数字电压表应用课件

大家好大家好 欢迎各位光临欢迎各位光临数字电压表的应用数字电压表的应用A/D转换器转换器 直流直流数字电压表及其功能扩展数字电压表及其功能扩展 概述概述随着半导体技术和计算机技术的发展，数字仪表迅速发展。随着半导体技术和计算机技术的发展，数字仪表迅速发展。概述概述 数字电压表是将被测对象离散化，数据处理后以数字形式显数字电压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。数字电压表在原理、结构、测量方法上完全不同于模示的仪表。数字电压表在原理、结构、测量方法上完全不同于模拟式仪表。拟式仪表。数字电压表的种类数字电压表的种类 数字电压表数字电压表(DVM)；数字电流表；数字电流表；数字电阻表；数字电阻表；数字功率表；数字功率表；数字电能表；数字电能表；数字电桥；数字电桥；数字温度表；数字温度表；数字转速表；数字转速表；数字位移表；数字位移表；数字多用表数字多用表(DMM)；校准器校准器(Calibrator)；直流电压参考直流电压参考(DCV Reference)；热电转换标准热电转换标准(Thermal Transfer Standard)题题1、数字电压表是将被数字电压表是将被测对象测对象离散化离散化，数据处，数据处理后以理后以数字形式数字形式显示的显示的仪表。仪表。一、一、数字电压表数字电压表的特点的特点 准确度高准确度高电压可达电压可达10-6数量级；一般的数量级；一般的DVM很容易达到很容易达到10-4输入阻抗高输入阻抗高DVMDVM的输入阻抗一般都达到的输入阻抗一般都达到100100兆欧；兆欧；测量范围宽测量范围宽灵敏度高灵敏度高DVMDVM的分辨率可达的分辨率可达0.010.01 V V；测量速度快测量速度快读数清晰，直观方便读数清晰，直观方便测量过程自动化测量过程自动化极性判断；量限切换；自动校零极性判断；量限切换；自动校零；可组成测试系统；可组成测试系统；结构复杂；结构复杂；成本高；成本高；线路复杂；线路复杂；专业维修专业维修；题题2：数字电压表的主要：数字电压表的主要特点准确度高，输入阻抗特点准确度高，输入阻抗高，测量范围宽，灵敏度高，测量范围宽，灵敏度高，测量速度快，读数清高，测量速度快，读数清晰直观。晰直观。二、数字仪表的发展过程二、数字仪表的发展过程1952：第一台：第一台DVM问世，电子管司服比较式；问世，电子管司服比较式；1956：电压：电压-时间时间(V/T)式；式；1961：全晶体管式逐次逼近比较式；：全晶体管式逐次逼近比较式；1966：双斜积分式。：双斜积分式。(1)数字化阶段数字化阶段5060年代中期，运用各种原理实现年代中期，运用各种原理实现A/D转换，转换，从而实现仪表数字化，显示位数从而实现仪表数字化，显示位数(2)高准确度阶段高准确度阶段复合型复合型A/D-C原理，显示位数达八位，原理，显示位数达八位，准确度百万分之几。准确度百万分之几。1971：三次采样积分式：三次采样积分式(日本日本TR6567)；1973：两次采样电感分压比较型：两次采样电感分压比较型(英国英国SM-215)；(3)智能化阶段智能化阶段内嵌内嵌 P 的的DVM，除完成原有，除完成原有DVM功能外，功能外，还能自校、自检，完成数据处理自动化和可还能自校、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。编程，通过标准接口组成自动测试系统。代表代表的产品有的产品有Fluke、Datron、Solartron等等公司的产品。公司的产品。三三、数字电压表的一般结构数字电压表的一般结构1.数字电压表的通用框图数字电压表的通用框图(P为脉冲数为脉冲数；V为直流电压为直流电压；)V/f-CV/T-CV/P-CT/P-C /T-Cx/f-Cx/V-Cx/P-C被测量被测量x(U,I,P,R,L,C.)