第4章数字测量方法v24

本章重点介绍数字化测量方法，其特点是将模拟量通过各种变换器转换成数字量，并以数字形式显示。其核心部件是A/D转换器，基本组成是直流数字电压表(DVM)。

另外，本章也详细地叙述了以数字化方法测量频率、周期、时间和相位等参数的基本工作原理、以及测量过程中可能产生测量误差的原因和大小。当前第1页\共有181页\编于星期三\7点数字电压表

数字电压表（DVM）是采用模—数（A/D）转换原理，将被测模拟电压转换成数字量，并将转换结果以数字形式显示出来的一种电子测量仪器。数字电压表的种类：按精确度这个标准来划分有，高精度(≤0.001％)、中精度(≤0.01%)、低精度（>0.01）。按测量速度这个标准来划分有，高速的(几百～几万次／s)、中速的(几十～几百次／s)、低速的(零点几～十几次／s)。按照数字显示的位数这个标准来划分，可分为3位数的、4位数的、5位数等等。最常用的区别方法是根据A/D转换原理分类：当前第2页\共有181页\编于星期三\7点数字电压表

最常用的区别方法是根据A/D转换原理分类：（1）直接式转换数字电压表基本原理是将被测电压与已知的基准电压直接进行比较，从而将被测电压转换成数字量，故又叫比较型数字电压表。特点是测量精度高、速度快、但抗干扰能力差。当前第3页\共有181页\编于星期三\7点数字电压表

（2）积分型数字电压表基本原理是利用积分原理将被测电压首先转换成时间或频率，然后再转换成数字量。故积分型数字电压表实质上是将被测电压与基准电压间接地进行比较，故又叫间接比较型数字电压表。特点是抗干扰能力强、成本低，但测量速度较慢。（3）复合型数字电压表基本原理是将比较型和积分型数字电压表结合起来，各取其优点，综合运用。特点成本较高，多用于高精度测量的场合。当前第4页\共有181页\编于星期三\7点4.1电压测量的数字化方法4.2直流数字电压表4.3多用型数字电压表4.4频率的测量4.5时间的测量当前第5页\共有181页\编于星期三\7点4.1电压测量的数字化方法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。数字化测量：转换器转换器当前第6页\共有181页\编于星期三\7点4.1.1数字电压表组成原理模拟部分和数字部分。输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。核心部件：A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter，简称ADC），实现模拟电压到数字量的转换。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。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。一、DVM(DigitalVoltageMeter)的组成当前第7页\共有181页\编于星期三\7点应用范围：直流或缓慢变化电压信号的测量(采用高精度低速A/D转换器)通过AC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成交流数字电压表。通过电流-电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。基于微处理器的智能化DVM称为数字多用表（DMM，DigitalMulti-Meter）DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口(如GPIB)当前第8页\共有181页\编于星期三\7点而位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完整显示位，其最大显示数字为19999二、主要性能指标：1、显示位数完整显示位：能够显示0～9的数字。非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为9999当前第9页\共有181页\编于星期三\7点如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、2000V等五档量程。2、量程无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展不同的量程基本量程：扩展量程：二、主要性能指标：当前第10页\共有181页\编于星期三\7点3、分辨力

指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵敏度。用每个字对应的电压值来表示，即V/字。

例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字。用百分数表示，与量程无关，比较直观。分辨率：如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力为0.1mV，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3位半的DVM，可显示出1999，则分辨率为：二、主要性能指标：当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”

当前第11页\共有181页\编于星期三\7点4、测量精度取决于DVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）固有误差表达式：示值（读数）相对误差为：固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。读数误差与当前读数有关。主要包括DVM的刻度系数误差和非线性误差。满度误差与当前读数无关，只与选用的量程有关。二、主要性能指标：当前第12页\共有181页\编于星期三\7点有时将等效为“±n字”的电压量表示，即如某台31/2位半DVM，说明书给出基本量程为2V，=±（0.1%读数+1字）“1字”的满度误差项与“0.05%”的表示是完全等价的.

