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数字电压表与数字多用表

数字电压表与数字多用表. 概述. A/D 转换器. 直流数字电压表及其功能扩展. 电子计数器. 电子电压表一般是指模拟式电压表。它是一种在电子电路中常用的测量仪表，用磁电式表头作为指针仪表 。电子电压表与普通万用表相比较，具有以下优点： 　（ 1 ） 输入阻抗高，一般输入电阻至少为 500KΩ ，仪表接入被 测电路后，对电路的影响小。 　（ 2 ） 频率范围宽：适用频率范围约为几赫到几千兆赫 　（ 3 ） 灵敏度高：最低电压可测到微伏级 　（ 4 ） 电压测量范围广：仪表的量程分档可以从几百伏一直到 1mV.

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数字电压表与数字多用表

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  1. 数字电压表与数字多用表 • 概述 • A/D转换器 • 直流数字电压表及其功能扩展 • 电子计数器

  2. 电子电压表一般是指模拟式电压表。它是一种在电子电路中常用的测量仪表，用磁电式表头作为指针仪表 。电子电压表与普通万用表相比较，具有以下优点：　（1） 输入阻抗高，一般输入电阻至少为500KΩ，仪表接入被 测电路后，对电路的影响小。　（2） 频率范围宽：适用频率范围约为几赫到几千兆赫　（3） 灵敏度高：最低电压可测到微伏级　（4） 电压测量范围广：仪表的量程分档可以从几百伏一直到1mV

  3. 电子电压表根据电路组成结构的不同，可分为放大一检波式，检波—放大式和外差式 它们主要由衰减器、交流电压放大 器、检波器和整流电源四部分组成，其方框图如图 被测电压先经衰减器衰 减到适宜交流放大器输入的数值的大小。电子电压表表头指针的偏转角度正比于被 测电压的平均值，而面板却是按正弦交流电压有效值当测量非正弦交流电压时，电子 电压表的读数没有直接的意义，只有把该数除以1.11（下弦交流电压的波形系数），才能得到被测电压的平均值 电子电压表的组成及作原理

  4. 使用方法及注意事项（1）机械调零：仪表接通电源前，应先检查指地是否在零点，如果不在零点应调节机械零调节螺丝，使指针们于零点。（2）正确选择量程：应按被测电压的大小合适地选择量程，合仪表指针偏 转至满刻度的1/3以上区域。先不知被测电压珠大致数值，应先将量程开关置在大量程，然后再逐步减小量程。（3）正确读数：根据量程开关的位置，按对应的刻度线读数。（4）当仪表连线开路时，由于外界感应信号可能使指针偏转超量限，而损坏表头。因此，没量完毕时，应将量程开关置在大量程

  5. 主要技术特性（1）交流电压测量范围100uV~300V.共分12档量程：1、3、10、30、100、300V（2）输入电阻1~300mV量程，8MΩ+_0.8 MΩ1~300V,10 MΩ+_1 MΩ

  6. 概述 数字电表是将被测对象离散化，数据处理后以数字形式显示 的仪表。数字电表在原理、结构、测量方法上完全不同于模拟式 仪表。 随着半导体技术和计算机技术的发展，数字仪表迅速发展。 数字电表的种类 • 数字电压表(DVM)； • 数字电流表； • 数字电阻表； • 数字功率表； • 数字电能表； • 数字电桥； • …； • 数字多用表(DMM)； • 校准器(Calibrator)； • 直流电压参考(DCV Reference)； • 热电转换标准(Thermal Transfer • Standard) • 数字温度表； • 数字转速表； • 数字位移表；…

  7. 一、数字仪表的特点 • 准确度高——电压可达10-6数量级；一般的DVM很容易达到10-4 • 输入阻抗高——DVM的输入阻抗一般都达到100兆欧； • 测量范围宽—— • 灵敏度高——DVM的分辨率可达0.01V； • 测量速度快—— • 读数清晰，直观方便—— • 测量过程自动化——极性判断；量限切换；自动校零…； • 可组成测试系统； • 结构复杂；成本高；线路复杂；专业维修；

