电子测量4第2部分

数字式电压表（DVM）利用模拟—数字（A/D）转换器，将模拟的被测电压量转换成数字量，然后利用十进制数字显示方式显示被测量数值。数字多用表（DMM）的框图5.13所示。AC-DC变换器I-DC变换器Ω-DC变换器数字电压表KVDCVACI图5.13数字多用表的框图测量范围包括显示的位数、量程的范围和是否具有超量程能力等。（1）显示位数位数是指能显示0~9共十个完整数码的显示器的位数。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能将0~9十个数码全部显示的位。（2）量程的范围DVM的量程范围包括基本量程和扩展量程。基本量程是测量误差最小的量程，它不经过衰减和放大器；扩展量程是采用输入衰减器和放大器来完成的，它的测量精度比基本量程的测量精度降低。（3）超量程能力1/2位和基本量程结合起来，说明DVM是否具有超量程能力。分辨率是指DVM能够显示的被测电压的最小变化值，即显示器末位跳动一个数字所需的电压值。在不同的量程上DVM的分辨率是不同的，在最小量程上，DVM具有最高分辨率。测量速率是指每秒钟对被测电压的测量次数，或一次测量全过程所需的时间。输入特性包括输入阻抗和零电流两个指标。直流测量时，DVM输入阻抗用Ri表示。量程不同，Ri也有差别，一般在10MΩ~1000MΩ之间。交流测量时，DVM输入阻抗用Ri和输入电容Ci的并联值表示，一般Ci在几十至几百皮法之间。采用共模抑制比和串模抑制比来表示DVM的抗干扰能力。一般共模干扰抑制比为（80~150）dB；串模抑制比为（50~90）dB。在DVM中抑制串模干扰的措施有两种，一是在DVM的输入端设置滤波器；二是从A/D转换原理上采用双积分电路可消除干扰。在DVM中抑制共模干扰主要采用输出端浮置的办法。DVM的固有测量误差主要是读数误差和满度误差，通常用测量的绝对误差表示。△U＝±（α％·Ux+β%·Um）（5-15）式中α——误差的相对项系数；β——误差的固定项系数；Ux——被测电压读数；Um——该量程的满度值。工作误差指在额定条件下的误差，通常也以绝对值形式给出。数字电压表的组成如图5.14所示。输入电路A/D变换器计数器显示器逻辑控制电路时钟信号发生电路被测信号数字部分模拟部分图5.14数字电压表的组成框图①电路组成框图如图5.15所示，逐次逼近比较式A/D转换器由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。D/A转换器逐次逼近寄存器SAR输出缓冲器逻辑控制电路+-A(MSB)(LSB)并行数字输出基准电压Vref模拟输入ux钟脉冲起始脉冲图5.15逐次逼近比较式A/D转换框图②工作原理逐次逼近比较式A/D变换是属于直接式A/D变换。其基本原理是用被测电压和一个可变的已知的电压（基准电压）进行比较，直至比较结果相等。达到测出被测电压值的目的。③工作特点（1）测量速度快。（2）测量精度取决于标准电阻和基准电压源的精度，还与D/A转换器的位数有关。（3）由于测量值对应于瞬时值，而不是平均值，所以抗串模干扰能力差。3）双积分式ADC基本原理：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。原理框图包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。主门计数器逻辑控制电路数字输出时钟S1S2CRVx-VrVr积分器比较器-+-+S1S2Vot0t1复零t2t3VoVomT1T2N1N2t积分波形计数器输入a.b.清零T0f0T011T0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~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Vr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））。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。