当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。二、主要性能指标：当前第13页\共有181页\编于星期三\7点5、输入阻抗输入阻抗取决于输入电路结构（并与量程有关）。输入阻抗（电阻和电容）宜越大越好，否则将影响测量精度。

对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10MΩ～1000MΩ之间

对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十～几百pF之间。6、测量速度每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换器的转换速度一般低速高精度的DVM测量速度在几次/秒～几十次/秒二、主要性能指标：当前第14页\共有181页\编于星期三\7点7.抗干扰能力强(1)串模干扰当前第15页\共有181页\编于星期三\7点串模抑制比串模抑制比：串模干扰电压波形Usmp为串模干扰电压的峰值，ΔUmax为由干扰电压源Usm引起的最大显示误差。当前第16页\共有181页\编于星期三\7点(2)共模干扰共模抑制比：Ucmp为共模干扰电压的峰值，ΔUmax为由共模干扰引起的最大显示误差。当前第17页\共有181页\编于星期三\7点数字电压表（DVM）对模拟电压表数字显示准确度高测量范围分辨力高测量速度快输入阻抗高抗干扰能力强当前第18页\共有181页\编于星期三\7点4.1.2数字电压表DVM的主要类型各类DVM的区别主要是A/D转换方式比较型积分型比较型A/D转换器是采用对输入模拟电压与标准电压进行比较的方法。积分型A/D转换器是一种间接转换形式。首先对输入的模拟电压通过积分器变成时间T或频率f等中间量，再把中间量转换成数字量。逐次比较型、并行比较型、快速流水线型双积分型、三斜积分型、脉冲调宽（PWM）型、电压-频率（V-F）变换型等。当前第19页\共有181页\编于星期三\7点一、逐次比较型DVM的工作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。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小Vx未知范围的办法。基本原理：逐次比较型DVM原理框图当前第20页\共有181页\编于星期三\7点一、逐次比较型DVM的工作原理

假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。Vr可分解为：

若把Vr不断细分（每次取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取前4项，则

其逼近的最大误差为9.375V-10V=-0.625V，相当于最后一项的值。当前第21页\共有181页\编于星期三\7点

现假设有一被测电压Vx＝8.5V，若用上面表示Vr的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：首先取5V项，由于5V<8.5V，则保留该项，记为数字’1’再取2.5V项，此时5V+2.5V<8.5V，则保留该项，记为数字’11’再取1.25V项，此时5V+2.5V+1.25V>8.5V，则应去掉该项，记为数字’110’再取0.625V项，此时5V+2.5V+0.625V<8.5V，则保留该项，记为数字’1101’得到最后逼近结果:5V+2.5V+0.625V=8.125V

总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出Vr的各分项值，按照“大者去，小者留”的原则，直至得到最后逼近结果，其数字表示为’1101’当前第22页\共有181页\编于星期三\7点

显然，当Vx＝(7.8125V～8.4375V)之间时，采用上面Vr的4个分项逼近的结果相同，均为8.125V，其误差为:ΔVx＝(－0.3125V～＋0.3125V)，最大误差限相当于Vr最后一个分项的一半。上述逼近结果与Vx的误差为8.125V－8.5V＝－0.375V。

上述逐次逼近比较过程表示了该类A/D转换器的基本工作原理。它类似天平称重的过程，Vr的各分项相当于提供的有限“电子砝码”，而Vx是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减法码的过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码。当前第23页\共有181页\编于星期三\7点逐次比较型A/D转换器原理框图当前第24页\共有181页\编于星期三\7点最后的D/A转换器输出已最大限度逼近了Vx，且有N--A/D转换结果的数字量，n--A/D位数，Vr--参考电压，Vx--A/D输入电压上式还可写成：Vx=eNe=Vr/2nA/D转换器的刻度系数,单位为“V/字”，表示了A/D转换器的分辨力

如上面Vx＝8.5V，Vr＝10V，当用Vr的4个分项逼近时（相当于4位A/D转换器），A/D转换的结果为N＝（1101）2＝13，即

单片集成逐次比较式ADC。常见的产品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等当前第25页\共有181页\编于星期三\7点TypesofA-DConverterSuccessiveApproximationConverter 逐次比较型