被测频率被测频率被测相位被测相位频率计频率计计数器计数器存储器存储器译码器译码器显示器显示器被测量被测量直流电压直流电压频率频率V/F式式DVM；被测量被测量直流电压直流电压脉冲数码脉冲数码频率频率反馈比较式反馈比较式DVM仪表核心：直流电压的测量仪表核心：直流电压的测量被测量被测量直流电压直流电压时间间隔时间间隔V/T式式DVM；逻辑控制电路逻辑控制电路数字数字显示器显示器输入输入电路电路标准标准电压源电压源电子电子计数器计数器A/D转换转换输入输入模拟电路模拟电路数字电路数字电路输入电路输入电路包括衰减器、前置放大器、切换开关等。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。为增强电表功能，数字电路中还可包含微处理器。2.直流数字电压表框图直流数字电压表框图题题3：数字电压表输入电：数字电压表输入电路包括路包括衰减器、前置放大衰减器、前置放大器器、切换开关等、切换开关等中高档中高档DVMAC220V交流电源供电；交流电源供电；小型手持式小型手持式DMM电池供电电池供电 无电源线，提高了共、串模抑制比；无电源线，提高了共、串模抑制比；液晶显示，液晶显示，CMOS芯片保证了低功耗；芯片保证了低功耗；保证电能消耗；保证电能消耗；对便携性要求不高；对便携性要求不高；显示器的种类：显示器的种类：辉光数码管辉光数码管、荧光数码管荧光数码管、磷光体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；显示方式：十进制数码方式；分段式；分段式；矩阵式。矩阵式。3.数字电压表的电源数字电压表的电源4.数字电压表的显示数字电压表的显示题题4：数字电压表的：数字电压表的显示显示方式：方式：十进制数码方式；十进制数码方式；分段式；分段式；矩阵式。矩阵式。5.数字电压表的主要技术参数数字电压表的主要技术参数(1)测量范围和量程测量范围和量程(2)分辨力分辨力 指指DVM能够读取的被测电压的最小变化值，或显示器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。末位跳一个字所需的输入电压值。(3)抗干扰能力抗干扰能力 各量程的测量范围、误差大小；各量程的测量范围、误差大小；超量程能力；超量程能力；量程切换方式量程切换方式 多量程的划分多量程的划分 基本量程基本量程误差最小的量程误差最小的量程(被测量在表内被测量在表内 不经放大和衰减不经放大和衰减)；非基本量程非基本量程基本量程以外的量程；基本量程以外的量程；(4)输入阻抗输入阻抗 输入阻抗指输入阻抗指DVM在工作状态下，从输入端看进去的输入在工作状态下，从输入端看进去的输入电路的等效电阻。电路的等效电阻。DVM在基本量程的输入电阻可达在基本量程的输入电阻可达10G，对于非基本量程，对于非基本量程，由于使用了分压器，一般为由于使用了分压器，一般为10M 。(5)显示位数显示位数DVM的显示位数是以完整的显示数字的多少来确定的。的显示位数是以完整的显示数字的多少来确定的。000019993 位位;000089993 位位000099994位位(6)测量速度测量速度 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。转换速度和运放响应时间。(7)误差的表示误差的表示题题5：数字电压表的：数字电压表的测量测量速度指在单位时间内，速度指在单位时间内，仪表以规定的准确度完仪表以规定的准确度完成的最大测量次数。它成的最大测量次数。它主要取决于主要取决于A/D转换速度转换速度和运放响应时间。和运放响应时间。主要技术特性主要技术特性：量化误差；量化误差；模拟误差；模拟误差；偏移误差；偏移误差；增益误差；增益误差；非线性误差；非线性误差；转换时间；转换时间；偏移误差偏移误差增益误差增益误差非线性误差非线性误差 A/D转换器转换器分类分类：逐次逼近式；：逐次逼近式；间接式间接式：双斜积分式；双斜积分式；压频转换式；压频转换式；复合式；复合式；特点特点：直接比较式：转换速度快；直接比较式：转换速度快；抗干扰性差：抗干扰性差：间接式：转换速度慢；间接式：转换速度慢；抗干扰性强；抗干扰性强；题题6：数字表：数字表A/D转换器的转换器的分分类：类：逐次逼近式；逐次逼近式；间接式间接式：双斜积分式；双斜积分式；压频转换式；压频转换式；复合式；复合式；一一、逐次逼近式、逐次逼近式A/D转换器转换器输入电路输入电路标准标准电压源电压源比较器比较器输入输入脉冲分配器脉冲分配器译码显示器译码显示器数码寄存器数码寄存器D/A转换转换时钟时钟基于电位差计原理。