  8. (1) 数字化阶段——50~60年代中期，运用各种原理实现A/D转换， 从而实现仪表数字化，显示位数 二、数字仪表的发展过程 1952：第一台DVM问世，电子管司服比较式； 1956：电压-时间 (V/T)式； 1961：全晶体管式逐次逼近比较式； 1966：双斜积分式。 (2) 高准确度阶段——复合型A/D-C原理，显示位数达八位， 准确度百万分之几。 1971：三次采样积分式(日本TR6567)； 1973：两次采样电感分压比较型(英国SM-215)； (3) 智能化阶段——内嵌 P 的DVM，除完成原有DVM功能外， 还能自校、自检，完成数据处理自动化和可 编程，通过标准接口组成自动测试系统。 代表的产品有Fluke、 Datron、 Solartron等公司的产品。

  9. V/f-C 被测频率 V/P-C x/ f-C 频率计 计数器 存储器 译码器 显示器 V/T-C 被测量x (U,I,P, R,L,C...) x/V -C T/P-C x/P-C 被测相位  / T-C 三 、数字电压表的一般结构 1. 数字电表的通用框图 (P为脉冲数；V为直流电压；) 被测量直流电压频率——V/F式DVM； 被测量直流电压时间间隔——V/T式DVM； 被测量直流电压脉冲数码频率——反馈比较式DVM 仪表核心：直流电压的测量

  10. 标准电压源 模拟电路 数字电路 输入 输入 电路 A/D 转换 电子 计数器 数字 显示器 逻辑控制电路 2. 直流数字电压表框图 输入电路包括衰减器、前置放大器、切换开关等。 为增强电表功能，数字电路中还可包含微处理器。

  11. 3. 数字电压表的电源 中高档DVM——AC220V交流电源供电； • 保证电能消耗； • 对便携性要求不高； 小型手持式DMM——电池供电 • 无电源线，提高了共、串模抑制比； • 液晶显示，CMOS芯片保证了低功耗； 4.数字电压表的显示 显示器的种类：辉光数码管、荧光数码管、磷光体数码管、 发光二极管、等离子体数字显示器、液晶显示器 显示方式：十进制数码方式； 分段式； 矩阵式。

  12. 基本量程——误差最小的量程(被测量在表内 不经放大和衰减)； 非基本量程——基本量程以外的量程； • 多量程的划分 5. 数字电压表的主要技术参数 (1) 测量范围和量程 • 各量程的测量范围、误差大小； • 超量程能力； • 量程切换方式 (2) 分辨力 指DVM能够读取的被测电压的最小变化值，或显示器 末位跳一个字所需的输入电压值。 (3) 抗干扰能力

  13. 0000~1999——3 位; 0000~8999——3 位 (4) 输入阻抗 输入阻抗指DVM在工作状态下，从输入端看进去的输入 电路的等效电阻。 DVM在基本量程的输入电阻可达10G，对于非基本量程， 由于使用了分压器，一般为10M 。 (5) 显示位数 DVM的显示位数是以完整的显示数字的多少来确定的。 0000~9999——4位 (6) 测量速度 测量速度指在单位时间内，仪表以规定的准确度完成的 最大测量次数。它主要取决于A/D转换速度和运放响应时间。 (7) 误差的表示

  14. 主要技术特性： • 量化误差； • 模拟误差； • 偏移误差； • 增益误差； • 非线性误差； • 转换时间； 偏移误差 增益误差 非线性误差 A/D转换器 分类：逐次逼近式； 间接式 ： 双斜积分式； 压频转换式； 复合式； 特点： 直接比较式：转换速度快； 抗干扰性差： 间接式：转换速度慢； 抗干扰性强；

  15. 一 、逐次逼近式A/D转换器 D/A转换 标准电压源 基于电位差计原理。 比较器 数码寄存器 译码显示器 输入 输入电路 脉冲分配器 时钟 比较器：鉴别电压幅值 脉冲分配器：将时钟脉冲变成按时间分布的节拍脉冲； 数码寄存器：用来暂时存放与被测信号大小相对应的数码； D/A转换器：用来产生一系列步进基准电压； 基准电压源：用来作为基准电压的片内参考电压；