IntegratingConverter积分型当前第26页\共有181页\编于星期三\7点Analoguein(Continuousfunction)A-DIntegratingtypeA-DconverterVoltage Time Digits电压时间数字Digitalout(Discretefunction)Analoguetodigitalconversion积分当前第27页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2时钟分频器单稳态触发器锁存当前第28页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2ClockCircuitRamp&ComparatorCounterCircuit当前第29页\共有181页\编于星期三\7点Relay继电器当前第30页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2timetimetimeGCRelayClosedOpenOpen当前第31页\共有181页\编于星期三\7点LatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)CVrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2RelayClosedOpenOpenCVrampXVin+-Length=K*Vintimetime-+当前第32页\共有181页\编于星期三\7点LatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)CVrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2+-YXCLength=K*Vin-+当前第33页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+当前第34页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1000000Numberofinputpulses=0Flip-flop翻转CKCKCKCKCK当前第35页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1100000Numberofinputpulses=0QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK翻转当前第36页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1010000Numberofinputpulses=1QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第37页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1110000Numberofinputpulses=1QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第38页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1000001Numberofinputpulses=2QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第39页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1100001Numberofinputpulses=2QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第40页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1010001Numberofinputpulses=3QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第41页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1110001Numberofinputpulses=3QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第42页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1000010Numberofinputpulses=4QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第43页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1100010Numberofinputpulses=4QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第44页\共有181页\编于星期三\7点Q0Q4Q3Q2Q1010010Numberofinputpulses=5QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK当前第45页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+当前第46页\共有181页\编于星期三\7点LatchInputOutputEnableMemoryelement10当前第47页\共有181页\编于星期三\7点InputOutputEnable10111Latch当前第48页\共有181页\编于星期三\7点InputOutputEnable1001100Latch当前第49页\共有181页\编于星期三\7点InputOutputEnable1011100Latch当前第50页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+当前第51页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.510-+-+当前第52页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.510000001101-+-+当前第53页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.5100000011010100011-+-+当前第54页\共有181页\编于星期三\7点RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2timetimetimeGCRelayClosedOpenOpenSamplingtime采样时间当前第55页\共有181页\编于星期三\7点AnaloguetodigitalconversionAnaloguein(Continuousfunction)A-DRamptypeA-Dconverter……Voltage Time DigitsDigitalout(Discretefunction)当前第56页\共有181页\编于星期三\7点Range范围ofbinarynumbersMaximumvalueofnumber=2N-1N=Numberofdigits=NumberoflinesForN=2,maximumvalue=112=3ForN=8,maximumvalue=111111112 =255ForN=10,maxvalue=11111111112 =1023当前第57页\共有181页\编于星期三\7点Designprinciple设计原理Maximuminputvoltage(analogue)correspondstoMaximumbinaryoutputvalue(digital)ActualbinaryoutputActualinputvoltageMaxbinaryoutputMaxinputvoltage=Actualbinaryoutput= Vin*(2N–1) Vmax当前第58页\共有181页\编于星期三\7点ExampleVoltmeter:8bits=8linesoutofA-DWheninput=10Vbinaryoutputismax.Forinput=4Vwhatisbinaryoutput?

当前第59页\共有181页\编于星期三\7点A-DConverterExample1.DrawthewaveformsforVrampandthe voltagesatGandX,showingtime valuesclearly.2.Calculatethebinarynumberproduced onpinsQ0toQ9(tenbits).3.Whatisthemaximuminputvoltagefor whichtheconverterwilloperate correctly?当前第60页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+--+当前第61页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+--+GCVintimeVrampX当前第62页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.5当前第63页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515当前第64页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37ms当前第65页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37ms当前第66页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37ms当前第67页\共有181页\编于星期三\7点Trythefollowing:A-DConverterQuestion1.DrawthewaveformsforVrampandthe voltagesatGandX,showingtime valuesclearly.2.Calculatethebinarynumberproduced onpinsQ0toQ9(tenbits).3.Whatisthemaximuminputvoltagefor whichtheconverterwilloperate correctly?当前第68页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+--+当前第69页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2当前第70页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms212当前第71页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms当前第72页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms当前第73页\共有181页\编于星期三\7点RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms当前第74页\共有181页\编于星期三\7点二、双斜积分型DVM的工作原理当前第75页\共有181页\编于星期三\7点二、双积分型DVM的工作原理固定不变当前第76页\共有181页\编于星期三\7点tt0u0t1u01Uomt2t3T1N1T2N2u02当前第77页\共有181页\编于星期三\7点固定值若在数值上取UN=N1（mV），则：UX=N2（mV）当前第78页\共有181页\编于星期三\7点双积分式ADC特点：基于V-T变换的比较测量原理

