第4章数字测量方法课件.ppt

第4章 数字测量方法 数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。 组成框图 数字显示 准确度高 测量范围 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 。 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。 量程 基本量程：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，可扩展其他量程 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、1000V等五档量程。 分辨力高 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。 不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力。 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（即当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。 测量速度快 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。 输入阻抗高 输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。 输入阻抗宜越大越好，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。 抗干扰能力强 串模干扰起因及特性： 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）； 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。 原理：通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。 工作过程 准备阶段（t0-t1）。开关S4接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Uo回到零（Uo=0）。 对被测电压定时积分(t1-t2)。接入被测电压（设Ux为负），则积分器输出Uo从零开始线性地正向增长，经过规定的时间T1，Uo达到最大Uom， 式中， 为Ux的平均值， 为积分波形的斜率(定值) 对参考电压反向定值积分(t2-t3)。接入参考电压(若Ux为负，则接入UN)，积分器输出Uo从Uom开始线性地反向减小(与Ux的积分方向相反)直至零。 此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有： 将Uom代入可得： 由于T1、T2是通过对同一时钟信号（设周期T0）计数得到（设计数值分别为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 式中， 为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）。 可见计数结果N2（数字量）即可表示被测电压Ux，N2即为双积分A/D转换结果。 双积分式ADC特点： 基于U-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Ux有关，Ux愈大T2愈大。一般转换时间在几十ms-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UN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））。 双积分式ADC特点： 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6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/106=10uV，则要求比较器的灵敏度优于10uV。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。如输入电压Ux=Ux+Usm，则T1阶段结束时积分器的输出为 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