  16. 举例: AD574 DIP28脚芯片， 片内：A/D转换； 转换控制； 时钟； 总线接口； • 技术指标： • 12bits • 非线性误差：1/2LSB; • 模拟输入范围： 5V；10V；0~10V；0~20V； • 转换时间：<25S； • 功耗：450mW AD574的单极性接法

  17. AD574的应用电路

  18. 积分器输出电压 Vx V0 积分 VN 比较 V0’ 0 t1 t2’ t2 t 逻辑控制电路 门控 复位 进位 定时积分 定斜积分 晶振 控制门 计数器 显示 T1 T2 二 、双斜积分式A/D转换器 定时积分阶段 定斜积分阶段 由上两式得

  19. 或 将 T0为晶振周期 代入 得 N1和VN均为已知，因此， N2即反映了被测量Vx的大小。 • 特点： • 抗干扰能力强； • 对积分元件的稳定性和准确度要求低； • 速度慢，一般30次/秒。

  20. 积分器的输出与零电平比较，比较结果控制基准电压 的极性，从而电路组成一个不连续的负反馈系统。 三 、脉宽调制(PWM)积分式A/D转换器 Vx 积分 PWM式A/D转换器是将输入电压调制为脉冲宽度(V/T )。 然后再对脉冲宽度计数。 节拍方波 比较 基准 逻辑控制电路 门控 复位 进位 分频 晶振 控制门 计数器 显示 积分器的输入：被测电压Vx、节拍方波 、基准电压 由于节拍方波是正负对称的，即在整个周期内的平均电压为零，因此，基准电压+UR和- UR 对应的时间宽度，决定于电压Ux的大小，即完成了 V/T 转换。

  21. 积分器输入电压 积分器各 输入电压 相加波形 被测电压正比于 T2 -T1 积分器 输出电压 调宽脉冲 波形

  22. 比较1 积分 比较2 逻辑控制 晶振 四、快速及高准确度A/D转换器 1.三次积分A/D转换器 双斜积分A/D-C缺点：速度慢。 改进： 对双斜积分式A/D-C的对 UN的反向积分分成一次粗积分 和一次精积分。 积分器输出 t0~ t1 期间，对Ux定时积分 定时时间 t1 -t0由计数器低位溢出决定 t1 ~ t2 期间，对UN 定斜积分，直到比较器1动作，此时积分器的输出

  23. t2 ~ t3 期间，对 定斜积分，直到比较器2动作，此时积分器的输出 积分器输出 在时间t1 ~ t2 期间内，仅计数器高位 工作，所计的脉冲数为 在时间 t2~ t3 期间内，计数器低位、高位均工作，所计的脉冲数 显然 t= t3 时，积分器的输出为零。由此得 将 t1 - t0 、t2 - t1 、t3 - t2 时代入上式，得

  24. 双斜积分式A/D-C：300次/秒； 三次积分式A/D-C：26000次/秒。 对于14位的A/D-C，时钟频率10MHz 整理，得 对UN的反向积分分成一次粗积分和一次精积分。这样做的目的是缩短积分时间，并保证原有的准确度。 速度提高了85倍。

  25. 转换逻辑 并行二进制输出 2. 全并行比较式A/D转换器 这是所有A/D-C最快的。 转换时间仅受比较器上升时 间的限制。转换速度可以达 到0 .1S。 当输出电压大于比较器 的门限电压时，比较器的输 出为“1”，否则输出“0”。 对于N位的A/D-C，需要 2N个比较器。如十位A/D-C， 需要有1023个比较器。由此 严重限制了此种原理的A/D-C 的位数。 3位A/D-C 改进：串并行比较式A/D转换器