一次测量包括3个连续过程，所需时间为T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2则与被测电压Vx有关，Vx愈大T2愈大。一般转换时间在几十ms至几百ms，（转换速度为几次/秒～几十次/秒），其速度是较低的，常用于高精度慢速测量的场合。

积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。

参考电压VN的精度和稳定性对A/D转换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。（例如，一个16bit的A/D转换器，其分辨率1LSB=1/216=1/65536≈15×10-6，那么，要求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于15ppm（即百万分之15））当前第79页\共有181页\编于星期三\7点比较器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）。

如一个16位的A/D转换器，若满度时积分器输出电压为10V，则ADC的1LSB=10V/216=0.15mV，则要求比较器的灵敏度优于0.15mV。响应带宽则决定了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。积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好的抗干扰能力DVM的最大干扰来自于电网50Hz工频电压（周期为20ms），因此，只要选择T1时间为20ms的整倍数，则干扰信号vsm的平均值为零。双积分式ADC特点：当前第80页\共有181页\编于星期三\7点三、U-F积分型DVM的工作原理被测电压通过积分以后输出一线性变化的电压，控制一个振荡器，产生与被测电压成正比的频率值，再用数字频率计测出电路的频率值。电压-频率（U-F）转换器，由于其电路简单，工作可靠，且测量的是输入电压的平均值，所以抑干扰能力强。电压反馈式U-F转换器的原理框图当前第81页\共有181页\编于星期三\7点U-F转换电路组成原理框图当前第82页\共有181页\编于星期三\7点3.U-F转换器实用电路(1)恢复型U-F转换器当前第83页\共有181页\编于星期三\7点当前第84页\共有181页\编于星期三\7点(2)由单片集成电路构成的10kHzU-F转换器当前第85页\共有181页\编于星期三\7点4.1.3DVM的测量误差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。当前第86页\共有181页\编于星期三\7点当前第87页\共有181页\编于星期三\7点DigitalInstrumentsAnaloguevoltageSignalscalingA-DconversionDigitaldisplayTheDigitalVoltmeter数字电压表数字显示当前第88页\共有181页\编于星期三\7点7-SegmentDisplays七段码显示当前第89页\共有181页\编于星期三\7点7-SegmentDisplays七段码显示当前第90页\共有181页\编于星期三\7点GND+CommonAnodeConnectionAnodes阳极+abcdefg当前第91页\共有181页\编于星期三\7点GND+CommonCathodeConnectionCathodes阴极GNDabcdefg当前第92页\共有181页\编于星期三\7点Whichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?IntegratedCircuitsSmallcurrentout(mA)Largecurrentin(mA)74008051单片机当前第93页\共有181页\编于星期三\7点IntegratedCircuitsWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?5GND74008051单片机当前第94页\共有181页\编于星期三\7点IntegratedCircuitsWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?0+74008051单片机CommonAnodeisusuallybetter当前第95页\共有181页\编于星期三\7点Numbers0to9require4bitsUseaDecoder译码器tochangefrom4bitsto7lines0=000025=010129=100127-segmenthas7lines当前第96页\共有181页\编于星期三\7点Binaryvalue译码器当前第97页\共有181页\编于星期三\7点Binaryvalue000000000010当前第98页\共有181页\编于星期三\7点Binaryvalue011100011117当前第99页\共有181页\编于星期三\7点7segmentsdisplaysactuallyhave8segmentsDecimalpoint当前第100页\共有181页\编于星期三\7点LiquidCrystalDisplays(LCDs)液晶显示器当前第101页\共有181页\编于星期三\7点LCDDisplayModuleHitachiHD44780UController控制器RSRWEData当前第102页\共有181页\编于星期三\7点HD44780UcontrollerDisplay显示module当前第103页\共有181页\编于星期三\7点固体液晶液体当前第104页\共有181页\编于星期三\7点Nematic向列态

