[5]智能仪器原理及应用.ppt

第5章智能型电压测量仪 5 1智能型DVM的功能 技术指标及特点5 2智能型DVM的原理5 3智能型DMM原理及应用5 4电压表的使用思考题与习题 5 1智能型DVM的功能 技术指标及特点 5 1 1智能型DVM的结构智能型DVM是指以微处理器为核心的数字电压表 典型结构如图5 1所示 其中 专用微机部分包括微处理器芯片 存放仪器监控程序的存储器ROM和存放测量及运算数据的存储器RAM等 用于测量的输入输出设备有 输入电路 A D转换器 键盘 显示器及标准仪用接口等 仪器内部采用总线结构 外部设备与总线相连 图5 1智能DVM的典型结构 5 1 2智能型DVM的功能及主要技术指标采用微处理器后 仪器在外观 内部结构以及设计思想等方面都发生了重大的变化 智能型DVM不但具有测量功能 同时还具有很强的数据处理功能 这些数据处理功能是通过按不同的按键 输入相应的常数以及调用相应的处理程序来实现的 不同型号的智能型DVM设置的处理功能有所不同 相同的处理功能其表达方式也不一定相同 但一般可以用下列方式来表示 1 标定 Ax B R Ax B 5 1 式中 R 最后的显示结果 x 实际测量值 A B 由面板键盘输入的常数 利用这一功能 可将传感器输出的测量值直接用实际的单位来显示 实现了标度变换 2 相对误差 5 2 式中 n 由面板键盘输入的标称值 利用这一功能 可把测量结果与标称值的差值以百分率偏差的形式显示出来 适用于元件容差校验 3 极限 LMT 利用这一功能可以了解被测量是否超越预置极限的情况 使用前 应先通过面板键盘输入上极限值H和下极限值L 测量时 在显示测量值x的同时 还将显示标志H L或P 表明测量结果超上限 超下限或通过 4 最大 最小利用此项功能可以对一组测量值进行比较 求出其中的最大值和最小值并存储起来 在程序运行过程中一般只显示现行值 在设定的一组测量进行完毕之后 再显示这组数据中的最大和最小值 5 比例 式中 r 由面板键盘输入的参考量 比例是指一个量与另一个量之间的相互关系 这里提供有三种形式 第一种为简单比例 第二种为对数比 单位为dB 这是电学 声学常用的单位 第三种是将测量值平方后除以r 其用途之一就是用W或mW为单位直接显示负载电阻r上的功率 6 统计 利用此项功能 可以直接显示多次测量值的统计运算结果 常见的统计有平均值 方差值 标准差值 均方值等 智能型DVM一般都具有自动量程转换 自动零点调整 自动校准 自动诊断等功能 并配有标准接口 这些功能在前几章中已作过讨论 这里不再赘述 智能型DVM除具有上述的数据处理能力和一些独特的功能以外 还具有普通的DVM的各项技术指标 其中主要技术指标有7项 1 量程 为扩大测量范围 智能型DVM借助分压器和输入放大器分为若干个测量量程 其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程 2 位数 智能型DVM的位数是以完整的显示位 能够显示0 9这10个数码的显示位 来定义的 例如 最大显示数为9999 19999 11999的DVM称四位表 为区别起见 常常也把最大显示数为19999 11999的DVM称为位数字电压表 位数是表征DVM性能的一个最基本的参量 通常将高于5位数字的DVM称为高精度DVM 3 测量准确度 智能型DVM的测量准确度常用绝对误差的形式来表示 其表达式为 a Ux b Um 5 6 式中 a 误差的相对项系数 b 误差的固定项系数 Ux 测量电压的指示值 Um 测量电压的满度值 4 分辨率 分辨率即显示输入电压最小增量的能力 通常以显示器末位跳一个字所需输入的最小电压值来表示 分辨率与量程及位数有关 量程愈小 位数愈多 分辨率就愈高 DVM通常以其最小量程的分辨率来代表仪器的分辨率 例如 最小量程为1V的4位DVM的分辨率为100 V 5 输入阻抗Zi 输入阻抗Zi是指从DVM两个输入端看进去的等效电阻 输入阻抗愈高 由仪表引入的误差就愈小 同时仪器对被测电路的影响也就愈小 6 输入电流I0 输入电流I0是指以其内部产生并表现于输入端的电流 它的大小随温度和湿度的不同而变化 与被测信号的大小无关 其方向是随机的 