数字电压表

授课形式 授课日期 授课章节 名 称 讲授 授课时数 备案日期 2学时 第二章 电子电压表 数字电压表 1．掌握DVM的主要技术指标的定义和相关公式。 知识 目标 2．理解A/D转换器原理。 3．掌握数字电压表中的自动功能。 教学目的 和要求 能力 1．学会数字电压表的应用。 目标 2．通过学习，培养分析问题解决问题的能力、培养协作和互助能力。 教学重点 DVM的主要技术指标的定义和相关公式。 教学难点 A/D转换原理。 教学方法 使用教具 课外作业 引导法、分析法 习题、、、、、、 课后体会

教 学 过 程 及 教 学 内 容 新授课 A、复习 掌握三种模拟式交流电压表工作原理。 附 记 提问 B、新课 数字电压表DVM 数字电压表：直流数字电压表、交流数字电压表、数字万用表等（本章主要介绍直流数字电压表） 优点（与模拟相比）：精度高、测量速度快、输入阻抗高、读数准确、抗干扰能力和抗过载能力强、便于实现测量过程自动化等。 2.3.1 DVM的主要技术指标 1．测量范围（量程、显示位数和超量程能力） （1）量程 表示电压表所能测量的最小和最大电压范围。 讲解 基本量程：不经衰减器和输入放大器的量程（测量误差最小的量程）。 通常为1V或10 V，也有的为2 V或5 V。 （2）位数 表示数字电压表精密程度的参数。 完整位：能够显示0 ~ 9这十个数码的位。 四位数字电压表：最大显示数字为9 999和19 999的数字电压表。为 重点强调 典型例子 1了区别把19 999的数字电压表称为4位数字电压表。 2（3）超量程能力 指DVM所能测量的最大电压超过量值的能力，它是数字电压表的一个重要指标。是否有超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。 无超量程能力： ① 显示位数全是完整位的数字电压表。 ② 带有1位的数字电压表，按2 V、20 V、200 V分挡。 2有超量程能力： ① 带有1位并以1V、10 V、100 V分挡的数字电压表。 21② 5位的数字电压表，在10 V量程上，最大显示 9 V电压，允许有2100%的超量程。 教 学 过 程 及 教 学 内 容 附 记 ③如果数字电压表最大显示为59 999，称为43位的数字电压表。如4 量程按5 V、50 V、500 V分挡，则允许有20超量程。 2．分辨力 数字电压表能够显示输入电压最小变化值的能力，即显示器末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。 不同量程，分辨力不同。量程越小，分辨力越高。 3．测量误差（只讨论固有误差） 在基准条件下的误差： U(%Ux%Um) 强调公式的记忆 式中 Ux——被测电压读数； Um——该量程的满度值； ——误差的相对项系数； αUx——读数误差，随被测电压而变化； β——误差的固定项系数； βUm——满度误差，对于给定的量程，β Um是不变的。 有时满度误差又用与之相当的末位数字的跳变个数来表示，记为n个字，即在该量程上能够末位跳n个单位时的电压值恰好等于β４．输入电阻和输入偏置电流 输入电阻：比较高，一般不小于10 M，通常在基本量程时具有最大的输入电阻。 输入偏置电流：仪器内部产生的表现于输入端的电流，应尽力使该电流减小。 5．抗干扰特性 按干扰作用在仪器输入端的方式分为串模干扰和共模干扰。一般串模Um。 干扰抑制比可达50 ~ 90 dB,共模干扰抑制比可达80 ~ 150 dB。 6．测量速率 表示数字电压表每秒钟对被测电压的测量次数或一次测量所需要的时 间。测量速度主要取决于所使用的A/D转换器的转换速度。积分型速度低， 而比较型速度较快（测量速度越快，测量误差越大）。 2.3.2 A/D转换器原理 1．逐次比较式数字电压表 核心部件：逐次比较式A/D转换器（反馈比较式），其原理框图如下图所示。 教 学 过 程 及 教 学 内 容 附 记 结合图讲解 工作原理：用被测电压与标准电压（D/A转换器输出电压）进行比较， 并用比较结果控制D/A转换器的输入，使其输出电压大小向被测电压靠近，直到两者趋于相等为止。此时D/A转换器的输入量即为A/D转换输出数字量。 当Ux = V，Er = 16 V时，转换过程如下： （1）第一个时钟脉冲：比较寄存器最高位置“1”，即Q3 Q2 Q1 Q0 = 1000， U01Er8VUX 2（2）第二个时钟脉冲：比较寄存器最高位复位。其下一位（次高位）1被置“1”， Q3 Q2 Q1 Q0 =0100 ，U0Er4V，这时，由于U0 ＜UX，比4较器输出为高电平。 （3）第三个时钟脉冲：比较寄存器的第三位被置“1”，Q3 Q2 Q1 Q0 = 0110， 11U0()Er6V 48由于U0＞Ux，比较器输出又为低电平。 （4）根据同样分析，可得比较寄存器最低位为“1”。最后比较器为0101， 此即为A/D转换器输出的数字量。 