基于电位差计原理。比较器：鉴别电压幅值比较器：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；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；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；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；基准电压源：用来作为基准电压的片内参考电压；AD574的单极性接法的单极性接法举例举例:AD574DIP28脚芯片，脚芯片，片内：片内：A/D转换；转换；转换控制；转换控制；时钟；时钟；总线接口；总线接口；技术指标：技术指标：12bits 非非线性误差：线性误差：1/2LSB;模拟输入范围：模拟输入范围：5V；10V；010V；020V；转换时间：转换时间：25 S；功耗：功耗：450mWAD574的应用电路的应用电路积积分分逻辑控制电路逻辑控制电路晶振晶振控制门控制门计数器计数器 VNVx进位进位复位复位门控门控显示显示比比较较定时积分阶段定时积分阶段定斜积分阶段定斜积分阶段由上两式得由上两式得0t1t2t2V0V0定时积分定时积分定斜积分定斜积分积分器输出电压积分器输出电压tT1T2二二、双斜积分式、双斜积分式A/D转换器转换器将将得得代入代入T0为晶振周期为晶振周期N1和和VN均为已知，因此，均为已知，因此，N2即反映了被测量即反映了被测量Vx的大小。的大小。特点特点：抗干扰能力强；抗干扰能力强；对积分元件的稳定性和准确度要求低；对积分元件的稳定性和准确度要求低；速度慢，一般速度慢，一般30次次/秒。秒。或或三三、脉宽调制、脉宽调制(PWM)积分式积分式A/D转换器转换器积积分分逻辑控制电路逻辑控制电路晶振晶振控制门控制门计数器计数器Vx进位进位复位复位门控门控显示显示比比较较节拍方波节拍方波基准基准分频分频 PWM式式A/D转换转换器是将输入电压调制器是将输入电压调制为脉冲宽度为脉冲宽度(V/T)。然后再对脉冲宽度计然后再对脉冲宽度计数。数。积分器的输入：被测电压积分器的输入：被测电压Vx、节拍方波、节拍方波 、基准电压、基准电压 积分器的输出与零电平比较，比较结果控制基准电压积分器的输出与零电平比较，比较结果控制基准电压 的的极性，从而电路组成一个不连续的负反馈系统。极性，从而电路组成一个不连续的负反馈系统。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，基准电压零，因此，基准电压+UR和和-UR 对应的时间宽度，决定于电压对应的时间宽度，决定于电压Ux的大小，即完成了的大小，即完成了 V/T 转换。转换。积分器输入电压积分器输入电压积分器各积分器各输入电压输入电压相加波形相加波形积分器积分器输出电压输出电压调宽脉冲调宽脉冲波形波形被测电压正比于被测电压正比于 T2-T1四、快速及高准确度四、快速及高准确度A/D转换器转换器1.三次积分三次积分A/D转换器转换器双斜积分双斜积分A/D-C缺点：速度慢。缺点：速度慢。改进：改进：对双斜积分式对双斜积分式A/D-C的对的对UN的反向积分分成一次粗积分的反向积分分成一次粗积分和一次精积分。和一次精积分。积积分分逻辑控制逻辑控制晶振晶振比比较较1比比较较2 t0 t1 期间，对期间，对Ux定时定时积分积分t1 t2 期间，对期间，对UN 定斜定斜积分积分，直到比较器直到比较器1动作，动作，此时积分器的输出此时积分器的输出积分器输出积分器输出定时时间定时时间 t1-t0由计数器低位溢出决定由计数器低位溢出决定显然显然 t=t3 时，积分器的输出为零。由此得时，积分器的输出为零。