这个电流将会通过信号源内阻建立一个附加的电压 以形成误差电压 所以输入电流愈小愈好 7 测量速率 测量速率以每秒的测量次数来表示 或者以每次测量所需的时间来表示 5 1 3智能型DVM的特点1 准确度高 由于DVM的测量准确度与量程有关 而智能型DVM能够根据被测信号的大小很容易地实现测量量程的转换 因而具有较高的测量准确度 此外 由于智能型DVM通常采用数字显示 其显示的位数较多 因此可使相对误差达到很小 加之智能型DVM的灵敏度也比较高 最高分辨率可达1 V 这些显然都是常规仪表无法达到的 所以智能型DVM在精密测量中是不可缺少的 2 数字显示 智能型DVM将测量结果以数字量形式直接显示 能保证读数清晰准确 从而消除了指针仪表的视觉误差 智能型DVM的位数是以完整的显示位 能够显示0 9这10个数码的显示位 来定义的 当需要进行高精度测量时 可方便地采用多位数字显示 3 测量速度快 由于没有指针惯性 因此智能型DVM完成一次测量的时间只需几到几十毫秒 甚至快达几十微秒 高质量的DVM具有自动判断极性 自动转换量程 自动校准 自动调零 自动处理数据等功能 特别适用于自动检测 4 输入阻抗高 一般智能型DVM的输入阻抗为10M 左右 最高可达104M 对被测电路的影响极小 5 便于实现测量自动化 由于智能型DVM通常以单片机作为仪表的核心控制部件 而且大多数单片机都具有双向可通信的串行口 因而 智能型DVM可以很方便地与其他仪器进行数据通信 以实现测量过程的自动化 5 1 4智能型DVM的分类 智能型DVM是利用模 数 A D 转换原理 将被测的模拟量转换成数字量 并将转换结果送入单片机进行分析 运算和处理 最终以数字形式显示出来的一种测量仪表 而各类智能型DVM的区别主要是模 数 A D 转换方式 A D转换包括对模拟量采样 再将采样值进行量化处理 然后通过编码实现转换的过程 因而 根据仪表内部使用A D转换器的转换原理的不同 可构成以下几种不同类型的智能型DVM 1 比较型DVM 比较型DVM把被测电压与基准电压进行比较 以获得被测电压的量值 这是一种直接转换方式 这种数字电压表的特点是测量精确度高 速度快 但抗干扰能力差 根据比较方式的不同 又分为反馈比较式和无反馈比较式 2 积分型DVM 积分型DVM是利用积分原理 首先把被测电压转换为与之成正比的中间量 时间或频率 再利用计数器测量该中间量 这是一种间接转换方式 根据中间量的不同 积分型DVM又分为电压 时间 U t 式和电压 频率 U f 式 这类数字电压表的特点是抗干扰能力强 成本低 但测量速度慢 3 复合型DVM 复合型DVM是将比较型和积分型结合起来的一类智能型DVM 它取上述两种类型的优点 兼顾精确度 速度和抗干扰能力 从而适用于高精确度的测量 5 2智能型DVM的原理 5 2 1输入电路 在图5 1所示的智能型DVM典型结构框图中 常常将输入电路和A D转换器两部分电路合称为模拟部分 DVM的许多技术指标都是由模拟部分来决定的 无论一台智能型DVM的功能有多么强大 其基本测量水平主要由模拟部分来决定 本节先讨论输入电路 输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程的转换 下面以图5 2所示的DATRON公司的1071智能型DVM输入电路为例 对输入电路的组成原理进行讨论 图5 21071智能型DVM的输入电路 1071智能型DVM输入电路主要由输入衰减器 输入放大器A1 有源滤波器 输入电流补偿以及自举电源等部分组成 有源滤波器是否接入由微处理器通过I O接口电路进行控制 该滤波器对50Hz的干扰有54dB的衰减 自举电源的参考点不是地 而是输入信号 从图5 2中可以看出 M32高阻抗缓冲放大器接在输入放大器的反相输入端 因此M32能精确地跟踪输入信号变化 从而控制M32的输出 M32的输出接另两个放大器的输入端 从而达到随输入信号变化而控制自举电源的输出端 产生一个浮动的 12V电压作为输入放大器的电源电压 这样 输入放大器工作点基本上不随输入信号的变化而变化 这对提高放大器的稳定性及抗共模干扰能力等性能是很有益处的 例如 输入电路通常采用二极管作过载保护 二极管跨接在输入端与零电位之间 