第4章 數(shù)字測量方法 v24

電子測量第4章數(shù)字測量方法

本章重點(diǎn)介紹數(shù)字化測量方法，其特點(diǎn)是將模擬量通過各種變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并以數(shù)字形式顯示。其核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，基本組成是直流數(shù)字電壓表(DVM)。

另外，本章也詳細(xì)地?cái)⑹隽艘詳?shù)字化方法測量頻率、周期、時(shí)間和相位等參數(shù)的基本工作原理、以及測量過程中可能產(chǎn)生測量誤差的原因和大小。數(shù)字電壓表

數(shù)字電壓表（DVM）是采用?！獢?shù)（A/D）轉(zhuǎn)換原理，將被測模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來的一種電子測量儀器。數(shù)字電壓表的種類：按精確度這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來劃分有，高精度(≤0.001％)、中精度(≤0.01%)、低精度（>0.01）。按測量速度這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來劃分有，高速的(幾百～幾萬次／s)、中速的(幾十～幾百次／s)、低速的(零點(diǎn)幾～十幾次／s)。按照數(shù)字顯示的位數(shù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來劃分，可分為3位數(shù)的、4位數(shù)的、5位數(shù)等等。最常用的區(qū)別方法是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理分類：數(shù)字電壓表

最常用的區(qū)別方法是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理分類：（1）直接式轉(zhuǎn)換數(shù)字電壓表基本原理是將被測電壓與已知的基準(zhǔn)電壓直接進(jìn)行比較，從而將被測電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，故又叫比較型數(shù)字電壓表。特點(diǎn)是測量精度高、速度快、但抗干擾能力差。數(shù)字電壓表

（2）積分型數(shù)字電壓表基本原理是利用積分原理將被測電壓首先轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。故積分型數(shù)字電壓表實(shí)質(zhì)上是將被測電壓與基準(zhǔn)電壓間接地進(jìn)行比較，故又叫間接比較型數(shù)字電壓表。特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、成本低，但測量速度較慢。（3）復(fù)合型數(shù)字電壓表基本原理是將比較型和積分型數(shù)字電壓表結(jié)合起來，各取其優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)用。特點(diǎn)成本較高，多用于高精度測量的場合。4.1電壓測量的數(shù)字化方法4.2直流數(shù)字電壓表4.3多用型數(shù)字電壓表4.4頻率的測量4.5時(shí)間的測量4.1電壓測量的數(shù)字化方法將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)字量，然后進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、顯示及打印等。數(shù)字化測量：轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4.1.1數(shù)字電壓表組成原理模擬部分和數(shù)字部分。輸入電路：對輸入電壓衰減/放大、變換等。核心部件：A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，簡稱ADC），實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字顯示器：顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果。邏輯控制電路：在統(tǒng)一時(shí)鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。一、DVM(DigitalVoltageMeter)的組成應(yīng)用范圍：直流或緩慢變化電壓信號(hào)的測量(采用高精度低速A/D轉(zhuǎn)換器)通過AC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構(gòu)成交流數(shù)字電壓表。通過電流-電壓、阻抗-電壓等變換，實(shí)現(xiàn)電流、阻抗等測量，進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。基于微處理器的智能化DVM稱為數(shù)字多用表（DMM，DigitalMulti-Meter）DMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數(shù)據(jù)處理能力（平均、方差計(jì)算等）和通信接口(如GPIB)而位（4位半）DVM，具有4位完整顯示位，1位非完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為19999二、主要性能指標(biāo)：1、顯示位數(shù)完整顯示位：能夠顯示0～9的數(shù)字。非完整顯示位(俗稱半位)：只能顯示0和1（在最高位上）。如4位DVM，具有4位完整顯示位，其最大顯示數(shù)字為9999如基本量程為10V的DVM，可擴(kuò)展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五檔量程；基本量程為2V或20V的DVM，可擴(kuò)展出200mV、2V、20V、200V、2000V等五檔量程。2、量程無衰減或放大時(shí)的輸入電壓范圍，由A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍確定。通過對輸入電壓（按10倍）放大或衰減，可擴(kuò)展不同的量程基本量程：擴(kuò)展量程：二、主要性能指標(biāo)：3、分辨力

