电气测量技术第五章

1、电气测量技术1 第五章 数字化电测仪表 5.1 概述 5.2 频率、周期的数字化测量 5.3 相位的数字化测量 5.4 电压的数字化测量 5.5 电阻、电容的数字化测量 5.6 电功率的数字化测量 5.7 作业 back 电气测量技术2 第五章 数字化电测仪表 数字量数字量是信号幅度随时间做离散型变化的物理量。是信号幅度随时间做离散型变化的物理量。 将被测对象离散化和数据处理后以数字形式显示的仪表称为将被测对象离散化和数据处理后以数字形式显示的仪表称为数字（显数字（显 示）仪表示）仪表。 通过测量装置（电路）把电测结果以数字形式显示、记录和控制的仪通过测量装置（电路）把电测结果以数字形式显示、

2、记录和控制的仪 表称为表称为数字式电测仪表数字式电测仪表。 基于计算机技术（运用单片机技术）将被测对象离散化和数据处理后基于计算机技术（运用单片机技术）将被测对象离散化和数据处理后 以数字形式显示、打印、存储和通信的仪表称为以数字形式显示、打印、存储和通信的仪表称为智能（数字（显示）智能（数字（显示） ）仪表）仪表。 电子测量仪器正向量程扩大化，集成化、模块化、智能化、虚拟化、电子测量仪器正向量程扩大化，集成化、模块化、智能化、虚拟化、 网络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。而这些发展趋势的核心网络化、跨专业多功能化、数字化趋势发展。而这些发展趋势的核心 是是数字化数字化。无论高档还是低档仪

3、器，数字化越来越普及。无论高档还是低档仪器，数字化越来越普及。 数字化技术已运用于各个领域。数字化技术已运用于各个领域。 5.1 概述 电气测量技术3 第五章 数字化电测仪表5.1.1 结构 模拟量模拟量数字量数字量 电气测量技术4 第五章 数字化电测仪表 q 准确度高准确度高 数字电压表测量直流电压的准确度可达数字电压表测量直流电压的准确度可达 10-6数量级数量级 q 输入阻抗高输入阻抗高 数字电压表基本量程的输入阻抗高达数字电压表基本量程的输入阻抗高达1000M 以上以上 q 灵敏度高灵敏度高 现代的积分式数字电压表的分辨率可达到现代的积分式数字电压表的分辨率可达到1 V以下以下 q 直

4、接读数直接读数 结果以数字形式直接给出结果以数字形式直接给出 q 测量速度快测量速度快 数字电压表的测量速度高达每秒上万次数字电压表的测量速度高达每秒上万次 q 测量过程自动化测量过程自动化 q 操作简单操作简单 5.1.2 特点 q 结构复杂结构复杂 q 不直观，不便于观察动态过程不直观，不便于观察动态过程 q 价格较高价格较高 q 需要有较高水平的技术人员维修需要有较高水平的技术人员维修 电气测量技术5 1999 1 3 2 3 1 2 第五章 数字化电测仪表5.1.2 特点 电气测量技术6 第五章 数字化电测仪表 5.1.3 分类 back 按显示位数分按显示位数分 3、4、5、6、7位

5、等位等 按准确度分按准确度分 低（低（0.1以下）、中（以下）、中（0.01以下）、高（以下）、高（ 0.01 以上）以上） 按测量速度分按测量速度分 低速、中速、高速低速、中速、高速 按使用场合分按使用场合分 标准型、通用型、面板型标准型、通用型、面板型 按测量参数分按测量参数分 直流电压表、交流电压表、功率表、频率表、相位表、直流电压表、交流电压表、功率表、频率表、相位表、 万用表等万用表等 电气测量技术7 5.2.1.1 5.2.1.1 时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义 2 2）时间和频率的标准）时间和频率的标准 3 3）时频测量的特点

6、）时频测量的特点 4 4）测量方法概述）测量方法概述 5.2.1.2 5.2.1.2 电子计数器概述电子计数器概述 1 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类 2 2）主要技术指标）主要技术指标 3 3）电子计数器的发展）电子计数器的发展 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术8 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义 时间有两个含义： “时刻”：即某个事件何时发生； “时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持 续了多久。 频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的 变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内 周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：