其漏电流对输入阻抗有很大影响 若将二极管跨接在放大器输入端和自举电源公共零点上 由于公共零点随输入信号而浮动 因而消除了二极管漏电流的影响 保证了高输入阻抗 输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响 其补偿原理可以用图5 3 a 来说明 在自动补偿时 在输入端接入了一个10M 的电阻 输入电流 Ib在该电阻上产生的压降 经A D转换后存入到非易失性存储器内 作为输入电流的校正量 在正常测量时 微处理器根据校正量送出适当的数字到D A转换器 并经输入电流补偿电路产生一个与原来输入电流 Ib大小相等 方向相反的电流 Ib 使两者在放大器的输入端相互抵消 如图5 3 b 所示 这项措施可以使仪器的零输入电流减小到1pA 图5 3输入电流补偿电路原理框图 图5 4量程标定电路原理 输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路 如图5 4所示 S为继电器开关 控制100 1衰减器是否接入 V5 V10是场效应管模拟开关 控制放大器不同的增益 继电器开关S V5 V10在微机发出的控制信号的控制下 形成不同的通 断组合 构成0 1V 1V 10V 100V和1000V五个量程以及自动测试状态 各种组合分析如下 1 0 1V量程 V8 V6导通 放大电路被接成电压负反馈放大器 其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为 2 1V量程 V8 V10导通 此时放大电路被接成串联负反馈放大器 其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为 3 10V量程 7 V9导通 放大电路被接成跟随器 放大倍数为1 然后输出经分压 此时 4 100V量程 V8 V10导通 放大电路仍为串联负反馈放大器 同时继电器开关S吸合 使100 1衰减器接入 此时 5 1000V量程 继电器开关S吸合 使100 1衰减器接入 同时V7 V9导通 放大电路被接成跟随器 并使输出再经分压 此时 由上述计算可见 送入A D转换器的输入规范电压为0 3 16V 同时 由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源 因此0 1V 1V和10V三挡量程的输入电阻高达10000M 10V和1000V挡量程由于接入衰减器 输入阻抗降为10M 当V5 V6和V8导通 继电器开关S吸合时 电路组态为自测试状态 此时放大器的输出应为 3 12V 仪器在自诊断时测量该电压 并与存储的数值相比较 若两者之差在6 以内 即认为放大器工作正常 否则视为故障 必须排除 5 2 2智能型DVM中的A D转换技术 1 多斜积分式A D转换器多斜积分式A D转换器是在双积分式A D转换器的基础上发展起来的 双积分式A D转换器具有抗干扰性强的特点 在采用零点校准和增益校准的前提下 其转换精度也可以做得很高 但显著的不足之处是转换速度较慢 并且分辨率要求愈高 其转换速度也就愈慢 由于比较器带宽有限 因此不能简单地通过提高时钟频率来加快转换速度 如果采用软件计数 则时钟频率的提高更是有限度的 除此之外 双积分式A D转换器还存在着 零区 等问题 图5 5为多斜积分式A D转换器的转换波形图 图5 5多斜积分式A D转换器的转换波形图 a 三斜积分式 b 四斜积分式 采用三斜积分式A D转换器可以较好地改善转换速度慢这个弱点 它的转换速率分辨率乘积可以比传统双积分式A D转换器提高两个数量级以上 三斜积分式A D转换器的转换波形是将双积分式A D转换的反向积分阶段T2分为如图5 5 a 所示的T21和T22两部分 在T21期间 积分器对基准电压UR进行积分 放电速度较快 在T22期间 积分器改为对较小的基准电压UR 2m进行积分 放电速度较慢 在计数时 把计数器也分成两段进行计数 在T21期间 从计数器的高位 2m位 开始计数 设其计数值为N1 在T22期间 从计数器的低位 20位 开始计数 设其计数值为N2 则计数器中最后的读数为 N N1 2m N2 在一次测量过程中 