liquidcrystalsMolecule分子V旋转当前第105页\共有181页\编于星期三\7点NematicliquidcrystalsTwistangleVoltage旋转当前第106页\共有181页\编于星期三\7点Polariser起偏振器Polariser起偏振器Transparentconductor透明导体TransparentconductorVLCDprinciple当前第107页\共有181页\编于星期三\7点Lighttransmission光传播VoltageLight%当前第108页\共有181页\编于星期三\7点LCDstructureGlass玻璃LiquidcrystalPolariserConductorsGlass当前第109页\共有181页\编于星期三\7点RSRWEDataI/OpinsDB0-DB7RegisterSelectRead/WriteEnablepulse当前第110页\共有181页\编于星期三\7点ERWRSDB7DB08051mC=Microcontroller单片机当前第111页\共有181页\编于星期三\7点Memoryaddresses内存地址intheLCD(16x2type)Position10CursorAddress=4Ah当前第112页\共有181页\编于星期三\7点Command04hDecrement减少addressShift移动=OFFDereliCursorDirection光标方向当前第113页\共有181页\编于星期三\7点CursorDirection光标方向Command05hDecrement减少addressShift移动=ONHakan当前第114页\共有181页\编于星期三\7点Command06hIncrementaddressShift移动=OFFDereliCursorDirection光标方向当前第115页\共有181页\编于星期三\7点Command07hIncrementaddressShift移动=ONHakanCursorDirection光标方向当前第116页\共有181页\编于星期三\7点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电压表4.2直流数字电压表3位半数字电压表原理框图当前第117页\共有181页\编于星期三\7点电路图7106型A/D转换器，采用异或门输出，能驱动液晶LCD，整机功耗小，成本低，缺点是显示亮度较低，适宜制作袖珍式数字电压表。当前第118页\共有181页\编于星期三\7点原理图时钟脉冲发生器分频器计数器锁存器译码器异或门相位驱动器逻辑控制器LCD显示器当前第119页\共有181页\编于星期三\7点逻辑及驱动电路图液晶显示器采用交流供电的方式当前第120页\共有181页\编于星期三\7点双积分式AD转换器测量周期三个阶段：自动调零、信号积分、反向积分199.9当前第121页\共有181页\编于星期三\7点逻辑控制器的作用：1.识别积分器的工作状态，适时地发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换能循环进行；2.识别输入电压的极性，同时控制LCD显示器的负号显示；3.当输入超量程时，使千位数显示“1”，其他位上的数码全部消隐。当前第122页\共有181页\编于星期三\7点4.3多用型数字电压表

数字万用表和普通万用表一样，它的基本测量方法是以测直流电压的DVM为基础，通过各种参数变换器将其它参数变换为等效的直流电压U，通过测量U的值来获得所测参数的数值。多用型数字电压表的转换原理当前第123页\共有181页\编于星期三\7点1．交流电压－直流电压(AC-DC)转换器当前第124页\共有181页\编于星期三\7点1．交流电压－直流电压(AC-DC)转换器运放式半波检波原理框图AC-DC变换电路原理图当前第125页\共有181页\编于星期三\7点2．精密全波整流电路精密全波检波电路原理图当前第126页\共有181页\编于星期三\7点3．电阻－直流电压转换器（R-DCV)

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电压，即可得到被测电阻阻值。R-U转换器电路原理图不适合测小电阻当前第127页\共有181页\编于星期三\7点R-U转换器改进电路原理图是一个恒定电流，可以测小电阻当前第128页\共有181页\编于星期三\7点I-U转换器原理电路原理图让被测电流流过标准电阻，再用直流DVM测量电阻上的电压。4．直流电流－直流电压（I-U）转换器当前第129页\共有181页\编于星期三\7点4．直流电流－直流电压（I-U）转换器

基于欧姆定律，将被测电流通过已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。

为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。

若采用的电压量程为200mV，则通过量程开关选择取样电阻分别为1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可测量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的满量程电流。当前第130页\共有181页\编于星期三\7点多用型数字电压表的工作原理框图当前第131页\共有181页\编于星期三\7点二、数字电压表的误差分析DVM的整体误差：包括固有误差和附加误差

