电子测量第五章教学案例.ppt

第五章 电压测量技术 一、概述 二、交流电压的测量 三、电压测量的数字化方法 四、电压测量集成电路第五章 电压测量技术一、概述 电压是电子电路中的一个主要参量，是其它许多电参量测量、非电测量的基础例如：功率测量，P=V2/R=IV=I2R，归于电压的测量失真系数：VV0调幅系数：m=V/V0第五章 电压测量技术对电压测量的要求：其实质为对电压测量设备的要求1、测量准确度：要求测量误差小电压测量仪器的测量准确度表示方式有以下三种：满度值百分数：%Vm读数值百分数：%Vx%Vm+ %Vx一般用于线形刻度模拟电压表用于具有对数刻度的电压表用于数字电压表第五章 电压测量技术第五章 电压测量技术模拟电压表数字万用表返回第五章 电压测量技术Fluke公司数字万用表显示：位二、交流电压的测量交流电压测量的核心是AC/DC变换，此部分是带有共性的，即模拟式和数字式电压表都必须完成这一变换过程模拟式电压表先检波，后放大先放大，后检波第五章 电压测量技术表征交流电压的参数有：所以有三种检波方式的电压表，根据检波方式的不同，有三种电压表均值峰值有效值峰值电压表均值电压表有效值电压表模拟式电压表第五章 电压测量技术1、峰值检波式电压表电路形式步进分压器斩波式直流放大器峰值检波器（探头）先检波、后放大第五章 电压测量技术高频电压测量时误差较小检波电路形式I、串联型检波+_Vo（t）Vx（t）II、并联型检波+_Vx（t）Vo（t）第五章 电压测量技术刻度特性=I0Vp表头的刻度：以正弦有效值刻度。

V（正弦波有效值）波峰因数：=V（正弦有效值）=Vp/Kp（正弦波峰因数）第五章 电压测量技术对正弦波为根号2第五章 电压测量技术例：用一块峰值电压表测量一个方波电压，读数为10 V ，问该方波电压的有效值为多少？解：被测方波电压的峰值为方波电压的波峰因数故2、均值电压表电路形式输入宽带放大器检波A先放大、后检波第五章 电压测量技术大信号检波时线性较好，波形误差较小刻度特性=I 0 ，与波形无关表头的刻度：以正弦有效值刻度V（正弦波有效值）波形因数：=V（正弦有效值）=KF（正弦波形因数）第五章 电压测量技术对正弦为1.11第五章 电压测量技术例：用一块平均值电压表测量一个三角波电压，读数为1 V ，问该三角波电压的有效值为多少？解：三角波的均值为三角波的波形因数故3、有效值电压表实现方法平方率检波热电效应模拟计算电路热电效应原理：第五章 电压测量技术BE+ACDA-M热偶式原理：第五章 电压测量技术BE+ACDA-MAB为加热丝M为电热偶C热端D、E冷端AB温度CD和CE为两种不同材料制作CD温差电动势形成电流第五章 电压测量技术宽放10MHz+-+ExEf4TC14TC1ViVo热偶式有效值电压表简化组成方框图热电偶AC/DC4TC1（上）测量热偶4TC1（下）平衡热偶第五章 电压测量技术工作原理：当反馈系统平衡时，0则故平衡热偶的作用：使表头刻度线形化，并提高热稳定性。