积分器上电容器的充电电荷与放电电荷是平衡的 则 其中 将上式加以整理 可得 将上式进一步整理 可得三斜积分式A D转换器的基本关系式为 5 7 上式中 如果取m 7 时钟脉冲周期T0 120 s 基准电压UR 10V 并希望把12V被测电压变换为N 120000码读数时 由上式可以计算出T1 100ms 而传统的双积分式A D转换器在相同的条件下所需要的积分时间T1 15 36s 可见三斜积分式A D转换器可以使测量速度大幅度提高 图5 6示出了四斜积分式A D转换器的原理框图 积分器的输入端经6个开关分别与被测电压 各种基准电压和模拟地相接 由6个D触发器组成的输出口实施对这些开关的控制 微处理器通过执行输出指令将不同的数据送往该输出口 就可以使不同的开关接通或断开 图5 6四斜积分式A D转换器原理框图 图5 7示出了四斜积分式A D转换的控制流程图 首先接通开关S0 使积分器对被测电压Ux进行积分 接着进入延时程序 使S0接通时间达到准确的T1 100ms 这段时间为定时积分 图5 7四斜积分式A D转换控制流程图 2 脉冲调宽式A D转换器脉冲调宽式A D转换器是Solartron公司的专利 它也是在双积分式A D转换器的基础上发展起来的 脉冲调宽式A D转换器主要克服了双积分式A D转换器的不足之处 双积分式A D转换器的不足之处为 积分器输出斜波电压的线性度有限 使双积分式A D转换器的精度很难高于0 01 积分器式A D转换器采样是间断的 不能对被测信号进行连续监测 图5 8脉冲调宽式A D转换器原理框图 假定T1和T2分别代表在一个周期T内正负基准接入的时间 根据电荷平衡原理 则有 若R1 R2 则 5 8 5 2 3典型智能DVM产品介绍HG 1850DVM是在吸取了诸多智能型DVM某些特点的基础上 结合国内具体情况自行设计的产品 它采用了Intel8080ACPU 多斜积分式A D转换器 量程可以自动转换 最大显示数为112200 可用于测量10v 1000V的直流电压 主要性能技术指标见表5 1 表5 1HG 1850DVM主要性能技术指标 5 3智能型DMM的原理及应用 5 3 1智能型DMM的工作原理数字化多用表 DMM 是指除能测量直流电压外 同时还能测量交流电压 电流和电阻等参数的数字测量仪器 其组成框图见图5 9 图5 9智能型DMM框图 1 交 直流 AC DC 电压转换器1 平均值转换器 由于直流数字式电压表的读数与被测电压呈线性关系 因此要求同它配用的交 直流电压转换器也应具有线性转换特性 即其输出的直流电压值要与输入的被测交流电压成线性关系 为此 在数字多用表中常采用电子式线性检波器 这里只介绍过去常用的全波平均值线性检波器的工作原理 图5 10线性检波原理框图 在深度负反馈条件下 闭环放大倍数 5 9 式中 A1 A2分别是放大器和整流电路的传输系数 F是反馈网络的反馈系数 可见 当A1A2F 1时 Uo与Ui的关系只取决于反馈系数F 而与检波电路的传输性质基本无关 从而实现了线性化 图5 11是全波线性检波器的原理框图 图中运算放大器A1是输入级 用于提高灵敏度和转换量程 A2及V1 V2组成并联负反馈 A3组成有源低通滤波器 以减小输出纹波电压 已知被测电压为正弦波 则M点的电压也是正弦波 设 Um t Umsin t 当Um为负半周时 A2输出正电压 V2导通 V1截止 在R7上得到正半周电压 并通过R8送入A3滤波器的入口P点 同时经R5反馈至A2的输入端 当Um为正半周时 A2输出负电压 V1导通 在R6上的压降通过R4反馈至A2输入端 使得A2在整个周期内获得反馈电压 这时V2是截止的 R6上的压降不能加到N点 但是M点的正半周电压通过R10引至P点 实际上M点的负半周电压也送至P点 与前半周R7送来的正半周电压构成全波整流 经A3滤波后变成平滑的直流电压U0 从而实现了交流直流转换 图5 11全波线性检波器原理框图 2 真有效值转换器 现在高精度DMM很少再采用平均值转换器 而代之发展并广泛采用的是真有效值转换器 真有效值转换器输出的是直流电压 线性地正比于被测各种波形交流信号的有效值 基本上不受输入波形失真度的影响 真有效值转换器有热电式和运算式等几种形式 