7、fN/T 时间与频率的关系：可以互相转换。 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术9 2 2）时间和频率的标准）时间和频率的标准 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 时间与频率的原始标准 a）天文时标 b）原子时标 石英晶体振荡器 a）组成 b）指标 频率稳定度的表征 a）频率稳定度 b）长期频率稳定度的表征 c）短期频率稳定度的表征 电气测量技术10 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 天文时标 原始标准应具有恒定不变性。 频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。 宏观标准和微观标准 宏观标准：

8、基于天文观测； 微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。 世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天) 确定的时间，即1/(246060)=1/86400为1秒。其误差 约为107量级。 电气测量技术11 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 天文时标 为世界时确定时间观测的参考点，得到 平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的平太阳 作为基本参考点。 零类世界时（UT0 ）：以平太阳的子夜0时为参考。 第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位 移）作修正得到。 第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自

9、转速 率）作修正得到。准确度为3108 。 历书时（ET）：以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年） 的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时 （国际天文学会定义）。准确度达1109 。于1960年第11届 国际计量大会接受为“秒”的标准。 电气测量技术12 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 原子时标 原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级)或辐射（高能级 到低能级）电磁波，其频率是恒定的。 hfn-m=En-Em 式中，h=6.625210-27为普朗克常数，En、Em为受激态的两个能级， fn-m为吸收或辐射的电

10、磁波频率。 1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是 Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续 9,192,631,770个周期的时间”。 1972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原 子自然标准，准确度提高了45个量级，达510-14(相当于62万年1秒)， 并仍在提高。 电气测量技术13 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 原子时标 原子钟 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。 铯原子钟 准确度：10-1310-14。 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作

11、 基准。 铷原子钟 准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基 准。 氢原子钟 短期稳定度高：10-1410-15，但准确度较低（10-12）。 电气测量技术14 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 石英晶体振荡器 普通电子系统内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器 （简称“晶振”）为基准信号源。 基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温 度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦）， 普通晶体频率准确度为10-5。 采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到 高稳定、高准确的频率输出。 A AG GC C放放大大器器 温

12、温度度控控制制 隔隔离离放放大大器器 加加热热器器 传传感感器器 输输 出出 频频率率调调整整 晶晶体体电电路路 绝绝热热层层 电气测量技术15 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 石英晶体振荡器 晶体振荡器的主要指标有: 输出频率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波动:210-10；日老化:110-10；秒稳:510-12。 输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50)。 几种不同类型的晶体振荡器指标 晶振类型输出频率(MHz)日稳定度准确度 普通1，1010-510-610-5 温度补偿1，5，1010-610-710-6 单恒温槽

13、1，2.5，5， 10 10-710-910-610-8 双恒温槽2.5，5，1010-910-11优于10-8 电气测量技术16 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 频率稳定度的表征 频率准确度 频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差。 即： 长期、短期稳定度 对频率稳定度的描述引入时间概念，即在一定时间间隔 内的频率稳定度，则有长期稳定度与短期稳定度。 长期年、月、日；短期秒级。 0 0 , x f fff f 电气测量技术17 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 长期频率稳定度 长期稳定度是指石英谐振器老化而引起

14、的振荡频率在其 平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移。 多数高稳定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，其 频率的老化漂移往往呈现良好的线性(增加或减少)。如下图。 图中表示了实际频率 随时间的变化，由图 可得频率稳定度K： K表示了在t1t2时间内 的相对频率漂移（即 频率准确度的变化）。 201021 00000 21 ffffffff K fffff 电气测量技术18 back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 短期频率稳定度 。 时域定义：在时域内用相对频率起伏来表征频率的不稳定 性； 对瞬时频率f(t)作有限次（n次）测量，得到f1、f2、fn， 用贝塞尔公式计算

15、其估计值： 频域定义：在频域内用相位噪声来表征频率的不稳定度 2 2 1 00 1 1 n i i fn f f ffn 2 1 0 1 2 m ii i a ff fm 电气测量技术19 3 3）时频测量的特点）时频测量的特点 最常见和最重要的测量 时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为 重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试 验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测 量。 测量准确度高 时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校准 （比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确 度。因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。 自动化程度高 测量速度快 back

16、 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术20 4 4）测量方法概述）测量方法概述 频率的测量方法可以分为： back 5.2 频率/周期的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 差频法 拍频法 示波法 电桥法 谐振法 比较法 直读法 李沙育图形法 测周期法 模拟法 频率测量方法 数字法 电容充放电法 电子计数器法 电气测量技术21 5.2.2.1 数字测量原理数字测量原理 第五章 数字化电测仪表 1）门控计数法测量原理 时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量 需确定一个取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累 加计数(若计数值为N)，根据