  26. 3. 余数再循环(Recirculating Remainder)式A/D转换器 基本思想： 用有限的N次(如N=5)来逐步逼近被测电压Vx，每次得到 的误差(余数)进行放大，再做下一次比较。 再循环取有限次，一方面是因为电路固有噪声的限制， 不可能无穷地如此循环转换下去。另一方面，转换结果的分 率打0.1V，能满足DVM的要求了。

  27. 直流数字电压表及其功能扩展 一、直流数字电压表电路举例 • ICL7106——3-1/2位，可直接驱动液晶显示； • ICL7107——3-1/2位，可直接驱动LED显示 • MC14433——3-1/2位，BCD码输出； • ICL7135——4-1/2位，BCD码输出； • ICL7129——4-1/2位，可直接驱动液晶显示； 介绍袖珍式(hand-held)数字万用表常用的的核心芯片7106。 7106将双斜积分A/D转换、七段译码、显示驱动、基准 及时钟集成在同一CMOS芯片上。

  28. VIN 9V V V+ IN- INT IN+ A/Z Cref+ OSC2 OSC3 REF- Cref- REF+ COM BUFF POL 4AB 1A 2A 1G 2G 3G BP 3A -1 9 9 9 ICL7106的外围电路

  29. 功 能 选 择 R/V转换 直 流 电 压 量 程 选 择 输入 A/D 转换 I/V转换 AC/DC转换 二、由直流数字电压表扩展为数字多用表 与指针式万用表相似，数字多用表(Digital Multi-Meter 简写为DMM)是在直流数字电压表的基础上扩展而成的。 区别在于： 指针式字万用表——基本量测量为直流电流； 表头为磁电系测量机构 数字多用表——基本量测量为直流电压； 表头为A/D-C为核心的数字表头。

  30. 三、数字多用表的转换器 1. AC/DC转换电路 交流电压(或电流)的特征参数 平均值 或 设正弦信号u(t)=Umsin t，则 有效值 或

  31. 正弦波： ；方波： ；三角波： 正弦波： ；方波： ；三角波： 波形系数 有效值与平均值之比称为波形系数。 波峰系数 峰值与有效值之比称为波峰系数。 畸变系数 基波的有效值与总电压有效值之比。

  32. M M 运放 二极管 有源整流 +  • AC/DC转换电路有两种： • (1) 直流电压正比于交流电压的平均值；——较常见 • (2) 直流电压正比于交流电压的有效值；——专门芯片实现 平均值AC/DC转换电路 半波整流电路 全波桥式整流电路 由于二极管的死区影响，无源二极管整流电路会出现误差。

  33. 设 - A1 + - A2 + 当ui(t)为正半周时， A1输出负电压，D1截止， D2导通，Ud得到ui(t)的 负半周电压； 当ui(t)为负半周时，A1输出正电压， D2截止， D1导通， R2 使A1闭环，同时， R7将ui(t)的负半周电压送至d点， Af为运放A1的闭环放大倍数，选Af =2，则

  34. 真有效值AC/DC转换电路 真有效值AC/DC转换电路能将任意波形的交流电压转换成 与之有效值成正比的直流电压。 • 热电式AC/DC转换器 利用热电偶产生的热电势与其加热丝中交流电流有效值的 平方成正比而实现的。 此法作成的AC/DC转换器，频带2Hz~100MHz，成本高。 • 电子式AC/DC转换器 由对数/反对数电路构成乘法器实现。有单片集成电路出售。 转换误差0.05%。 • P采样计算法

  35. DVM - A2  + A1 + -  2. I/V转换器 把被测电流Ix通过标准电阻RN变换为电压Ux，再用DVM 测量直流电压Ux ，则 为了减小转换器内阻，标准电 阻RN的值一般选的较小，这样，直 流电压Ux 一般不大，为了准确测量电流Ix ，需对电压Ux进行放 大。采用高输入阻抗运放，以减小运放对 Ix的分流作用。 电流较大时的 I/V转换电路 电流较小时的 I/V转换电路