热电式具有精度高 频带宽的优点 但过载能力差 结构复杂 目前 高精度智能型DMM采用的主要是运算式 下面介绍运算式的原理 在数学上 有效值的概念与均方根值是同义词 可写成 5 10 图5 12直接运算式有效值转换器 隐含运算式的原理是根据直接运算式推演而来的 已知 则 5 11 由式 5 11 可见 隐含运算式只需一个平方器 除法器和一个积分滤波器连接成闭环系统 就能完成有效值的转换 2 直流电流 电压 I U 转换器实现电流 电压转换的基本方案是令被测电流Ix流经标准电阻RN 再用DVM测量电阻上的电压 即可实现I U转换 图5 13就是运放I U转换器原理框图 图5 13运放I U转换器原理框图 3 电阻 直流电压 R U 转换器这里仅介绍一种比较简单的转换电路 如图5 14所示 被测电阻Rx接在反馈回路上 标准电阻RN接在输入回路上 UR是基准电压 由图可知I UR RN 式中 UR 基准电压 RN 标准电阻 显然Uo与Rx成正比 从而实现了R U转换 改变RN即可改变量程 图5 14电阻 直流电压 R U 转换器 5 3 2典型智能DMM实例介绍 1 概述 1 基本型192表的操作功能 基本型192表的操作功能包括 1 前面板程序 192表的内部微处理器的程序可通过前面板进行操作使用 2 数据存储 通过前面板操作程序 可使基本型192表存储100个数据 并具有检测最大值 最小值的功能 3 多路输入 多路输入可使直流电压及欧姆测量端子同时引入 这为转换被测参数提供了方便 4 单按钮清零 将输入端子短接 在前面板上只需按一下清零键 包括传输线在内的测量回路的影响便可随时被消除 并且在切换到其他量程时 零位失调会自动再标定 不必再进行清零 2 基本型192表的其他功能扩充部件 除了基本的直流电压 欧姆的测量功能外 通过附加其他功能的扩充部件 基本型192表可以成为具备更多种参数测量功能的数字多用表 这些部件以选购件的形式提供 安装方便 它们包括 1 交流电压选择件 附加上交流电压选择件后 192表可具有测量10 V 1000V交流电压有效值的功能 3 电流选择件 附加电流选择件后 192表可测量1nA 2000mA的直流电流 若表中原已附加了交流电压选择件 电流选择件还可使192表测量10nA 2000mA的交流电流 4 IEEE488总线接口 附加IEEE488总线接口后 192表可通过该接口挂接到IEEE488总线上 成为远程控制系统的一部分 192表通过接口可向总线发送或从总线接收数据 还可提供状态输出及后面板外触发器接点 5 各种形状的探针 测线及分流器 应用这些附件 192表可方便地使用在各种检测场合 并可测量大电压及大电流等 2 192表的工作方式1 本地工作方式 在本地工作方式下 192表的显示分辨率被标定在位 被测量 如直流电压 交流电压及欧姆值 可由5路接线柱分别引入 用户可采用清零键 ZERO 消除包括引线在内的测量回路的附加影响 并通过功能按键选择所需要的测量功能 通过前面板中部的6个轻触按键可选择合适的量程 也可采用自动量程 按下AUTO键 进行测量 指示灯亮表示该键已被选择 5 3 2典型智能DMM实例介绍 1 概述192型智能数字多用表是一种具有自动量程的快速测量智能化仪表 其基本型192表具有直流电压及欧姆测量两种功能 整个192表的基准也设置在这两挡 192表的最高显示位数为位 最大显示值为1999999 六个整位加一个半位 但基本型被标定为位显示方式 直流电压的最低量程为0 2V 测量最高分辨率为1 V 最高可测直流电压为1200V 欧姆测量可采用二端测量法或四端测量法的任一种方式 最低量程为0 2k 最高分辨率为1m 最高量程为20M 在增加了某些扩充部件 如IEEE488接口 并使仪表工作在本地程序工作方式时 可使192表显示分辨率提高一位 显示位数增加到位 即直流电压和欧姆测量分辨率可分别提高到0 1 V及0 1m 1 基本型192表的操作功能 基本型192表的操作功能包括 1 前面板程序 192表的内部微处理器的程序可通过前面板进行操作使用 2 数据存储 通过前面板操作程序 可使基本型192表存储100个数据 并具有检测最大值 最小值的功能 3 多路输入 