17、fx=N/T得到频率值。 为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测 时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过 累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。 测量原理 将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量 时为时标信号），由一个“闸门”（主门）控制，并由一个“ 门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停 止）。 电气测量技术22 5.2.2.1 数字测量原理数字测量原理 闸门可由一个与（或闸门可由一个与（或“或或”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种。这种 测量方法称为测量方法称为门控计数法门控计数法。其原理如下图所示。其原理如下图所示。 上图为由上

18、图为由“与与”逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为1时闸时闸 门开启（允许计数），为门开启（允许计数），为0时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。 测频率时，闸门开启时间（测频率时，闸门开启时间（“闸门时间闸门时间”）即为）即为采样时间采样时间。 测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间被测时间。 与与 门门 T TA A T TB B T TA A T TB B A A B B C C 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术23 频率频率/周期的数字化测量可以由电子计数器来实现周期的数字化测量可以由电子计数器来实现 测量频率或计

19、数时，用时间基准信号控制主闸门。 测量周期时，用被测信号控制主闸门，对时基信号 计数。 在电子计数器的各个部件中，改变被测信号和时基 信号的流向，就可以实现不同的功能。 第五章 数字化电测仪表 5.2.2.1 数字测量原理数字测量原理 电气测量技术24 电子计数器电子计数器 基本组成： 1、输入通道 2、主门电路 3、计数与显 示电路 4、时间基准 电路 5、控制电路 第五章 数字化电测仪表 5.2 频率、周期的数字化测量 电气测量技术25 第五章 数字化电测仪表 5.2 电子计数器原理 电气测量技术26 第五章 数字化电测仪表 5.2 电子计数器原理 1）A、B输入通道 作用：它们主要由放大

20、/衰减、滤波、整形、触发（包 括出发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信 号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。 通过预定标器（外插件）还可扩展频率测量范围。 斯密特触发电路：利用斯密特触发器的回差特性，对输 入信号具有较好的抗干扰作用。 电气测量技术27 第五章 数字化电测仪表 5.2 电子计数器原理 2）主门电路 功能：主门也称为闸门，通过“门控信号”控制进入计数器的 脉冲，使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数。 电路：由“与门”或“或门”构成。其原理如下图： 由“与门”构成的主门，其“门控信号”为1时，允许计数脉冲通 过；由“或门”构成的主门，其“门控信号”为0

21、时，允许计数 脉冲通过。 “门控信号”还可手动操作得到，如实现手动累加计数。 与与 门门 T TA A T TB B T TA A T TB B A A B B C C 电气测量技术28 第五章 数字化电测仪表 5.2 电子计数器原理 3）计数与显示电路 功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测 频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。 为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路。 计数电路的重要指标：最高计数频率。 计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的时间限 制，使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器， 最高计数频率主要由个位计数器决

22、定。 不同电路具有不同的工作速度：如74LS（74HC）系列为3040MHz； 74S系列为100MHz；CMOS电路约5MHz；ECL电路可达600MHz。 电气测量技术29 第五章 数字化电测仪表 5.2 电子计数器原理 4）时基产生电路 功能：产生测频时的“门控信号”（多档闸门时间可选）及时间测 量时的“时标”信号（多档可选）。 实现：由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。 再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。 如，若fc=1MHz,经 106分频后，可得到 fs=1Hz(周期Ts=1s) 的时基信号，经过 门控双稳态电路得 到宽度为Ts=1s的 门控信号。 电气测量技术

23、30 第五章 数字化电测仪表 5.2 电子计数器原理 5）控制电路 功能：产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作， 使整机按“复零测量显示”的工作程序完成自动测量的任 务。如下图所示： 准备期准备期 （ 复零，等待）复零，等待） 测量期测量期 （开门，计数）（开门，计数） 显示期显示期 （关门，停止计数（关门，停止计数 ） 电气测量技术31 1)频率的测量频率的测量 x fN d f xd fNf 测量频率的误差测量频率的误差 back 第五章 数字化电测仪表 5.2 频率、周期的数字化测量 电气测量技术32 测量频率的误测量频率的误 差差 back 在测量频率时，主闸门开启的时刻相对于