由此得 在时间在时间 t1 t2 期间内，仅计数器高位期间内，仅计数器高位工作，所计的脉冲数为工作，所计的脉冲数为在时间在时间 t2 t3 期间内，计数器低位、高位均工作，所计的脉冲数期间内，计数器低位、高位均工作，所计的脉冲数积分器输出积分器输出t2 t3 期间，对期间，对 定斜定斜积分积分，直到比较器直到比较器2动作，动作，此时积分器的输出此时积分器的输出将将 t1-t0、t2-t1、t3-t2 时代入上式，得时代入上式，得整理，得整理，得 对对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。的是缩短积分时间，并保证原有的准确度。对于对于14位的位的A/D-C，时钟频率时钟频率10MHz双斜积分式双斜积分式A/D-C：300次次/秒；秒；三次积分式三次积分式A/D-C：26000次次/秒。秒。速度提高了速度提高了85倍。倍。2.全并行比较式全并行比较式A/D转换器转换器并行二进制输出并行二进制输出转换逻辑转换逻辑 这是所有这是所有A/D-C最快的。最快的。转换时间仅受比较器上升时转换时间仅受比较器上升时间的限制。转换速度可以达间的限制。转换速度可以达到到0.1 S。当输出电压大于比较器当输出电压大于比较器的门限电压时，比较器的输的门限电压时，比较器的输出为出为“1”，否则输出，否则输出“0”。对于对于N位的位的A/D-C，需要需要2N个比较器。如十位个比较器。如十位A/D-C，需要有需要有1023个比较器。由此个比较器。由此严重限制了此种原理的严重限制了此种原理的A/D-C的位数。的位数。3 3位位A/D-C改进：串并行比较式改进：串并行比较式A/D转换器转换器3.余数再循环余数再循环(Recirculating Remainder)式式A/D转换器转换器基本思想：基本思想：用有限的用有限的N次次(如如N=5)来逐步逼近被测电压来逐步逼近被测电压Vx，每次得到每次得到的误差的误差(余数余数)进行放大，再做下一次比较。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，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，转换结果的分率打率打0.1 V，能满足能满足DVM的要求了。的要求了。一、由直流数字电压表扩展为数字多用表一、由直流数字电压表扩展为数字多用表 功功能能选选择择R/V转换转换I/V转换转换AC/DC转换转换输入输入直直流流电电压压量量程程选选择择A/D转换转换 与指针式万用表相似，数字多用表与指针式万用表相似，数字多用表(Digital Multi-Meter简写为简写为DMM)是在直流数字电压表的基础上扩展而成的。是在直流数字电压表的基础上扩展而成的。区别在于：区别在于：指针式字万用表指针式字万用表基本量测量基本量测量为直流电流为直流电流；表头表头为磁电系测量机构为磁电系测量机构数字多用表数字多用表基本量测量基本量测量为直流电压；为直流电压；表头表头为为A/D-CA/D-C为核心的数字表头为核心的数字表头。1.AC/DC转换电路转换电路平均值平均值或或设正弦信号设正弦信号u(t)=Umsin t，则则有效值有效值或或二、数字多用表的转换器二、数字多用表的转换器交流电压交流电压(或电流或电流)的特征参数的特征参数波形系数波形系数有效值与平均值之比称为波形系数。有效值与平均值之比称为波形系数。波峰系数波峰系数峰值与有效值之比称为波峰系数。峰值与有效值之比称为波峰系数。正弦波：正弦波：；方波：；方波：；三角波：；三角波：正弦波：正弦波：；方波：；方波：；三角波：；三角波：畸变系数畸变系数基波的有效值与总电压有效值之比。基波的有效值与总电压有效值之比。AC/DC转换电路有两种：转换电路有两种：(1)直流电压正比于交流电压的直流电压正比于交流电压的平均值平均值；较常见较常见 (2)直流电压正比于交流电压的直流电压正比于交流电压的有效值有效值；专门芯片实现专门芯片实现平均值平均值AC/DC转换电路转换电路MM半波整流电路半波整流电路全波桥式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。