多路输入可使直流电压及欧姆测量端子同时引入 这为转换被测参数提供了方便 4 单按钮清零 将输入端子短接 在前面板上只需按一下清零键 包括传输线在内的测量回路的影响便可随时被消除 并且在切换到其他量程时 零位失调会自动再标定 不必再进行清零 2 基本型192表的其他功能扩充部件 除了基本的直流电压 欧姆的测量功能外 通过附加其他功能的扩充部件 基本型192表可以成为具备更多种参数测量功能的数字多用表 这些部件以选购件的形式提供 安装方便 它们包括 1 交流电压选择件 附加上交流电压选择件后 192表可具有测量10 V 1000V交流电压有效值的功能 2 真均方根值交流电压选择件 交流电压的均方根值 有效值 被定义为在相同的时间里产生相等能量的直流电压值 而真均方根值 或称真有效值 是指考虑了直流分量影响的交流电压有效值 因此 测量回路在直流耦合的情况下才能达到真有效值 而只有交流耦合输入的测量回路不会测得真有效值 由于真有效值与交流电压的波形无关 因此测量结果非常准确 当192表应用在对交流电压准确度要求较高的场合时 应附加真均方根值交流电压选择件 附加后 仪表便具有 交流 直流 的测量功能 3 电流选择件 附加电流选择件后 192表可测量1nA 2000mA的直流电流 若表中原已附加了交流电压选择件 电流选择件还可使192表测量10nA 2000mA的交流电流 4 IEEE488总线接口 附加IEEE488总线接口后 192表可通过该接口挂接到IEEE488总线上 成为远程控制系统的一部分 192表通过接口可向总线发送或从总线接收数据 还可提供状态输出及后面板外触发器接点 5 各种形状的探针 测线及分流器 应用这些附件 192表可方便地使用在各种检测场合 并可测量大电压及大电流等 2 192表的工作方式1 本地工作方式 在本地工作方式下 192表的显示分辨率被标定在位 被测量 如直流电压 交流电压及欧姆值 可由5路接线柱分别引入 用户可采用清零键 ZERO 消除包括引线在内的测量回路的附加影响 并通过功能按键选择所需要的测量功能 通过前面板中部的6个轻触按键可选择合适的量程 也可采用自动量程 按下AUTO键 进行测量 指示灯亮表示该键已被选择 2 本地程序工作方式 在该工作方式下 除可进行本地工作方式下的操作外 用户还可利用程序按键PRGM选择使用前面板程序 例如 用户可利用程序1 PROGRAM1 分辨率 将192表的显示标定在位 3 远程 系统 工作方式 在该方式下 192表需附加IEEE488接口选择部件 192表通过后面板的地址开关设置该接口相应的地址 并通过IEEE488接口连接器连接到IEEE488总线上 192表的显示分辨率取决于通过总线的对话速度 本地工作方式下的所有操作及本地程序工作方式下的部分操作可通过远程控制进行 根据IEEE488总线指示器的3种指示 即 Talk 讲 Listen 听 及 Remote 远控 用户可看出IEEE488总线工作于何种状态 3 工作原理 192表简化的原理框图如图5 15所示 由图中可见 192表在原理上大致可分为数字区和模拟区两个相互隔离的部分 这两部分是被光电隔离器及电源变压器隔离开的 这样使得数字表模拟区的低端 Lo 或公共输入端可处于任一电位 1200V之间 同时 数字电路的低端或公共端也可维持在相对机壳地30V以内的电位上 这使得192表与外部数字设备的接合大为简化 图5 15192表原理框图 1 模拟电路部分 1 多路控制器 多路控制器见图5 16 它的作用是将9个信号中的1个连接到输入放大器 电压或欧姆测量需将一系列信号送到输入放大器 并且在送入时是按一定顺序的 192表内的微处理机通过译码器控制着这种顺序 并决定着每一信号的开关时间间隔 图5 16输入多路控制器的原理框图 2 直流电压测量电路 直流电压的测量原理框图如图5 17所示 输入信号直接送入输入放大器 或者经过一个总阻值为10M 的100 1分压器后再送入 直流输入电压是否被衰减取决于所选用的量程 直流电压测量时 有3种信号需进行A D转换 即输入电压信号USIG 置零信号UZERO及标准参考信号UREF 每种信号的测量 转换 周期为16 6ms 见A D转换器 