24、被测信号是 随机的，两者之间没有同步关系。因此，在相同的主闸门 开启时间内，计数器所计数的脉冲个数可能不一样 。 Nx=10 Nx=9 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术33 测量频率的误测量频率的误 差差 计数器计得的数计数器计得的数NxNx越大，量化误差就越小。越大，量化误差就越小。 xxd Nf T 电子计数器在测量低频信号的频率时改为测量该电子计数器在测量低频信号的频率时改为测量该 信号的周期，然后由周期计算频率。信号的周期，然后由周期计算频率。 开门时间引起的误差开门时间引起的误差 是由晶体振荡器的频率是由晶体振荡器的频率 误差引起，与晶体振荡器的准确度和稳定性有关。误差引起，与晶

25、体振荡器的准确度和稳定性有关。 d T 1 x N xxd dN Nf T 晶体的时基误差晶体的时基误差 f 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术34 2）频率比的测量）频率比的测量 原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的 测量：测量：fx对对f0的频率比的频率比。 据此，若要测量据此，若要测量fA对对fB的频率比（假设的频率比（假设fAfB），只要用），只要用fB的周期的周期 TB作为闸门，在作为闸门，在TB时间内对时间内对fA作周期计数即可。作周期计数即可。 方法：方法： fA对对fB分别由分别由A、B两通道输入，如

26、下图。两通道输入，如下图。 BA AB Tf N Tf 第五章 数字化电测仪表 5.2 频率、周期的数字化测量 电气测量技术35 频率较高者由频率较高者由A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B通道输入。通道输入。 提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：扩展扩展B通道信号的周期个数通道信号的周期个数。 例如：以例如：以B通道信号的通道信号的10个周期作为闸门信号，则计数个周期作为闸门信号，则计数 值为：值为： 即计数值扩大了即计数值扩大了10倍，相应的测量精度也就提高了倍，相应的测量精度也就提高了10倍。倍。 为得到真实结果，需将计数值为得到真实结果，需将计数值N缩小缩小10倍（

27、小数点左移倍（小数点左移1 位），即位），即 应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。 1 0 A B fN f 2 2）频率比的测量）频率比的测量 10 10 BA AB Tf N Tf back 第五章 数字化电测仪表 5.2 频率、周期的数字化测量 电气测量技术36 3)周期的测量周期的测量 0 xx TN T 第五章 数字化电测仪表 5.2 频率、周期的数字化测量 back 当被测信号频率较低时，用计数器测量频率得到的读数 的位数较少，这样使得测量误差增大。为此，采用测量周期 的方法来增加读数的位数，降低测量误差。 0 0 x xx T Nf T

28、 T 电气测量技术37 3)周期的测量周期的测量 0 10 x x N TT 第五章 数字化电测仪表 5.2 频率、周期的数字化测量 00 10 xxx Nf Tf T 若改变填充脉冲的频率 ，可以改变被测周期的量限。 当被测周期较小时，为了增加读数位数，提高测量的准确度， 可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样也可以扩 展测量周期的量限。 0 f xx TT10 设设 电气测量技术38 时间间隔的测量时间间隔的测量 0 x TN T u原理框图原理框图 欲测量两个脉冲间的时间间隔，将起始信号和终止信号分欲测量两个脉冲间的时间间隔，将起始信号和终止信号分 别由别由B、C通道通道输入，时标

29、由机内提供。输入，时标由机内提供。 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术39 第五章 数字化电测仪表 back 0 0 0 x TNT x dNdT NT 计数计数Nx越大，相对误差越小。为此，尽量减小填充脉冲越大，相对误差越小。为此，尽量减小填充脉冲 的周期，即增大计数脉冲的频率。另外，可以将被测周期通的周期，即增大计数脉冲的频率。另外，可以将被测周期通 过分频器展宽，用拉长过分频器展宽，用拉长Tx的办法把的办法把Nx增加增加10至至104倍。若用倍。若用 K表示展宽的倍数，则表示展宽的倍数，则 0 /TKTN x 1 x dN 0 0 1 x N x xx dNT KT NKT T 测量周

30、期的误差测量周期的误差 电气测量技术40 maxx TTT minx TTT 触发误差：触发误差： （1）干扰噪声）干扰噪声 （2）触发电平漂移）触发电平漂移 第五章 数字化电测仪表 back 晶体的时基误差晶体的时基误差 T 0 x T KT 测量周期的误差测量周期的误差 电气测量技术41 5.3 相位的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 相位差的测量相位差的测量 利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之 间的相位差。间的相位差。 两个信号分别由两个信号分别由B、C通道输入，并选择相同的触发通道输入，并选择相同的触发 极性和触发电平。极性和