指DVM能夠分辨最小電壓變化量的能力。反映了DVM靈敏度。用每個(gè)字對應(yīng)的電壓值來表示，即V/字。

例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為199.9mV，其分辨力為0.1mV/字。用百分?jǐn)?shù)表示，與量程無關(guān)，比較直觀。分辨率：如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力為0.1mV，則分辨率為：分辨率也可直接從顯示位數(shù)得到（與量程無關(guān)），如3位半的DVM，可顯示出1999，則分辨率為：二、主要性能指標(biāo)：當(dāng)輸入電壓變化0.1mV時(shí)，顯示的末尾數(shù)字將變化“1個(gè)字”

4、測量精度取決于DVM的固有誤差和使用時(shí)的附加誤差（溫度等）固有誤差表達(dá)式：示值（讀數(shù)）相對誤差為：固有誤差由兩部分構(gòu)成：讀數(shù)誤差和滿度誤差。讀數(shù)誤差與當(dāng)前讀數(shù)有關(guān)。主要包括DVM的刻度系數(shù)誤差和非線性誤差。滿度誤差與當(dāng)前讀數(shù)無關(guān)，只與選用的量程有關(guān)。二、主要性能指標(biāo)：有時(shí)將等效為“±n字”的電壓量表示，即如某臺(tái)31/2位半DVM，說明書給出基本量程為2V，=±（0.1%讀數(shù)+1字）“1字”的滿度誤差項(xiàng)與“0.05%”的表示是完全等價(jià)的.

當(dāng)被測量（讀數(shù)值）很小時(shí)，滿度誤差起主要作用，當(dāng)被測量較大時(shí)，讀數(shù)誤差起主要作用。為減小滿度誤差的影響，應(yīng)合理選擇量程，以使被測量大于滿量程的2/3以上。二、主要性能指標(biāo)：5、輸入阻抗輸入阻抗取決于輸入電路結(jié)構(gòu)（并與量程有關(guān)）。輸入阻抗（電阻和電容）宜越大越好，否則將影響測量精度。

對于直流DVM，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10MΩ～1000MΩ之間

對于交流DVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十～幾百pF之間。6、測量速度每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度一般低速高精度的DVM測量速度在幾次/秒～幾十次/秒二、主要性能指標(biāo)：7.抗干擾能力強(qiáng)(1)串模干擾串模抑制比串模抑制比：串模干擾電壓波形Usmp為串模干擾電壓的峰值，ΔUmax為由干擾電壓源Usm引起的最大顯示誤差。(2)共模干擾共模抑制比：Ucmp為共模干擾電壓的峰值，ΔUmax為由共模干擾引起的最大顯示誤差。數(shù)字電壓表（DVM）對模擬電壓表數(shù)字顯示準(zhǔn)確度高測量范圍分辨力高測量速度快輸入阻抗高抗干擾能力強(qiáng)4.1.2數(shù)字電壓表DVM的主要類型各類DVM的區(qū)別主要是A/D轉(zhuǎn)換方式比較型積分型比較型A/D轉(zhuǎn)換器是采用對輸入模擬電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的方法。積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接轉(zhuǎn)換形式。首先對輸入的模擬電壓通過積分器變成時(shí)間T或頻率f等中間量，再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。逐次比較型、并行比較型、快速流水線型雙積分型、三斜積分型、脈沖調(diào)寬（PWM）型、電壓-頻率（V-F）變換型等。一、逐次比較型DVM的工作原理將被測電壓和一可變的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種“對分搜索”的策略，逐步縮小Vx未知范圍的辦法?；驹恚褐鸫伪容^型DVM原理框圖一、逐次比較型DVM的工作原理

假設(shè)基準(zhǔn)電壓為Vr=10V，為便于對分搜索，將其分成一系列（相差一半）的不同的標(biāo)準(zhǔn)值。Vr可分解為：

若把Vr不斷細(xì)分（每次取上一次的一半）足夠小的量，便可無限逼近，當(dāng)只取有限項(xiàng)時(shí)，則項(xiàng)數(shù)決定了其逼近的程度。如只取前4項(xiàng)，則

其逼近的最大誤差為9.375V-10V=-0.625V，相當(dāng)于最后一項(xiàng)的值。

現(xiàn)假設(shè)有一被測電壓Vx＝8.5V，若用上面表示Vr的4項(xiàng)5V、2.5V、1.25V、0.625V來“湊試”逼近Vx，逼近過程如下：首先取5V項(xiàng)，由于5V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’1’再取2.5V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’11’再取1.25V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V+1.25V>8.5V，則應(yīng)去掉該項(xiàng)，記為數(shù)字’110’再取0.625V項(xiàng)，此時(shí)5V+2.5V+0.625V<8.5V，則保留該項(xiàng)，記為數(shù)字’1101’得到最后逼近結(jié)果:5V+2.5V+0.625V=8.125V

總結(jié)上面的逐次逼近過程可知，從大到小逐次取出Vr的各分項(xiàng)值，按照“大者去，小者留”的原則，直至得到最后逼近結(jié)果，其數(shù)字表示為’1101’

顯然，當(dāng)Vx＝(7.8125V～8.4375V)之間時(shí)，采用上面Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近的結(jié)果相同，均為8.125V，其誤差為:ΔVx＝(－0.3125V～＋0.3125V)，最大誤差限相當(dāng)于Vr最后一個(gè)分項(xiàng)的一半。上述逼近結(jié)果與Vx的誤差為8.125V－8.5V＝－0.375V。

上述逐次逼近比較過程表示了該類A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。它類似天平稱重的過程，Vr的各分項(xiàng)相當(dāng)于提供的有限“電子砝碼”，而Vx是被稱量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過程完全類同于稱重中的加減法碼的過程，而稱重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖最后的D/A轉(zhuǎn)換器輸出已最大限度逼近了Vx，且有N--A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，n--A/D位數(shù)，Vr--參考電壓，Vx--A/D輸入電壓上式還可寫成：Vx=eNe=Vr/2nA/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù),單位為“V/字”，表示了A/D轉(zhuǎn)換器的分辨力

如上面Vx＝8.5V，Vr＝10V，當(dāng)用Vr的4個(gè)分項(xiàng)逼近時(shí)（相當(dāng)于4位A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為N＝（1101）2＝13，即

單片集成逐次比較式ADC。常見的產(chǎn)品有8位的ADC0809，12位的ADC1210和16位的AD7805等TypesofA-DConverterSuccessiveApproximationConverter 逐次比較型

IntegratingConverter積分型Analoguein(Continuousfunction)A-DIntegratingtypeA-DconverterVoltage Time Digits電壓時(shí)間數(shù)字Digitalout(Discretefunction)Analoguetodigitalconversion積分RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2時(shí)鐘分頻器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器鎖存RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2ClockCircuitRamp&ComparatorCounterCircuitRelay繼電器RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2timetimetimeGCRelayClosedOpenOpenLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)CVrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2RelayClosedOpenOpenCVrampXVin+-Length=K*Vintimetime-+LatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)CVrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2+-YXCLength=K*Vin-+RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+Q0Q4Q3Q2Q1000000Numberofinputpulses=0Flip-flop翻轉(zhuǎn)CKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1100000Numberofinputpulses=0QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCK翻轉(zhuǎn)Q0Q4Q3Q2Q1010000Numberofinputpulses=1QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1110000Numberofinputpulses=1QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1000001Numberofinputpulses=2QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1100001Numberofinputpulses=2QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1010001Numberofinputpulses=3QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1110001Numberofinputpulses=3QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1000010Numberofinputpulses=4QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1100010Numberofinputpulses=4QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKQ0Q4Q3Q2Q1010010Numberofinputpulses=5QtoggleswhenCKfallshightolowCKCKCKCKCKRelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+LatchInputOutputEnableMemoryelement10InputOutputEnable10111LatchInputOutputEnable1001100LatchInputOutputEnable1011100LatchRelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2-+-+RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.510-+-+RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.510000001101-+-+RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q23.5101.02.013.03.5100000011010100011-+-+RelayClockGeneratorFrequencyDividerLatchLatchLatchLatchLatchMonostableQQQQQCKCKCKCKCKRESRESRESRESRESInput-VsGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ1Q5Q4Q3Q2timetimetimeGCRelayClosedOpenOpenSamplingtime采樣時(shí)間AnaloguetodigitalconversionAnaloguein(Continuousfunction)A-DRamptypeA-Dconverter……Voltage Time DigitsDigitalout(Discretefunction)Range范圍ofbinarynumbersMaximumvalueofnumber=2N-1N=Numberofdigits=NumberoflinesForN=2,maximumvalue=112=3ForN=8,maximumvalue=111111112 =255ForN=10,maxvalue=11111111112 =1023Designprinciple設(shè)計(jì)原理Maximuminputvoltage(analogue)correspondstoMaximumbinaryoutputvalue(digital)ActualbinaryoutputActualinputvoltageMaxbinaryoutputMaxinputvoltage=Actualbinaryoutput= Vin*(2N–1) VmaxExampleVoltmeter:8bits=8linesoutofA-DWheninput=10Vbinaryoutputismax.Forinput=4Vwhatisbinaryoutput?

A-DConverterExample1.DrawthewaveformsforVrampandthe voltagesatGandX,showingtime valuesclearly.2.Calculatethebinarynumberproduced onpinsQ0toQ9(tenbits).3.Whatisthemaximuminputvoltagefor whichtheconverterwilloperate correctly?RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+--+RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+--+GCVintimeVrampXRelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.5RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515RelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37msRelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37msRelayClock1.0MHzDivideby3000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=3.72V-10VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF1kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX3ms1.515tx.37msTrythefollowing:A-DConverterQuestion1.DrawthewaveformsforVrampandthe voltagesatGandX,showingtime valuesclearly.2.Calculatethebinarynumberproduced onpinsQ0toQ9(tenbits).3.Whatisthemaximuminputvoltagefor whichtheconverterwilloperate correctly?RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+--+RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms212RelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35msRelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35msRelayClock500kHzDivideby2000LatchLatchLatchMonostableQQQCKCKCKRESRESRESInput=8.1V-12VGNDG(Gate)C(Clock)VrampVinXYQ0Q9Q11mF2kW10FLIP-FLOPS+-GCVintimeVrampX4ms2tx1.35ms二、雙斜積分型DVM的工作原理二、雙積分型DVM的工作原理固定不變tt0u0t1u01Uomt2t3T1N1T2N2u02固定值若在數(shù)值上取UN=N1（mV），則：UX=N2（mV）雙積分式ADC特點(diǎn)：基于V-T變換的比較測量原理

一次測量包括3個(gè)連續(xù)過程，所需時(shí)間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測電壓Vx有關(guān)，Vx愈大T2愈大。一般轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十ms至幾百ms，（轉(zhuǎn)換速度為幾次/秒～幾十次/秒），其速度是較低的，常用于高精度慢速測量的場合。

積分器的R、C元件對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，因而對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。

參考電壓VN的精度和穩(wěn)定性對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精密基準(zhǔn)電壓源。（例如，一個(gè)16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率1LSB=1/216=1/65536≈15×10-6，那么，要求基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬分之15））比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時(shí)間分辨力（響應(yīng)帶寬）。

如一個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度時(shí)積分器輸出電壓為10V，則ADC的1LSB=10V/216=0.15mV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于0.15mV。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時(shí)響應(yīng)積分器輸出信號(hào)快速（斜率較陡峭）過零時(shí)的能力。積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力DVM的最大干擾來自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時(shí)間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號(hào)vsm的平均值為零。雙積分式ADC特點(diǎn)：三、U-F積分型DVM的工作原理被測電壓通過積分以后輸出一線性變化的電壓，控制一個(gè)振蕩器，產(chǎn)生與被測電壓成正比的頻率值，再用數(shù)字頻率計(jì)測出電路的頻率值。電壓-頻率（U-F）轉(zhuǎn)換器，由于其電路簡單，工作可靠，且測量的是輸入電壓的平均值，所以抑干擾能力強(qiáng)。電壓反饋式U-F轉(zhuǎn)換器的原理框圖U-F轉(zhuǎn)換電路組成原理框圖3.U-F轉(zhuǎn)換器實(shí)用電路(1)恢復(fù)型U-F轉(zhuǎn)換器(2)由單片集成電路構(gòu)成的10kHzU-F轉(zhuǎn)換器4.1.3DVM的測量誤差當(dāng)不在接近滿量程顯示時(shí)，誤差是很大的，為此，當(dāng)測量小電壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)用較小的量程。DigitalInstrumentsAnaloguevoltageSignalscalingA-DconversionDigitaldisplayTheDigitalVoltmeter數(shù)字電壓表數(shù)字顯示7-SegmentDisplays七段碼顯示7-SegmentDisplays七段碼顯示GND+CommonAnodeConnectionAnodes陽極+abcdefgGND+CommonCathodeConnectionCathodes陰極GNDabcdefgWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?IntegratedCircuitsSmallcurrentout(mA)Largecurrentin(mA)74008051單片機(jī)IntegratedCircuitsWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?5GND74008051單片機(jī)IntegratedCircuitsWhichisbetter?CommonAnodeorCommonCathode?0+74008051單片機(jī)CommonAnodeisusuallybetterNumbers0to9require4bitsUseaDecoder譯碼器tochangefrom4bitsto7lines0=000025=010129=100127-segmenthas7linesBinaryvalue譯碼器Binaryvalue000000000010Binaryvalue0111000111177segmentsdisplaysactuallyhave8segmentsDecimalpointLiquidCrystalDisplays(LCDs)液晶顯示器LCDDisplayModuleHitachiHD44780UController控制器RSRWEDataHD44780UcontrollerDisplay顯示module固體液晶液體Nematic向列態(tài)

liquidcrystalsMolecule分子V旋轉(zhuǎn)NematicliquidcrystalsTwistangleVoltage旋轉(zhuǎn)Polariser起偏振器Polariser起偏振器Transparentconductor透明導(dǎo)體TransparentconductorVLCDprincipleLighttransmission光傳播VoltageLight%LCDstructureGlass玻璃LiquidcrystalPolariserConductorsGlassRSRWEDataI/OpinsDB0-DB7RegisterSelectRead/WriteEnablepulseERWRSDB7DB08051mC=Microcontroller單片機(jī)Memoryaddresses內(nèi)存地址intheLCD(16x2type)Position10CursorAddress=4AhCommand04hDecrement減少addressShift移動(dòng)=OFFDereliCursorDirection光標(biāo)方向CursorDirection光標(biāo)方向Command05hDecrement減少addressShift移動(dòng)=ONHakanCommand06hIncrementaddressShift移動(dòng)=OFFDereliCursorDirection光標(biāo)方向Command07hIncrementaddressShift移動(dòng)=ONHakanCursorDirection光標(biāo)方向1.單片CMOS雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

7106,7107,7116,MC14433,71352.由A/D轉(zhuǎn)換器為主體構(gòu)成的數(shù)字電壓表4.2直流數(shù)字電壓表3位半數(shù)字電壓表原理框圖電路圖7106型A/D轉(zhuǎn)換器，采用異或門輸出，能驅(qū)動(dòng)液晶LCD，整機(jī)功耗小，成本低，缺點(diǎn)是顯示亮度較低，適宜制作袖珍式數(shù)字電壓表。原理圖時(shí)鐘脈沖發(fā)生器分頻器計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼器異或門相位驅(qū)動(dòng)器邏輯控制器LCD顯示器邏輯及驅(qū)動(dòng)電路圖液晶顯示器采用交流供電的方式雙積分式AD轉(zhuǎn)換器測量周期三個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零、信號(hào)積分、反向積分199.9邏輯控制器的作用：1.識(shí)別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換能循環(huán)進(jìn)行；2.識(shí)別輸入電壓的極性，同時(shí)控制LCD顯示器的負(fù)號(hào)顯示；3.當(dāng)輸入超量程時(shí)，使千位數(shù)顯示“1”，其他位上的數(shù)碼全部消隱。4.3多用型數(shù)字電壓表

數(shù)字萬用表和普通萬用表一樣，它的基本測量方法是以測直流電壓的DVM為基礎(chǔ)，通過各種參數(shù)變換器將其它參數(shù)變換為等效的直流電壓U，通過測量U的值來獲得所測參數(shù)的數(shù)值。多用型數(shù)字電壓表的轉(zhuǎn)換原理1．交流電壓－直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換器1．交流電壓－直流電壓(AC-DC)轉(zhuǎn)換器運(yùn)放式半波檢波原理框圖AC-DC變換電路原理圖2．精密全波整流電路精密全波檢波電路原理圖3．電阻－直流電壓轉(zhuǎn)換器（R-DCV)

對于純電阻，可用一個(gè)恒流源流過被測電阻，測量被測電阻兩端的電壓，即可得到被測電阻阻值。R-U轉(zhuǎn)換器電路原理圖不適合測小電阻R-U轉(zhuǎn)換器改進(jìn)電路原理圖是一個(gè)恒定電流，可以測小電阻I-U轉(zhuǎn)換器原理電路原理圖讓被測電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻，再用直流DVM測量電阻上的電壓。4．直流電流－直流電壓（I-U）轉(zhuǎn)換器4．直流電流－直流電壓（I-U）轉(zhuǎn)換器

基于歐姆定律，將被測電流通過已知的取樣電阻，測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。

為實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。

若采用的電壓量程為200mV，則通過量程開關(guān)選擇取樣電阻分別為1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可測量200μA、2mA、20mA、200mA、2A的滿量程電流。多用型數(shù)字電壓表的工作原理框圖二、數(shù)字電壓表的誤差分析DVM的整體誤差：包括固有誤差和附加誤差

讀數(shù)誤差與被測電壓大小有關(guān)，它包括轉(zhuǎn)換誤差（或稱為刻度誤差）和非線性誤差；1、固有誤差表示在一定測量條件下DVM本身所固有的誤差，它反映了DVM的性能指標(biāo)。

滿度誤差與被測電壓大小無關(guān)，主要由系統(tǒng)漂移引起。

指測量環(huán)境的變化（如溫度漂移）和測量條件（如被測電壓的等效信號(hào)源內(nèi)阻）所引起的測量誤差2、附加誤差由DVM輸入阻抗、輸入零電流及溫度漂移等引起。Rs為輸入電壓Vx的等效信號(hào)源內(nèi)阻，Ri和I0分別為DVM的等效輸入電阻和輸入零電流溫度漂移引起的附加誤差：℃或溫度系數(shù)ppm（百萬分之一）表示。[例]一臺(tái)3位半的DVM給出的精度為:±(0.1%讀數(shù)+1字)，如用該DVM的0～20VDC的基本量程分別測量5.00V和15.00V的電源電壓，試計(jì)算DVM測量的固有誤差。[解]首先，計(jì)算出“1字”對應(yīng)的滿度誤差在0～20V量程上，3位半的DVM對應(yīng)的刻度系數(shù)為0.01V/字，因而滿度誤差“1字”相當(dāng)于0.01V當(dāng)Vx=5.00V時(shí)，固有誤差和相對誤差分別為：ΔVx＝±(0.1%×5.00V＋0.01V)＝±0.015V當(dāng)Vx=15.00V時(shí)，固有誤差和相對誤差分別為：ΔVx＝±(0.1%×15.00V＋0.01V)＝±0.025V可見，被測電壓愈接近滿度電壓，測量的（相對）誤差愈小三、電壓測量的干擾及抑制技術(shù)

干擾是對有用被測信號(hào)的擾動(dòng)，特別是當(dāng)被測信號(hào)較?。ɑ蛭⑷酰r(shí)，干擾的影響顯得更為嚴(yán)重。

因此，必須提高電壓測量的抗干擾能力，特別是對于高分辨力高精度的數(shù)字電壓表更為重要。1、干擾的來源及分類串摸干擾和共摸干擾串摸干擾是指干擾信號(hào)以串聯(lián)疊加的形式對被測信號(hào)產(chǎn)生的干擾；共摸干擾是指干擾信號(hào)同時(shí)作用于DVM的兩個(gè)測量輸入端。串模干擾起因及特性：⑴可能來自于被測信號(hào)源本身（例如，直流穩(wěn)壓電源輸出就存在紋波干擾）；⑵也可能從測量引線感應(yīng)進(jìn)來的工頻（50Hz）或高頻干擾(如雷電或無線電發(fā)射引起的空中電磁干擾)。

就干擾源的頻率來說，可從直流、低頻到超高頻；干擾信號(hào)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（如瞬間的尖峰脈沖干擾），甚至完全是隨機(jī)的。各種干擾信號(hào)中，50Hz的工頻干擾是最主要的干擾源。

被測電壓本身就存在共模電壓（被測電壓是一個(gè)浮置電壓）。如測量一個(gè)直流電橋的輸出。

當(dāng)被測電壓與DVM相距較遠(yuǎn)，被測電壓與DVM的參考地電位不相等，將引起測量時(shí)的共模干擾。

共模干擾電壓也分直流電壓和交流電壓兩類。共模干擾電壓可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模干擾起因及特性：2、串模干擾的誤差分析以積分式DVM為例。設(shè)在被測電壓Vx上疊加有平均值為零的串模干擾信號(hào)un，即對輸入電壓定時(shí)(T1)積分結(jié)束時(shí)：tt0u0t1u01Uomt2t3T1N1T2N2為使=0， 由=0，==〉

由=0，==〉因此，只要滿足上面兩個(gè)條件之一，就可使=0

它們是串模干擾抑制的理論依據(jù)。串模抑制比（SMR）。用于定量表示DVM抑制串模干擾的能力。的最大值為：(Un為干擾信號(hào)的幅度)定義SMR：可見，SMR與干擾信號(hào)周期（頻率）有關(guān)。當(dāng)滿足T1=kTn（k為正整數(shù)）時(shí)，SMR=∞(干擾被完全抑制)；

當(dāng)T1一定時(shí)，若Tn愈小（干擾信號(hào)頻率愈高），則SMR愈大；反之，則SMR愈??；

因此，串模干擾的最大危險(xiǎn)在低頻，而50Hz的工頻干擾最為嚴(yán)重。3、共模干擾的抑制方法共模干擾電壓Ucm通過環(huán)路電流I1和I2同時(shí)作用于DVM的H、L端,但是他們對H、L端的影響量并不相等，從而造成測量誤差。因此，抑制共模干擾的基本原理是：(1)減小兩路環(huán)路電流；(2)或使共模干擾對H、L端的影響能互相削弱或抵消。Z1>>Z2由于，故

共模電壓為直流時(shí)（Z2表現(xiàn)為純電阻）,CMR較高;而當(dāng)共模電壓為交流時(shí)(有容抗的并聯(lián)作用，Z2比純電阻時(shí)減小),CMR會(huì)有所降低.3、共模干擾的抑制方法共模抑制比CMR：4.4頻率的測量時(shí)間和頻率的定義時(shí)間有兩個(gè)含義：“時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生；“時(shí)間間隔”：即某個(gè)時(shí)間相對于某一時(shí)刻持續(xù)了多久周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次頻率的定義：f＝N/T時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。4.4.1時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)天文時(shí)標(biāo)：世界時(shí)（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級。歷書時(shí)（ET）：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31556925.9747分之一為1秒。參考點(diǎn)為1900年1月1日0時(shí)（國際天文學(xué)會(huì)定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1×10－9

。于1960年第11屆國際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)?；谔煳挠^測的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測試計(jì)量中的不足：設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測時(shí)間長；準(zhǔn)確度有限。原子時(shí)標(biāo)（AT）原子（分子）在能級躍遷中將吸收(低能級到高能級)或輻射（高能級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。hfn-m=En-Em式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個(gè)能級，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。1967年10月，第13屆國際計(jì)量大會(huì)正式通過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級之間躍遷相對應(yīng)的輻射的9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。

秒的定義由天文標(biāo)準(zhǔn)過渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了4～5個(gè)量級，達(dá)5×10-14(相當(dāng)于62萬年±1秒)，并仍在提高。差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測周期法模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法頻率的測量方法可以分為：

各種測量方法有著不同的測量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。4.4.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率1、電子計(jì)數(shù)法測頻原理：頻率的定義：單位時(shí)間(1秒)內(nèi)周期性事件重復(fù)的次數(shù)，記為f。若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則該信號(hào)的頻率為：fx=N/T