其数字量储存在存储器中并按下式计算显示读数值 图5 17直流电压测量原理框图 图5 18直流电压测量开关顺序 本地工作方式 在远程工作方式下 直流电压读数获得的方式稍有不同 在 点发工作方式 下 仪表始终不停地输入 数字量化及储存置零信号和参考信号 这一过程直到输入信号被数字量化 测量触发器发出触发信号为止 此时 微处理器便可立即计算结果 因此读数结果的获得比本地工作方式快得多 见图5 19 图5 19直流电压测量开关流程图 远程工作方式 3 电阻测量电路 对电阻测量电路来说 也需要4个输入 以使192表可根据比率计技术中的方法获得显示读数 所需要的4个输入分别是 欧姆参考高端 REFHi 欧姆参考低端 REFLo 欧姆探测高端 SENSEHi 欧姆探测低端 SENSELo 比率计技术是通过比较数字而得到它们之间比率关系的一种数学处理方法 在192表中 这个比率是电压比率 它是通过一个公共电流流过两个相互串联的电阻而产生的 电流同时流过大小已知的参考电阻和未知电阻 电流的大小可以通过测量已知参考电阻上的压降计算得到 一旦电流求出并且测出了未知电阻两端的压降 未知电阻值即可计算出 如图5 20所示 5个场效应开关管 V01 V02 V03 V06和V08 分别用以选择5个大小已知的参考电阻 每一参考电阻相应于一额定的欧姆量程 由场效应管选择的参考电阻阻值等于满量程电阻值的一半 例如 10k 的已知参考电阻用于20k 的量程挡 而100k 已知电阻用于200k 的量程挡 图5 20电阻测量原理框图 被选择的量程电阻 已知电阻 的压降出现在V10 欧姆参考高端 和V33 欧姆参考低端 未知电阻的压降出现在V34 欧姆探测高端 及V39 欧姆探测低端 400mV的欧姆量程电压源用于0 2k 的量程挡 4V电源用于其他的电阻量程挡 上面已提到过 欧姆测量需要4个输入信号 每个信号都被测量16 6ms 转换为数字量后储存在192表的微处理器中 最后微处理器利用下式计算测量结果 5 12 上式中 REFHi REFLo可看作已知电阻两端的压降 SENSEHi SENSELo可看作未知电阻两端的压降 欧姆测量的开关过程可见流程图5 21 在获取欧姆读数的过程中 出现在欧姆探测高端的电压首先被V34引入输入放大器 数字量化后储存到存储器中 接着 欧姆探测低端开关管V39 打开并进行与上述类似的操作 然后 欧姆参考低端的电压被处理并储存 最后 欧姆参考高端的输入被类似处理 当所有4个输入信号都获得后 微处理器将它们从存储器中取出 进行计算以得出精确的读数 并显示其结果 到此为止 测量引线电阻的影响还未加考虑 实际上 无论是二线法测量还是四线法测量 测量引线电阻都将影响到显示的数值 为了解释方便 将测量引线电阻标记为R1 R2 R3和R4 图5 21欧姆测量开关流程图 对于二线测量法来说 未知电阻Rx不与欧姆探测高端和探测低端相连 如图5 22所示 此时电流流过R1 Rx R4 因此经Rs得到的欧姆探测高 低端间的信号输入包括了引线电阻R1 R4上的压降 显示的读数将是R1 R4和Rx的阻值之和 图5 22两线法测电阻 对于四线测量法而言 欧姆探测端子也同时接到未知电阻Rx上 见图5 23 此时引线电阻的影响可计算如下 欧姆探测高 低端间的压降为 若所用测量引线相同 则 由于测量引线电阻很小 例如R1 R2 10 而Rs却很大 Rs 100k 因此上式右边第二项可忽略 即U探测 URx 图5 23四线法测电阻 4 交流电压测量电路 在进行交流电压测量时 交流电压选择件加于交流输入端子与输入放大器之间 见图5 24 交流选择件将交流输入电压转换为0 2V的直流电压 所不同于2V量程挡的是 根据被选择量程的不同 输入信号被衰减为1 10 1 100或1 1000 为了测量交流电压 需要有4个输入信号送到A D转换器中 每个信号被测量16 6ms 其数字量储存到存储器中 微处理机按照下式计算数值 式中 UACHi为交流电压选择件的输出 UACAUTOZERO为转换后的直流失调度 UREF为2V参考电压 UZERO为信号的失调电压 因为参考电压为2V 因此需乘系数2 图5 24交流电压测量原理框图 图5 25交流电压测量开关流程图 5 输入缓冲放大器 输入缓冲放大器 