31、触发电平。 测量原理如下图：测量原理如下图： 为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取 +、-触发极性作两次测量，触发极性作两次测量， 得到得到t1、t2再取平均，则再取平均，则 2 21 tt 电气测量技术42 5.3 相位的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术43 5.3 相位的数字化测量 相位相位- -时间式数字相位计时间式数字相位计 00 0 x x T Nf T T 0 360 x x T T 0 0 0 360 x f NT 20 TT T T W 2 x x fT T f T T WNN 0 02 0 02 02 360360 第五章 数字化电测仪表 back 电

32、气测量技术44 5.3 相位的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 相位相位- -时间式相位计波形图时间式相位计波形图 电气测量技术45 5.4 电压的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 1、基本概念基本概念 2、逐位逼近比较式数字电压表逐位逼近比较式数字电压表 3、单斜率式数字电压表单斜率式数字电压表 4、双斜率积分式数字电压表双斜率积分式数字电压表 5、脉宽调制（脉宽调制（Pulse Width Modulation）积）积 分式数字电压表分式数字电压表 6、电压电压-频率型数字电压表频率型数字电压表 back 电气测量技术46 5.4 电压的数字化测量 数字电压表数字电压表（Digital

33、 Voltage Meter，简称，简称DVM） ）。 组成框图包括组成框图包括模拟模拟和和数字数字两部分。两部分。 输入电路：对输入电压衰减输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。放大、变换等。 核心部件核心部件：模数（：模数（A/D）转换器，实现模拟电压到数字量的转换。）转换器，实现模拟电压到数字量的转换。 数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。 逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术47 主要性能指标主要性能指标 显示位数显示位数

34、完整显示位完整显示位：能够显示：能够显示0-90-9的数字。的数字。 非完整显示位非完整显示位( (俗称半位俗称半位) )：只能显示：只能显示0 0和和1 1（在最高位上）。（在最高位上）。 如如4 4位位DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，其最大显示数字为位完整显示位，其最大显示数字为9999 9999 。 而而 位（位（4 4位半）位半）DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，位完整显示位，1 1位非完整位非完整 显示位，其最大显示数字为显示位，其最大显示数字为19999 19999 。 量程量程 基本量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由：无衰减或放大时的输入电压范围

35、，由A/DA/D转换器转换器 动态范围确定。动态范围确定。 通过对输入电压（按通过对输入电压（按1010倍）放大或衰减，可倍）放大或衰减，可扩展其他量程扩展其他量程。 1 4 2 5.4 电压的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术48 如基本量程为如基本量程为10V10V的的DVMDVM，可扩展出，可扩展出0.1V0.1V、1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V等等 五档量程；五档量程； 基本量程为基本量程为2V2V或或20V20V的的DVMDVM，可扩展出，可扩展出200mV200mV、2V2V、20V20V、200V200V、1000V1000V 等五档

36、量程。等五档量程。 分辨力分辨力 指指DVMDVM能够能够分辨最小电压变化量的能力分辨最小电压变化量的能力。反映了。反映了DVMDVM灵敏度。灵敏度。 用每个字对应的电压值来表示，即用每个字对应的电压值来表示，即V/V/字字。 不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量在最小量 程上具有最高分辨力程上具有最高分辨力。 例如，例如，3 3位半的位半的DVMDVM，在，在200mV200mV最小量程上，可以测量的最大输入电压最小量程上，可以测量的最大输入电压 为为199.9mV199.9mV，其分辨力为，其分辨力为0.1mV/0.1

37、mV/字（即字（即当输入电压变化当输入电压变化0.1mV0.1mV时，显时，显 示的末尾数字将变化示的末尾数字将变化“1 1个字个字” ）。）。 5.4 电压的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术49 分辨力分辨力 分辨率分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。：用百分数表示，与量程无关，比较直观。 如上述的如上述的DVMDVM在最小量程在最小量程200mV200mV上分辨力为上分辨力为0.1mV0.1mV，则分辨率为：，则分辨率为： 分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3 3位半的位半的 DVMDVM，可显示出，可显示出