由于二极管的死区影响，无源二极管整流电路会出现误差。+运放运放二极管二极管有源整流有源整流题题7：AC/DC转换电路有两转换电路有两种：种：(1)直流电压正比于交直流电压正比于交流电压的流电压的平均值平均值；(2)直流电压正比于交直流电压正比于交流电压的流电压的有效值有效值；A1A2+-+-设设Af为运放为运放A1的闭环放大倍数，选的闭环放大倍数，选Af=2，则，则 当当ui(t)为正半周时，为正半周时，A1输出负电压，输出负电压，D1截止，截止，D2导通，导通，Ud得到得到ui(t)的的负半周电压；负半周电压；当当ui(t)为负半周时，为负半周时，A1输出正电压，输出正电压，D2截止，截止，D1导通，导通，R2 使使A1闭环，同时，闭环，同时，R7将将ui(t)的负半周电压送至的负半周电压送至d点，点，真有效值真有效值AC/DC转换电路转换电路 真有效值真有效值AC/DCAC/DC转换电路转换电路能将任意波形的交流电压转换成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。与之有效值成正比的直流电压。热电式热电式AC/DC转换器转换器 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。平方成正比而实现的。此法作成的此法作成的AC/DC转换器，频带转换器，频带2Hz100MHz，成本高。成本高。电子式电子式AC/DC转换器转换器由对数由对数/反对数电路构成乘法器实现。有单片集成电路出售。反对数电路构成乘法器实现。有单片集成电路出售。转换误差转换误差 0.05%。P采样计算法采样计算法2.I/V转换器转换器 把被测电流把被测电流Ix通过标准电阻通过标准电阻RN变换为电压变换为电压Ux，再用，再用DVM测量直流电压测量直流电压Ux，则，则DVM 为了减小转换器内阻，标准电为了减小转换器内阻，标准电阻阻RN的值一般选的较小，这样，直的值一般选的较小，这样，直流电压流电压Ux 一般不大，为了准确测量电流一般不大，为了准确测量电流Ix，需对电压，需对电压Ux进行放进行放大。采用高输入阻抗运放，以减小运放对大。采用高输入阻抗运放，以减小运放对 Ix的分流作用。的分流作用。A1+-A2+-电流较大时的电流较大时的I/VI/V转换电路转换电路电流较小时的电流较小时的I/VI/V转换电路转换电路3.R/V转换器转换器A1+-4.峰值电压测量峰值电压测量衰减器衰减器绝对值电路绝对值电路峰值保持电路峰值保持电路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，然后用直流为相应的直流电压，然后用直流DVM测量该电压大小。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。值记录下来的电路。峰值检波峰值检波-保持电路保持电路 工作前，电容工作前，电容C电压放电。在运放电压放电。在运放同相输入端加正向电压同相输入端加正向电压ux，D1导通，对导通，对C充电，并构成负反馈电路。充电，并构成负反馈电路。A+-当当ux达到极大值后开始降低，达到极大值后开始降低，D1立立即反偏而截止，运放开环，而使即反偏而截止，运放开环，而使 变负，变负，使可靠截止，而使可靠截止，而uo不变不变。D2 的作用是防止的作用是防止D1截止时运放的深度饱和，同时也减少截止时运放的深度饱和，同时也减少了了D1的反向电压。的反向电压。现现场场总总线线设设备备VXI仪仪器器串串行行口口仪仪器器PLC图图象象采采集集DSPGBIB接口接口仪器仪器GBIB接口卡接口卡信号信号调理调理数据数据采集卡采集卡DAQ工业自动化软件工业自动化软件 Bridge VIEW Look out Component 测量与分析软件测量与分析软件 Lab ViewVEE Lab Windows/CVIVirtual Bench IVI 其他其他软件软件PC机机/工作站工作站测控对象测控对象虚虚拟拟仪仪器器的的体体系系结结构构 谢谢大家谢谢大家