  36. 3. R/V转换器 - A1 + 4. 峰值电压测量 衰减器 绝对值电路 峰值保持电路 DVM 对于峰值电压的数字化测量，核心部分是将电压峰值转换 为相应的直流电压，然后用直流DVM测量该电压大小。 峰值保持电路是一种能跟随输入电压变化，并能将最大 值记录下来的电路。

  37. 当ux达到极大值后开始降低， D1立 即反偏而截止，运放开环，而使 变负， 使可靠截止，而uo不变 。 - A + 工作前，电容C电压放电。在运放 同相输入端加正向电压ux，D1导通，对 C充电，并构成负反馈电路。 峰值检波-保持电路 D2 的作用是防止D1截止时运放的深度饱和，同时也减少 了D1的反向电压。

  38. §13-4 电子计数器 用来记录脉冲个数。可用来测量频率、周期、相位等参数。 一、用电子计数器测量信号的周期 Nx Tx 放大 整形 控制门 计数 显示 T0 晶体 振荡器 分频器 控制门：输入信号作为门控信号；时钟作为计数脉冲。 若T0=10-n秒，则fx=Nx，相差的仅是小数点的位置。

  39. Nx Tx 放大 整形 控制门 计数 显示 T0 晶体 振荡器 分频器 二、用电子计数器测量频率 将测量周期的框图基本相同。 用被测信号作为计数脉冲，时钟作为门控信号。 若T0=10-n秒，则fx=Nx，相差的仅是小数点的位置。 当被测信号的频率较低时，改测信号的周期。

  40. 三、用电子计数器测量相位 先测量两信号过零点对应的时间间隔T Nx 开门 放大 整形 控制门 计数 显示 放大 整形 关门 晶体 振荡器 分频器 再测量信号的周期 则两信号的相位差

  41. 四、电子计数器技术特性 • 计数频率上限：100MHz； • 灵敏度：100mV； • 误差： • 测量频率：1/fx T0； • 测量周期： T0/kTx ； k: 门控信号为测量周期的k倍。

  42. 微处理器化的数字仪器 适配器 多路 开关 采样 保持 A/D 转换 数据 处理 显示 输出 • 除传统的仪器特性要考虑外，还要考虑： • 自检； • 自校准； • 人机界面； • 接口； 例：谐波分析仪 闪变仪

  43. 微机 测量 模块1 测量 模块2 ... 总线 自动测试系统 早期的仪器除自身独自的功能外，另带接口 • RS-232C串行接口； • IEEE-488接口(GPIB接口)； VXI总线仪器系统

  44. 虚拟仪器(Virtual Instrumentation)的概念 现有的PC计算机 专门设计的仪器硬件 虚拟仪器 专门设计的仪器软件 • NI公司的硬件产品有： • 插入式数据采集产品； • 信号调理产品； • GPIB控制产品； • VXI控制产品；

  45. 测控对象 现 场 总 线 设 备 VXI 仪 器 串 行 口 仪 器 PLC GBIB 接口 仪器 信号 调理 图 象 采 集 DSP 数据 采集卡 DAQ GBIB 接口卡 • 测量与分析软件 • Lab View • VEE • Lab Windows/CVI • Virtual Bench IVI 其他 软件 • 工业自动化软件 • Bridge VIEW • Look out • Component PC机/工作站 虚 拟 仪 器 的 体 系 结 构

  46. LabVIEW是NI公司提供的图形开发调试和运行程序的LabVIEW是NI公司提供的图形开发调试和运行程序的 • 集成化编程环境。它是基于C语言用来进行数据采集、和 • 控制、数据分析和数据表达。 • LabVIEW的特点和功能： (1) 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面； (2) 使用图标表示功能模块，连线表示数据传递，用数据 流程图语言编写程序； (3) 提供调试功能； (4) 支持多种系统平台，提供大量函数库。 • VEE是HP公司提供的功能强大的可编程语言。可用于仪器 • 控制、测量处理和测试报告等日常编程任务。 • LabWindows/CVI是NI公司提供的另一套开发平台。它适用 • 于C/C++的虚拟仪器工具。

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