38、19991999（共（共20002000个字），则分辨率为个字），则分辨率为 测量速度测量速度 每秒钟完成的测量次数。它主要取决于每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/DA/D转换器的转换速度。转换器的转换速度。 一般低速高精度的一般低速高精度的DVMDVM测量速度在几次测量速度在几次/ /秒几十次秒几十次/ /秒。秒。 0.1mV 100%0.05% 200mV 1 100%0.05% 2000 5.4 电压的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术50 测量精度测量精度 取决于取决于DVMDVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。 固有误

39、差由两部分构成：读数误差和满度误差。固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。 固有误差表达式：固有误差表达式： 式中，式中，V Vx x被测电压的读数；被测电压的读数；V Vm m该量程的满度值；该量程的满度值； 误差的相对项系数；误差的相对项系数； 误差的固定项系数。误差的固定项系数。 读数误差：读数误差： 与当前读数有关。主要包括与当前读数有关。主要包括DVMDVM的刻度系数的刻度系数 误差和非线性误差。误差和非线性误差。 满度误差：满度误差： 与当前读数无关，只与选用的量程有关。与当前读数无关，只与选用的量程有关。 示值（读数）相对误差为：示值（读数）相对误差为： ( %) xm VV

40、V ( %) m xx VV VV % x V % m V 5.4 电压的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术51 测量精度测量精度 当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用；当被测当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用；当被测 量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响， 应合理选择量程，以使被测量大于满量程的应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/32/3以上。以上。 5.4 电压的数字化测量 第五章 数字化电测仪表 输入阻抗输入阻抗 输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗取决于输入电路（并与量程

41、有关）。 输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 对于直流对于直流DVMDVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M10M 1000M1000M之间。之间。 对于交流对于交流DVMDVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值 一般在几十几百一般在几十几百pFpF之间。之间。 电气测量技术52 A/DA/D转换器转换器 分类分类 积分型、逐次逼近型、斜率型、并行比较型积分型、逐次逼近型、斜率型、并行比较型/串并行型、串并行型、-调制型、调制型、 电容电容 阵列逐次比较型、压频变

42、换型等。阵列逐次比较型、压频变换型等。 指标指标 -1-1）分辩率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量。又称精度，通常分辩率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量。又称精度，通常 以数字信号的位数来表示。以数字信号的位数来表示。 -2 -2）转换速率：完成一次从模拟转换到数字的转换速率：完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需时间的倒数。转换所需时间的倒数。 积分型积分型ms级级,低速；逐次比较型低速；逐次比较型us级级,中速；全并行中速；全并行/串并行型串并行型ns级级 -3 -3）量化误差：由于量化误差：由于A/D的有限分辩率而引起的误差，通常是的有限分辩率而引起的误差，通常是1

43、 个或半个最小数个或半个最小数 字量的模拟变化量。字量的模拟变化量。 -4 -4）偏移误差：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小偏移误差：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小 -5 -5）满刻度误差：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。满刻度误差：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 -6 -6）线性度：实际转换器转移函数与理想直线的最大偏移，不含以上三种误差线性度：实际转换器转移函数与理想直线的最大偏移，不含以上三种误差 5.4 电压的数字化测量 back 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术53 5.4 电压的数字化测量 1）逐位逼近

44、比较式数字电压表）逐位逼近比较式数字电压表 第五章 数字化电测仪表 原理：与天平称重相似 砝码待测 W/2 W/4 W/8 W/16 原则：大者弃，小者留 电气测量技术54 5.4 电压的数字化测量 1）逐位逼近比较式数字电压表）逐位逼近比较式数字电压表 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术55 1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADC 数码寄存器为逐次逼近移位寄存器，在时钟数码寄存器为逐次逼近移位寄存器，在时钟CLKCLK作用下，作用下， 对比较器的输出（对比较器的输出（0 0或或1 1）每次进行一次移位，移位输出将）每次进行一次移位，移位输出将 送到送到D/AD/A转换器，转换器

45、，D/AD/A转换结果再与转换结果再与V Vx x比较。比较。 数码寄存器数码寄存器的最后输出即是的最后输出即是A/DA/D转换结果，用数字量转换结果，用数字量N N表表 示。示。 最后的最后的D/AD/A转换器输出已最大限度逼近了转换器输出已最大限度逼近了VxVx，且有，且有 式中，式中， N NA/DA/D转换结果的数字量，转换结果的数字量，n nA/DA/D位数，位数， VrVr参考电压，参考电压，VxVxA/DA/D输入电压输入电压 上式还可写成：上式还可写成：Vx=eNVx=eN，e=Vr/2e=Vr/2n n称为称为A/DA/D转换器的转换器的刻度系刻度系 数，单位为数，单位为“V