量化误差：由于D/A转换器输出的标准电压是量化的，因此最后转换 得结果为5 V ，比实际值低 V，这就是A/D转换的量化误差，减小量化误差的方法是增加比较次数，即增加逐次比较式A/D转换器的位数。 逐次比较式A/D转换器的准确度与基准电压、D/A转换器和比较器的漂 移有关。测量速度由时钟和转换器的位数决定，与输入电压的大小无关。 2．双积分式数字电压表 核心部件：双积分式A/D转换器（间接式）。 转换原理：在一个测量周期内，先对Ux定时积分，再对Er定值积分。 教 学 过 程 及 教 学 内 容 附 记 通过两次积分的比较，将Ux变换成与之成正比的时间间隔，然后在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数。故这种A/D转换属U—T转换。 双积分式A/D转换器原理框图如下图所示。它主要由基准电压、模拟开关（S1、S2、S3、S4）、积分器、零电平比较器、控制逻辑电路、时钟脉冲发生器和计数、寄存、译码、显示器等部分组成。 结合图讲解 （1）准备阶段（t0 ~ t1）：在t0时刻，将S4接通，S1~S3断开。积 分器输入电压为零，输出也为零。计数器复零，电路处于休止状态。 （2）采样阶段（t1 ~ t2）：在t1时刻，S1接通，S2 ~ S4 断开。积分器对Ux积分。经过一个固定时间T1（T1为 = t2－t1）后，积分器的输出电压 1t2U01Uxdt t1RC  T11t2TUxdt1Ux （） RCT1RC可见，在t2时刻积分器的输出电压与Ux在T1时间内的平均值成正比。 （3）比较阶段（t2 ~ t3）在t2时刻，S1断开，S2（或S3）接通。积分器对Er进行定值反向积分，积分器从Uo1逐渐趋于零。在t3时刻，积分器 输出电压U0 = 0，零电平比较器发生翻转，该翻转信号经控制逻辑电路使S2（或S3）断开，积分器停止积分。此时有 0Uo11t3(Ex)dt RCt2Uo1Er(t3t2) （） RC 令T2 = t3－t2将（）代入（）式，得 T2T1Ux Er上式表明T2与Ux成正比。 教 学 过 程 及 教 学 内 容 附 记 如果在T1期间对时钟脉冲的计数值为N1，在T2期间对时钟的计数为N2根据上式可得 NN21Ux Er 所以Ux式中eErN2eN2。 N1Er称为双积分式A/D转换器灵敏度，单位是mV/字。对于确定的数N1字电压表，e为定值，所以，根据比较阶段中计数值N2可以读出被测电压值。 这种A/D转换器主要取决于标准电压Er的准确度和稳定度，而与积分器的参数（R、C等）基本无关，因而准确度高，且对脉冲源频率准确度要求不高。抗干扰能力强，但转换速度较低。 2.3.3 数字电压表中的自动功能 1．自动校零 由于仪器内部零件的零点偏移及其温漂，使零输入时也有输出读数，产生测量误差。消除这种误差的方法是自动校零。下图给出可用于双积分式数字电压表中自动调零硬件的实例。 零点补偿： （1）比较器的输出通过分压器R1和R2把失调电压反馈到积分器的同相输入端。 （2）测量之前，逻辑控制电路将开关S4、S5、S6闭合50 ms，电容 Cf两端的充电电压反映包括放大器、积分器和比较器在内的整个系统的失调 电压，这个失调电压（即零点误差）存储在电容上，以便在测量阶段结束时用来补偿测量系统的零点偏移。 教 学 过 程 及 教 学 内 容 附 记 2．自动转换量程 仅具有降量程功能的数字电压表：每次测量都从最高量程开始，如果 详细内容由显示值小于满量程的10 %（也有的规定为5 %），则发出转换量程的指令，学生自己阅使数字电压表自动降至下一个量程。 读 兼有升量程功能的数字电压表：则可利用溢出信号作为升量程的指令。 对于双积分式A/D转换器， N2的最大值由数字电压表的满量程值及灵敏度 决定。如果在比较阶段T2计数器产生溢出信号，即可将该信号作为升量程指令，还可以将N2送至比较电路，与降量程额定值进行比较，如果小于额定值则由比较器产生降量程指令。 2.3.4 典型产品介绍 DS－14—1型滞留数字电压表是一种典型的双积分式电压表。 小结：1．数字电压表：直流数字电压表、交流数字电压表、数字万用表。 2．基本量程：不经衰减器和输入放大器的量程（测量误差的最小的量程）。通常为1 V或10 V，也有的为2 V或5 V。 3．超量程能力 指DVM所能测量的最大电压超过量值的能力，它是数字电压表的一个重要指标。是否有超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。 4．分辨力：数字电压表能够显示输入电压最小变化值得能力，即显示其末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。 5．测量误差（只讨论固有误差）U(%Ux%Um)。 6．A/D转换器原理。 7．数字电压表中的自动功能：自动校零、自动转换量程。 布置作业：习题、、、、、、