读数误差与被测电压大小有关，它包括转换误差（或称为刻度误差）和非线性误差；1、固有误差表示在一定测量条件下DVM本身所固有的误差，它反映了DVM的性能指标。

满度误差与被测电压大小无关，主要由系统漂移引起。当前第132页\共有181页\编于星期三\7点

指测量环境的变化（如温度漂移）和测量条件（如被测电压的等效信号源内阻）所引起的测量误差2、附加误差由DVM输入阻抗、输入零电流及温度漂移等引起。Rs为输入电压Vx的等效信号源内阻，Ri和I0分别为DVM的等效输入电阻和输入零电流温度漂移引起的附加误差：℃或温度系数ppm（百万分之一）表示。当前第133页\共有181页\编于星期三\7点[例]一台3位半的DVM给出的精度为:±(0.1%读数+1字)，如用该DVM的0～20VDC的基本量程分别测量5.00V和15.00V的电源电压，试计算DVM测量的固有误差。[解]首先，计算出“1字”对应的满度误差在0～20V量程上，3位半的DVM对应的刻度系数为0.01V/字，因而满度误差“1字”相当于0.01V当Vx=5.00V时，固有误差和相对误差分别为：ΔVx＝±(0.1%×5.00V＋0.01V)＝±0.015V当Vx=15.00V时，固有误差和相对误差分别为：ΔVx＝±(0.1%×15.00V＋0.01V)＝±0.025V可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小当前第134页\共有181页\编于星期三\7点三、电压测量的干扰及抑制技术

干扰是对有用被测信号的扰动，特别是当被测信号较小（或微弱）时，干扰的影响显得更为严重。

因此，必须提高电压测量的抗干扰能力，特别是对于高分辨力高精度的数字电压表更为重要。1、干扰的来源及分类串摸干扰和共摸干扰串摸干扰是指干扰信号以串联叠加的形式对被测信号产生的干扰；共摸干扰是指干扰信号同时作用于DVM的两个测量输入端。当前第135页\共有181页\编于星期三\7点串模干扰起因及特性：⑴可能来自于被测信号源本身（例如，直流稳压电源输出就存在纹波干扰）；⑵也可能从测量引线感应进来的工频（50Hz）或高频干扰(如雷电或无线电发射引起的空中电磁干扰)。

就干扰源的频率来说，可从直流、低频到超高频；干扰信号的波形可以是周期性的或非周期性的，可以是正弦波或非正弦波（如瞬间的尖峰脉冲干扰），甚至完全是随机的。各种干扰信号中，50Hz的工频干扰是最主要的干扰源。当前第136页\共有181页\编于星期三\7点

被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）。如测量一个直流电桥的输出。

当被测电压与DVM相距较远，被测电压与DVM的参考地电位不相等，将引起测量时的共模干扰。

共模干扰电压也分直流电压和交流电压两类。共模干扰电压可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模干扰起因及特性：当前第137页\共有181页\编于星期三\7点2、串模干扰的误差分析以积分式DVM为例。设在被测电压Vx上叠加有平均值为零的串模干扰信号un，即对输入电压定时(T1)积分结束时：tt0u0t1u01Uomt2t3T1N1T2N2当前第138页\共有181页\编于星期三\7点为使=0， 由=0，==〉

由=0，==〉因此，只要满足上面两个条件之一，就可使=0

它们是串模干扰抑制的理论依据。串模抑制比（SMR）。用于定量表示DVM抑制串模干扰的能力。的最大值为：(Un为干扰信号的幅度)当前第139页\共有181页\编于星期三\7点定义SMR：可见，SMR与干扰信号周期（频率）有关。当满足T1=kTn（k为正整数）时，SMR=∞(干扰被完全抑制)；

当T1一定时，若Tn愈小（干扰信号频率愈高），则SMR愈大；反之，则SMR愈小；

因此，串模干扰的最大危险在低频，而50Hz的工频干扰最为严重。当前第140页\共有181页\编于星期三\7点3、共模干扰的抑制方法共模干扰电压Ucm通过环路电流I1和I2同时作用于DVM的H、L端,但是他们对H、L端的影响量并不相等，从而造成测量误差。因此，抑制共模干扰的基本原理是：(1)减小两路环路电流；(2)或使共模干扰对H、L端的影响能互相削弱或抵消。Z1>>Z2当前第141页\共有181页\编于星期三\7点由于，故

共模电压为直流时（Z2表现为纯电阻）,CMR较高;而当共模电压为交流时(有容抗的并联作用，Z2比纯电阻时减小),CMR会有所降低.3、共模干扰的抑制方法共模抑制比CMR：当前第142页\共有181页\编于星期三\7点4.4频率的测量时间和频率的定义时间有两个含义：“时刻”：即某个事件何时发生；“时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次频率的定义：f＝N/T时间与频率的关系：可以互相转换。当前第143页\共有181页\编于星期三\7点4.4.1时间与频率的原始标准天文时标：世界时（UT,UniversalTime）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31556925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1×10－9