测量热偶的热电势平衡热偶受反馈电压影响，其热电势第五章 电压测量技术热偶式电压表缺点：具有热惯性，过载能力差，易烧毁模拟计算电路式：采用模拟计算电路直接完成有效值计算模拟乘法器积分器开方4、波形误差 峰值电压表对被测信号波形的谐波失真所引起的波形误差非常敏感，故不能测量失真波形的电压 均值电压表测量含有谐波成分的失真正弦电压的有效值时有如下结论：1、误差与谐波幅度及初相角有关，当初相角为00或1800时误差最大2、二次谐波误差比三次谐波要小，推广到一般，奇次谐波比偶次谐波影响大第五章 电压测量技术3、均值表波形误差与峰值检波相比较小有效值电压表测量非正弦波时理论上不会产生波形误差，实际上由于以下两个原因使产生读数偏低的误差1、电压表线性工作范围的限制2、电压表带宽的限制第五章 电压测量技术返回数字式电压表模拟量Vx（t）数字量接口根据 变换方法 的不同， 有非积分式DVM积分式DVM响应于被测电压的瞬时值优点：测量速率快缺点：准确度低响应于被测电压的平均值优点：准确度高缺点：测量速率低第五章 电压测量技术第五章 电压测量技术非积分式逐次逼近式比较式斜坡电压式代表:代表:线性斜坡式阶梯斜坡式积分式代表:双斜式多斜式第五章 电压测量技术1、非积分式DVM逐次逼近式原理：与天平称重相似砝码待测W/2 W/4 W/8 W/16原则：大者弃，小者留逐次逼近比较式A/D变换过程第五章 电压测量技术钟脉冲起始脉冲逐次逼近寄存器SAR显示器译码器比较器D/A变换器VrefVfMSB2-12-2例:三位二进制,Vr=5V,Vx=4VSAR输出顺序D/A送出比较比较器输出结果1100Vr/2=2.52.50保留2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留3111 Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.375 4.3754Vo0舍弃0000000110 经过译码显示3.75V第五章 电压测量技术逐次逼近比较式存在量化误差.结论:其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移所决定。

变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的位数（比特数）和钟频决定逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度、精度和成本三个方面的要求第五章 电压测量技术斜坡电压式DVM原理框图步骤相应波形结论分为两步：1、模拟直流电压变换成时间间隔 2、用计数法对时间间隔进行数字编码 第五章 电压测量技术输入比较器斜坡电压发生器接地比较器逻辑控制电路时钟脉冲计数器+12-12Vx复位0第五章 电压测量技术返回第一次符合被测电压VxtV测量开始VrVx+12-12门控信号门内时钟脉冲第二次符合第五章 电压测量技术结论:实质:V-T变换测量准确度,由斜坡电压的线性、斜率稳定与否，及时间测量是否准确决定线路简单，准确度较低第五章 电压测量技术例： 若斜坡电压的斜率为10V/50ms，要求4位数字读出，则时钟脉冲频率应为多少？若被测电压为9.163V,则累计脉冲数为多少?解:时钟脉冲频率应为:门控时间应为:累积脉冲数:通过小数点位置的调整,可显示出 9.163V第五章 电压测量技术2、积分式DVM抗干扰能力概述：DVM的灵敏度极高，测量准确度高于模拟电压表存在串模干扰和共模干扰， 相应地，有串模干扰抑制比和共模干扰抑制比。

第五章 电压测量技术A、定义：1、串模干扰定义：指干扰源以串联形式与被测电压一起叠加到DVM输入端2、共模干扰定义：通过环路地电流对两根测试线都产生影响的干扰第五章 电压测量技术VsmVxRl1Rl2Zi高端低端DVM图一串模干扰抑制比：Vsm串模干扰电压峰值由Vsm所造成的最大显示误差第五章 电压测量技术Rl1Rl2Vcm图二ZiZ2Z1共模干扰抑制比：Vsm是共模干扰转化成的串模干扰电压I1I2第五章 电压测量技术B、克服方法：1、串模干扰：采用积分电路DVM选择积分时间为干扰信号周期Tsm的整数倍T=nTsm满足以上条件，则SMR=2、共模干扰：克服方法为，设法减少共模干扰转化为串模干扰的途径，增大 Z2 克服方法为，对DVM测量系统A/D变换部分进行浮置或多层屏蔽第五章 电压测量技术特点： 对于非积分式DVM，因为它是对被测电压的瞬时值产生响应，故对串模干扰没有抑制能力 对于积分式DVM，由于是对被测电压在采样（积分）时间内的平均值产生响应，故可平均掉叠加在被测电压上的串模干扰电压，从而具有高的SMR在积分式DVM中，A/D变换分为VF和VT变换式难点小结第五章 电压测量技术双斜式积分(双积分式)DVM一、简化组成方框图二、工作过程三、基本关系式及优点四、测量误差V-T变换特点:在一次测量过程中，用同一积分器先后进行两次积分。

