog,