電子測量4第2部分

5.4數字式多用表數字式電壓表（DVM）利用模擬—數字（A/D）轉換器，將模擬的被測電壓量轉換成數字量，然后利用十進制數字顯示方式顯示被測量數值。數字多用表（DMM）的框圖5.13所示。圖5.13數字多用表的框圖5.4.1數字電壓表的分類1.斜坡式數字電壓表2.雙積分式數字電壓表3.比較式數字電壓表4.復合式數字電壓表5.4.2數字電壓表的主要技術指標1.測量范圍測量范圍包括顯示的位數、量程的范圍和是否具有超量程能力等。（1）顯示位數位數是指能顯示0~9共十個完整數碼的顯示器的位數。其中1/2位，指的是最高位只能取“1”或“0”，不能將0~9十個數碼全部顯示的位。（2）量程的范圍

DVM的量程范圍包括基本量程和擴展量程。基本量程是測量誤差最小的量程，它不經過衰減和放大器；擴展量程是采用輸入衰減器和放大器來完成的，它的測量精度比基本量程的測量精度降低。

（3）超量程能力

1/2位和基本量程結合起來，說明DVM是否具有超量程能力。2.分辨率分辨率是指DVM能夠顯示的被測電壓的最小變化值，即顯示器末位跳動一個數字所需的電壓值。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。3.測量速率測量速率是指每秒鐘對被測電壓的測量次數，或一次測量全過程所需的時間。4.輸入特性

輸入特性包括輸入阻抗和零電流兩個指標。

直流測量時，DVM輸入阻抗用Ri表示。量程不同，Ri也有差別，一般在10MΩ~1000MΩ之間。交流測量時，DVM輸入阻抗用Ri和輸入電容Ci的并聯值表示，一般Ci在幾十至幾百皮法之間。

采用共模抑制比和串模抑制比來表示DVM的抗干擾能力。一般共模干擾抑制比為（80~150）dB；串模抑制比為（50~90）dB。在DVM中抑制串模干擾的措施有兩種，一是在DVM的輸入端設置濾波器；二是從A/D轉換原理上采用雙積分電路可消除干擾。在DVM中抑制共模干擾主要采用輸出端浮置的辦法。

6.固有誤差和工作誤差

DVM的固有測量誤差主要是讀數誤差和滿度誤差，通常用測量的絕對誤差表示。

△U＝±（α％·Ux+β%·Um）（5-15）式中α——誤差的相對項系數；

β——誤差的固定項系數；

Ux——被測電壓讀數；

Um——該量程的滿度值。工作誤差指在額定條件下的誤差，通常也以絕對值形式給出。5.4.3數字電壓表的工作原理1.數字電壓表的組成數字電壓表的組成如圖5.14所示。被測信號數字部分模擬部分圖5.14數字電壓表的組成框圖2.逐次逼近比較式DVM的基本原理

①電路組成框圖如圖5.15所示，逐次逼近比較式A/D轉換器由電壓比較器、D/A轉換器、逐次逼近寄存器（SAR）、邏輯控制電路和輸出緩沖器等部分組成。(MSB)(LSB)｝并行數字輸出基準電壓Vref模擬輸入ux鐘脈沖起始脈沖圖5.15逐次逼近比較式A/D轉換框圖

②工作原理逐次逼近比較式A/D變換是屬于直接式A/D變換。其基本原理是用被測電壓和一個可變的已知的電壓（基準電壓）進行比較，直至比較結果相等。達到測出被測電壓值的目的。

③工作特點

（1）測量速度快。（2）測量精度取決于標準電阻和基準電壓源的精度，還與D/A轉換器的位數有關。（3）由于測量值對應于瞬時值，而不是平均值，所以抗串模干擾能力差。3）雙積分式ADC

基本原理：通過兩次積分過程(“對被測電壓的定時積分和對參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測電壓值。原理框圖包括積分器、過零比較器、計數器及邏輯控制電路。雙積分式ADC特點：基于V-T變換的比較測量原理。一次測量包括3個連續(xù)過程，所需時間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測電壓Vx有關，Vx愈大T2愈大。一般轉換時間在幾十ms~幾百ms，（轉換速度為幾次/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轉換結果不會產生影響，因而對元件參數的精度和穩(wěn)定性要求不高。參考電壓Vr的精度和穩(wěn)定性對A/D轉換結果有影響，一般需采用精密基準電壓源。（例如，一個16bit的A/D轉換器，其分辨率1LSB=1/216=1/65536≈15×10-6，那么，要求基準電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬分之15））。積分器響應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50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時間為20ms的整倍數，則干擾信號vsm的平均值為零。模擬式電壓表模擬直流電壓表模擬交流電壓表電子電壓表放大－檢波檢波－放大峰值平均值有效值數字式多用表逐次逼近比較式雙積分式5.5電壓測量電壓測量的基本要求要求：(1)應有足夠寬的頻率范圍

(2)應有足夠寬的電壓測量范圍

(3)應有足夠高的測量準確度

(4)應有足夠高的輸入阻抗

(5)應有足夠高的抗干擾能力5.5.1直流電壓的測量1.用數字式萬用表測量直流電壓2.用模擬式萬用表測量直流電壓模擬式萬用表的直流電壓檔由表頭串聯分壓電阻組成，其輸入電阻一般不太大，而且各量程檔的內阻不同，在用模擬式萬用表測量直流電壓時，一定要注意表的內阻對被測電路的影響，否則將可能產生較大的測量誤差。3.用零示法測量直流電壓為了減小由于模擬式萬用表內阻不夠大而引起的測量誤差，可用如圖5.20所示的零示法。圖5.20零示法測量直流壓5.用電子電壓表測量直流電壓6.用示波器測量直流電壓4.微差法測量直流電壓7.含交流成分的直流電壓的測量5.5.2交流電壓的測量1.交流電壓表法交流電壓表測量時將交流電壓經過檢波器轉換成直流電壓后再進行測量。①模擬式萬用表測量交流電壓模擬式萬用表測量交流電壓的頻率范圍較小，一般只能測量頻率在1kHz以下的交流電壓。②數字式萬用表測量交流電壓不同型號表有不同的頻率范圍

用示波器法測量交流電壓與電壓表法相比具有如下優(yōu)點：（1）速度快。（2）能測量各種波形的電壓。（3）能測量瞬時電壓。（4）能同時測量直流電壓和交流電壓。2.示波器測量交流電壓5.5.3分貝的測量一、數學定義1.功率之比的對數——分貝(dB)2.電壓比的對數3.絕對電平(1)功率電平dBm(2)電壓電平dBV以600Ω電阻上消耗1mW的功率作為基準功率4.相對電平(1)相對功率電平dBm(2)電壓電平dBV

電平的測量實際上也是電壓的測量。電平量程的擴大實質上也是電壓量程的擴大，電壓量程擴大N倍時，電平增加20lgN。(5-22)

0dB刻度相當于電壓等于0.775V。當Ux>0.775V時，測量所得dB值為正；當Ux<0.775V時，測量所得dB值為負。二、電平與電壓的關系三、

分貝的測量方法和刻度四、分貝值的測量5.5.4失真度的測量1.非線性失真和線性失真

線性失真又稱為頻率失真，是由于器件內部電抗效應和外部電抗元件的存在，使得電路對同一信號中不同的頻率分量的傳輸系數不同或相位移不同而引起的。

線性失真一般采用頻率特性來描述。

非線性失真是由于器件的非線性引起的。兩種失真的區(qū)別在于非線性失真使得電路的輸出信號中產生了不同于輸入信號的新的頻率成分；線性失真則不會產生新的頻率成分。非線性失真一般用非線性失真系數來描述。2.非線性失真系數的定義非線性失真系數，也稱為失真度，可以衡量非線性失真的大小。定義為

(5-24)式中γ——失真度；

U1——基波分量電壓的有效值；

U2、U3、Un——各次諧波分量的電壓有效值。常先求非線性失真系數γ0，再算出失真度γ。γ0定義為被測信號中各次諧波電壓有效值與被測信號電壓有效值之比的百分數。(5-25)

可以證明，與的關系為

(5-26)

3.抑制基波法測量非線性失真①連接圖如圖5.21所示。圖5.21失真度測量儀器的連接②失真度測量儀的組成框圖一個簡單的失真度測試儀如圖5.22所示。失真度測試儀由輸入電路、帶阻濾波器和電壓表組成。圖5.22簡單的失真度儀測試儀4.測量注意事項用失真度測量儀測量非線性失真系數時應注意以下幾點：

①測量時，應最大限度地濾出基波成分。因此要反復調節(jié)帶阻濾波電路中的調諧、微調和相位旋鈕。

②測量電路的非線性失真系數時，應在被測電路的通頻帶范圍內選擇多個頻率測試點進行多次測試；最后取其中最大的一個非線性失真系數值作為被測電路的非線性失真系數。

③如果測試用信號源輸出信號的非線性失真系數不可忽略，則被測電路的實際非線性失真系數可近似等于被測電路輸出信號的非線性失真系數減去其輸入信號的非線性失真系數。

④測量時，可用示波器進行監(jiān)視，可以判斷有無失真和有無干擾