第五章 电压测量技术逻辑控制电路十进计数器主门A1A2-+-+c积分器比较器时钟Vo-VxVrefs1s212t1VxVxVoVomVomT1T2T2二、工作（二次积分）过程：1、对被测电压定时积分2、对基准电压定值反向积分第五章 电压测量技术第五章 电压测量技术1、无干扰时2、有串模干扰Vsm时则：定时积分结论：平均值减少了影响在T1内：（1）三、基本关系式第五章 电压测量技术定值反向积分在T2内：将（1）式代入（2）式，有（2）第五章 电压测量技术结论：1、VxT2，Vx=N2Vr/N1，如果Vr/T1=10n或Vr/N1=10n，则T2或N2确定小数点后，可直接在显示器上显示 2、与RC无关，所以DVM可在对积分元件准确度要求不高的条件下，得到高的测量准确度当则Vx=2V例如：当第五章 电压测量技术3、只与T1，T2比值有关，故对时钟源频率准确度要求不高4、抗干扰能力强，但速率较低，逐次逼近比较式要快得多第五章 电压测量技术四、测量误差DVM的测量误差有固有误差、附加误差等固有误差：Vm满度量程相对项系数误差的固定项系数第一项为读数误差，第二项为满度误差第五章 电压测量技术3、DVM主要工作特性（一）测量范围1、量程2、显示位数及超量程能力nV-kV只能够显示0和1两个数码的那些位-1/2位.能够显示0到9十个数码的那些位-完整显示位;第五章 电压测量技术*基本量程为1或10V时， 表示具有超量程能力。

例10V，4位DVM，最大为9.999V，无超量程能力；而最大为19.999V，则具有超量程能力，为 位基本量程为2V或20V等，最大显示为1.9999V或19.999V时,我们说它为 位，但无超量程能力超量程能力用超过量程的百分数表示例如9999 19999，称为超100%第五章 电压测量技术（二）分辨力DVM能够显示Vx的最小变化值在最小量程上，具有最高的分辨力例如，最小量程为0.100000V，则末位变一个字为1V，则分辨力为1V三）测量速率主要取决于变换器的变换速率，一般达不到每秒百次的速度，较逐次逼近式慢得多第五章 电压测量技术（四）抗干扰能力积分式DVM是响应于被测信号电压在一个测量周期的平均值，SMR很高设Vx，串模干扰为Vsmsint，则其中，第五章 电压测量技术产生示值误差：则最大可能的示值误差为：第五章 电压测量技术则串模干扰抑制比为：将上式用曲线表示，T=10ms，T=100ms的两组曲线第五章 电压测量技术可从上图得到结论：1、对给定的积分时间，干扰频率越高，SMR越大，干扰主要在低频2、 TSMR, 所以导致测量速率下降3、采样周期 T=nTsm 时，SMR= 无穷 。

一般串模干扰 为工频50Hz，即Tsm=20ms，故T一般取20ms的整数倍返回第五章 电压测量技术电压测量集成电路单片A/D转换器单片数字万用表专用集成电路单片真有效值交流/直流（AC/DC）转换器多重显示数字万用表专用集成电路 根据功能，大致可分为几类第五章 电压测量技术 单片集成A/D转换器是采用CMOS工艺将数字电压表的基本电路（模拟电路与数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数字显示器能显示A/D转换结果集成电路 单片A/D转换器定义能以最简方式构成数字电压表 对其外围电路进行扩展，增加各种功能转换器，就能构成一块数字万用表 按智能化程度来区分，可分成纯硬件单片A/D转换器和本身带微处理器的单片A/D转换器两种 单片A/D转换器分类第五章 电压测量技术举例 HI7159A芯片是美国HARRIS公司推出的带微处理器的 位A/D转换器 ，逐次累加式双积分 7106是纯硬件单片 位CMOS双积分型A/D转换器，由异或门输出，能驱动夜晶显示器LCD，采用迭层电池供电 第五章 电压测量技术 7106典型接线图 返回本章内容及要求1、掌握峰值、平均值、有效值三种检波方式的组成形式特点及刻度特性；2、掌握逐次逼近式DVM、斜坡电压式DVM的组成框图和工作原理；3、掌握积分式DVM的特点和双积分式DVM的原理框图、工作原理；峰值峰值电压表均值均值电压表有效值有效值电压表均以正弦有效值刻度第五章 电压测量技术5、了解对电压测量的基本要求和电压测量仪器的分类；6、了。