见图5 26 实际上就是前面所提到的输入放大器 它是一种同相 低噪声 高输入阻抗 对任一输入的增益可以为1也可以为10的放大器 它的输出可在 20V的直流范围内波动 由于以上特性非一个运算放大器所能达到 因此用两个运算放大器的组合来实现 其中一个具有高输入阻抗 低噪声特性 即A01 另一个具有较宽的输出电压范围 即A03 图中的另一个运算放大器就是多路控制中提到的自举电压放大器A02 它不仅起控制场效应开关管的作用 还在此被用作协调整个输入缓冲器的增益 在输入缓冲器中 为了使A03具有 20V的输出范围 除了要求缓冲器的增益为1外 对于0 2V 2V的量程挡 还要求缓冲器具有10倍的增益 当V19打开时 由A01和A03组合而成的放大器的等效电路如图5 27 a 所示 由图可见 Uo Ui 增益为1 图5 26输入缓冲放大器原理框图 图5 27由A01 A03组合而成的放大器等效电路 a V19开 b V17开 6 A D转换器 A D转换器的原理框图如图5 28所示 其工作波形如图5 29所示 在进行A D转换时 输入缓冲器的输出加到互导放大器上 互导放大器将输入电压转换为电流 并在需要时将电流送到积分器上 图5 28A D转换器原理框图 图5 29A D转换工作波形图 复合式A D转换器首先工作在电荷平衡 CB 状态 然后再以单斜率 SS 方式工作 当工作电源为50Hz交流电时 每个输入的采样时间选定为20ms 1 50 当工作电源为60Hz交流电时 选定为16 6ms 1 60 电源频率的判别由数字电路中的 电源频率检测器 来完成 这样选定采样时间 一方面使A D转换速度较快 另一方面可使采样时间为电源电压周期的整数倍 以便在积分器中将工频干扰电压很好地抑制掉 电荷平衡式工作状态 以下简称CB态 开始于 输入关闭 InputDisable 变为低电平之际 这发生在多路控制器中相应的输入开关管打开后 一段延迟时间结束时 该延迟时间是为了消除开关电压的耦合干扰 稳定输入信号由软件设定 不同的测量功能 其延迟时间的长短也不同 到此为止 ICB被接入了一个时钟周期 下一次被接入最快也要等一个周期之后 当输入电流Iin较小 在时钟脉冲正跳变前的半个周期内 U0上升不到A14A的门槛电平时 ICB被接入的时间比它要等的时间还要长 见图5 30 在每次Q2变高电平 ICB被接入时 一个计数器都要计算Q2的脉冲 Q2端接与非门变为负脉冲 因此 计算的脉冲数与输入电压 或电流 成正比 由于触发器A14A A14B相当于对时钟脉冲作了二分频 Q2产生的脉冲最快只能为时钟脉冲频率 480kHz 的一半 240kHz 因此 从 输入关闭 信号移走 到 输入关闭 信号回复前的16 6ms的电荷平衡状态时间内 计数器所能计得的最大数为 16 6ms 240kHz 4000个数 在电荷平衡工作状态的末尾 即ICB关闭后 输入关闭 信号回复前的一段时间 Iin使积分器的输出U0遗留一点正电平 因此 单斜率比较器 的输出也为正 直到U0过零时才改变状态 关断它所控制的开关 比较器的输出和数字电路产生的1ms脉冲的 与 产生 单斜率工作状态 信号 引入电流ISS ISS ICB 128 从 单斜率工作状态 信号产生 到单斜率比较器改变状态 U0过零 的时间里 一个频率为3 84MHz的时钟脉冲被计算 当U0过零时 ISS被关断 计数器停止计数 在SS态下获得的计数值仅仅是在CB态下获得的计数值的1 1024 因为若CB态采用像SS态下那样小的工作电流 计数时采用SS态那样高的频率 那么所得的计数值应为现计数值的1024倍 128 1 3 84MHz 480kHz 因此 微处理器将CB态的计数值乘以1024再加上SS态的计数值 便得到一个复合的数 最大可达4 1百万 该数值与输入电压的大小成正比 图5 30D触发器状态变化示意图 2 数字电路部分 数字电路部分除显示电路外 主要包括微处理器及有关的逻辑电路 它们为A D转换器的转换过程提供时序和控制 微处理器的附加功能还有控制前面板显示 执行前面板程序以及通过IEEE488接口发送与接收数据 信息等 5 4电压表的使用 5 4 1电压表选择的一般原则 不同的测量对象应当选用不同性能的电压