。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足：设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。当前第144页\共有181页\编于星期三\7点原子时标（AT）原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。hfn-m=En-Em式中，h=6.6252×10-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级，fn-m为吸收或辐射的电磁波频率。1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁相对应的辐射的9,192,631,770个周期的时间”。

秒的定义由天文标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4～5个量级，达5×10-14(相当于62万年±1秒)，并仍在提高。当前第145页\共有181页\编于星期三\7点差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法频率的测量方法可以分为：

各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。当前第146页\共有181页\编于星期三\7点4.4.2电子计数法测量频率1、电子计数法测频原理：频率的定义：单位时间(1秒)内周期性事件重复的次数，记为f。若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则该信号的频率为：fx=N/T

因此，对频率的测量需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号重复变化的次数累加计数，若计数值为N，根据定义可得到被测信号频率值：fx=N/TT=NTx当前第147页\共有181页\编于星期三\7点4.4.2电子计数法测量频率取样时间基准T的产生：一般选用频率稳定度良好的石英晶体谐振器来产生这个时间基准．它在短时间内的稳定度可以达到10-9量级。T=N0T0当前第148页\共有181页\编于星期三\7点与门TxTTxTABCNfx或门TxTTxTfxBCNA这种测量方法又称为门控计数法。

将被测的周期性信号经过整形后形成的同周期的脉冲序列fx，通过一个“闸门”送入计数器，并由一个“门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。4.4.2电子计数法测量频率当前第149页\共有181页\编于星期三\7点TxuxuaubucTxTxTuxfxfc计数式频率计组成框图主要由：输入电路、时基电路、计数显示电路和控制电路4部分组成。当前第150页\共有181页\编于星期三\7点电子计数器是指能完成频率测量、时间测量、计数等功能的所有电子测量仪器的通称。最基本的测量功能：测频、测周和测时间间隔当前第151页\共有181页\编于星期三\7点1.频率测量原理频率测量原理图当前第152页\共有181页\编于星期三\7点2.周期测量原理周期测量原理图当前第153页\共有181页\编于星期三\7点

由频率测量表达式：fx=N/T，计数法测频的误差主要由两项组成：即计数器计数误差和闸门时间误差两部分。据误差传递公式，即:4.4.3电子计数法测量频率误差分析当前第154页\共有181页\编于星期三\7点1、量化误差(±1误差):

由于主门开启时刻的不同引起的计数值N多1个或少1个的±1误差,是对频率量化时带来的误差，故成为量化误差或±1误差。当前第155页\共有181页\编于星期三\7点量化误差分析:当前第156页\共有181页\编于星期三\7点①②③④

可以看出，闸门时间相对误差在数值上等于晶体振荡器振荡频率的相对误差，故称标准频率误差或时基误差。

闸门时间T由内部晶体振荡器（标准频率源）分频后产生。因此，晶体振荡器振荡频率的准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。2闸门时间误差(标准频率误差)当前第157页\共有181页\编于星期三\7点3误差表达式:当前第158页\共有181页\编于星期三\7点[例]被测频率fx＝1MHz，选择闸门时间Ts＝1s，则由±1误差产生的测频误差(不考虑标准频率误差)为：若Ts增加为10s，则计数值增加10倍，相应的测频误差也降低10倍，为±1×10－7，但测量时间将延长10倍。注意：该例中，当选择闸门时间Ts＝1s时，要求标准频率误差优于±1×10－7（即比量化误差高一个数量级），否则，标准频率误差在总测量误差中不能忽略。当前第159页\共有181页\编于星期三\7点4结论：提高频率测量精度的措施：⑴提高晶振频率的准确度和稳定性以减少闸门时间误差；⑵扩大闸门时间T或倍频被测信号以减少量化误差；⑶被测信号频率较低时，可采用测周期的方法测量。

但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值的增加不应超过计数器的计数容量，否则将产生溢出（高位无法显示）。例如：一个6位的计数器，最大显示为999999，当用T=1s的闸门测量fx=1MHz时,应显示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,显然溢出当前第160页\共有181页\编于星期三\7点4.4.4用计数式频率计测量频率比据此，若要测量fA对fB的频率比（假设fA>fB