模拟式电压表模拟直流电压表模拟交流电压表电子电压表放大－检波检波－放大峰值平均值有效值数字式多用表逐次逼近比较式双积分式电压测量的基本要求要求：(1)应有足够宽的频率范围(2)应有足够宽的电压测量范围(3)应有足够高的测量准确度(4)应有足够高的输入阻抗(5)应有足够高的抗干扰能力模拟式万用表的直流电压档由表头串联分压电阻组成，其输入电阻一般不太大，而且各量程档的内阻不同，在用模拟式万用表测量直流电压时，一定要注意表的内阻对被测电路的影响，否则将可能产生较大的测量误差。为了减小由于模拟式万用表内阻不够大而引起的测量误差，可用如图5.20所示的零示法。Vk50VE9Es图5.20零示法测量直流压交流电压表测量时将交流电压经过检波器转换成直流电压后再进行测量。①模拟式万用表测量交流电压模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。②数字式万用表测量交流电压不同型号表有不同的频率范围用示波器法测量交流电压与电压表法相比具有如下优点：（1）速度快。（2）能测量各种波形的电压。（3）能测量瞬时电压。（4）能同时测量直流电压和交流电压。5.5.3分贝的测量一、数学定义1.功率之比的对数——分贝(dB)2.电压比的对数3.绝对电平(1)功率电平dBm(2)电压电平dBV以600Ω电阻上消耗1mW的功率作为基准功率)(1lg10lg100mXXPdBmWPPPL)(775.0lg20VXUdBULXUPRLL600lg104.相对电平(1)相对功率电平dBm(2)电压电平dBV)(lg10dBPPLBAP))(()(lg20dBLLdBUULUBUABAU))((lg10lg1000dBLLPPPPPPLPBPABABAP电平的测量实际上也是电压的测量。电平量程的扩大实质上也是电压量程的扩大，电压量程扩大N倍时，电平增加20lgN。NNUULxxUlg20775.0lg20775.0lg20(5-22)0dB刻度相当于电压等于0.775V。当Ux0.775V时，测量所得dB值为正；当Ux0.775V时，测量所得dB值为负。二、电平与电压的关系三、分贝的测量方法和刻度四、分贝值的测量线性失真又称为频率失真，是由于器件内部电抗效应和外部电抗元件的存在，使得电路对同一信号中不同的频率分量的传输系数不同或相位移不同而引起的。线性失真一般采用频率特性来描述。非线性失真是由于器件的非线性引起的。两种失真的区别在于非线性失真使得电路的输出信号中产生了不同于输入信号的新的频率成分；线性失真则不会产生新的频率成分。非线性失真一般用非线性失真系数来描述。非线性失真系数，也称为失真度，可以衡量非线性失真的大小。定义为%100UUUU122322n＋＋＝(5-24)式中γ——失真度；U1——基波分量电压的有效值；U2、U3、Un——各次谐波分量的电压有效值。常先求非线性失真系数γ0，再算出失真度γ。γ0定义为被测信号中各次谐波电压有效值与被测信号电压有效值之比的百分数。%1002232221223220UUUUUUUnn(5-25)可以证明，与的关系为02001(5-26)①连接图如图5.21所示。被测设备失真度测量仪正弦信号发生器图5.21失真度测量仪器的连接②失真度测量仪的组成框图一个简单的失真度测试仪如图5.22所示。失真度测试仪由输入电路、带阻滤波器和电压表组成。输入电路带阻滤波器电压表标准电位器12被测信号图5.22简单的失真度仪测试仪用失真度测量仪测量非线性失真系数时应注意以下几点：①测量时，应最大限度地滤出基波成分。因此要反复调节带阻滤波电路中的调谐、微调和相位旋钮。②测量电路的非线性失真系数时，应在被测电路的通频带范围内选择多个频率测试点进行多次测试；最后取其中最大的一个非线性失真系数值作为被测电路的非线性失真系数。③如果测试用信号源输出信号的非线性失真系数不可忽略，则被测电路的实际非线性失真系数可近似等于被测电路输出信号的非线性失真系数减去其输入信号的非线性失真系数。④测量时，可用示波器进行监视，可以判断有无失真和有无干扰信号存在。对于一个放大器，如将其输入端短路，即在输入信号为零时，我们仍能从输出端测得交流电压，这就是噪声电压。噪声电压的测量方法主要有电压表法和示波器法。1．用交流电压表测量噪声电压由于噪声电压一般指有效值（均方值），因此可直接采用有效值电压表测量噪声电压的有效值的。2．用示波器测量噪声电压示波器的频带宽度很宽时，可以用来测量噪声电压，使用极其方便，尤其适合于测量噪声电压的峰-峰值。