因此，對頻率的測量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對被測信號(hào)重復(fù)變化的次數(shù)累加計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)值為N，根據(jù)定義可得到被測信號(hào)頻率值：fx=N/TT=NTx4.4.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率取樣時(shí)間基準(zhǔn)T的產(chǎn)生：一般選用頻率穩(wěn)定度良好的石英晶體諧振器來產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)．它在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度可以達(dá)到10-9量級。T=N0T0與門TxTTxTABCNfx或門TxTTxTfxBCNA這種測量方法又稱為門控計(jì)數(shù)法。

將被測的周期性信號(hào)經(jīng)過整形后形成的同周期的脈沖序列fx，通過一個(gè)“閘門”送入計(jì)數(shù)器，并由一個(gè)“門控”信號(hào)控制閘門的開啟（計(jì)數(shù)允許）與關(guān)閉（計(jì)數(shù)停止）。4.4.2電子計(jì)數(shù)法測量頻率TxuxuaubucTxTxTuxfxfc計(jì)數(shù)式頻率計(jì)組成框圖主要由：輸入電路、時(shí)基電路、計(jì)數(shù)顯示電路和控制電路4部分組成。電子計(jì)數(shù)器是指能完成頻率測量、時(shí)間測量、計(jì)數(shù)等功能的所有電子測量儀器的通稱。最基本的測量功能：測頻、測周和測時(shí)間間隔1.頻率測量原理頻率測量原理圖2.周期測量原理周期測量原理圖

由頻率測量表達(dá)式：fx=N/T，計(jì)數(shù)法測頻的誤差主要由兩項(xiàng)組成：即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)誤差和閘門時(shí)間誤差兩部分。據(jù)誤差傳遞公式，即:4.4.3電子計(jì)數(shù)法測量頻率誤差分析1、量化誤差(±1誤差):

由于主門開啟時(shí)刻的不同引起的計(jì)數(shù)值N多1個(gè)或少1個(gè)的±1誤差,是對頻率量化時(shí)帶來的誤差，故成為量化誤差或±1誤差。量化誤差分析:①②③④

可以看出，閘門時(shí)間相對誤差在數(shù)值上等于晶體振蕩器振蕩頻率的相對誤差，故稱標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差或時(shí)基誤差。

閘門時(shí)間T由內(nèi)部晶體振蕩器（標(biāo)準(zhǔn)頻率源）分頻后產(chǎn)生。因此，晶體振蕩器振蕩頻率的準(zhǔn)確度和測量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響測量結(jié)果。2閘門時(shí)間誤差(標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)3誤差表達(dá)式:[例]被測頻率fx＝1MHz，選擇閘門時(shí)間Ts＝1s，則由±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差(不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)為：若Ts增加為10s，則計(jì)數(shù)值增加10倍，相應(yīng)的測頻誤差也降低10倍，為±1×10－7，但測量時(shí)間將延長10倍。注意：該例中，當(dāng)選擇閘門時(shí)間Ts＝1s時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于±1×10－7（即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級），否則，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測量誤差中不能忽略。4結(jié)論：提高頻率測量精度的措施：⑴提高晶振頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以減少閘門時(shí)間誤差；⑵擴(kuò)大閘門時(shí)間T或倍頻被測信號(hào)以減少量化誤差；⑶被測信號(hào)頻率較低時(shí)，可采用測周期的方法測量。

但需注意：增大閘門時(shí)間將降低測量速度，并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無法顯示）。例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999，當(dāng)用T=1s的閘門測量fx=1MHz時(shí),應(yīng)顯示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,顯然溢出4.4.4用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測量頻率比據(jù)此，若要測量fA對fB的頻率比（假設(shè)fA>fB），只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時(shí)間內(nèi)對fA作周期計(jì)數(shù)即可。原理：實(shí)際上，頻率測量的比較測量原理就是一種頻率比的測量：fx對fs的頻率比。fA對fB分別由A、B兩通道輸入注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。提高頻率比的測量精度：擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。例如：以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門信號(hào)，則計(jì)數(shù)值為：,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍，相應(yīng)的測量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果，需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍（小數(shù)