46、/V/字字”，表示了，表示了A/DA/D转换器的分辨力。转换器的分辨力。 2 xr n N VV 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术56 1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADC 第五章 数字化电测仪表 时钟 起始脉冲 逐次逼近寄存器 SAR 显示器译码器 比较器 D/A变换器 Vref Vf MSB 2-12-2 例:三位二进 制,Vr=5V, Vx=4V SAR输出 顺序D/A送出 比较比较器输出 结果 1100Vr/2=2.52.50保留 2110Vr/2+Vr/22=3.753.750保留 3111 Vr/2+Vr/22+Vr/23=4.3754.3754 Vo0 舍弃 0

47、 000 000 110 经过译码显示3.75V 电气测量技术57 1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADC 第五章 数字化电测仪表 逐次逼近比较式存在量化误差. 其准确度由基准电压、D/A变换器、比较器的漂移 所决定。 变换时间与输入电压大小无关，仅由它的数码的 位数（比特数）和时钟频率决定。 逐次逼近比较式的A/D变换能兼顾速度和精度和成 本三个方面的要求。 电气测量技术58 2 2）单斜率式数字电压表）单斜率式数字电压表 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术59 单斜率式电压表单斜率式电压表U-T变换波形图变换波形图 back tan i UTKT 2 2）单斜率式数字电压表）

48、单斜率式数字电压表 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术60 2 2）单斜率式数字电压表）单斜率式数字电压表 第五章 数字化电测仪表 优点：优点： 线路简单线路简单; 本质是本质是V-T变换。变换。 缺点：缺点： 1、受斜坡电压非严格线性变化的限制，准确度不高；、受斜坡电压非严格线性变化的限制，准确度不高； 2、所测的是瞬时电压，抗干扰能力不强；、所测的是瞬时电压，抗干扰能力不强； 3、随斜坡电压下降，脉冲电压计数需要的时间较长，、随斜坡电压下降，脉冲电压计数需要的时间较长， 测量速度也不快。测量速度也不快。 电气测量技术61 2 2）单斜率式数字电压表）单斜率式数字电压表 第五章 数字化电测

49、仪表 例： 若斜坡电压的斜率为10V/50ms，要求4位数字读出， 则时钟脉冲频率应为多少？若被测电压为9.163V, 则累计脉冲数为多少? 解: 时钟脉冲频率应为: kHz ms f200 50 000,10 门控时间应为:msms V V T815.4550 10 163. 9 累积脉冲数: kHzmsN200815.45 9163 通过小数点位置的调整,可显示出 9.163V 电气测量技术62 11 1 max 00 1 1 11 () TT Cii i T UU dtU dt RCRC T T U RC 202 11 0 2 1 iNN N N TT UUU TN T U N N 2

50、2 max 0 2 1 |() T CCtN N UUUdt RC T U RC 3 3）双斜率积分式）双斜率积分式 数字电压表数字电压表 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术63 第五章 数字化电测仪表 特点：特点： (1) 准确度主要取决于基准电压，而与积分器的元件准确度主要取决于基准电压，而与积分器的元件 参数参数R、C基本无关。基本无关。 (2) 测得的结果是被测电压在时间段内的平均值，故测得的结果是被测电压在时间段内的平均值，故 混入被测电压信号中的交流干扰成分通过积分被削弱。混入被测电压信号中的交流干扰成分通过积分被削弱。 (3) 由于积分作用，所以，测量速度比较慢。由于积分作用，

51、所以，测量速度比较慢。 (4) 受基准电压和时钟频率稳定性等条件的限制，其受基准电压和时钟频率稳定性等条件的限制，其 测量准确度不可能高过测量准确度不可能高过0.01%。 3 3）双斜率积分式）双斜率积分式 数字电压表数字电压表 电气测量技术64 4)4)脉宽调制脉宽调制( (PWM) )积分式积分式 数字电压表数字电压表 1212 12233 ()0 22 iNNCC UUUEETT TTTT RRRRR 21 RR back 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术65 特点：特点： (1) 积分时间可取为工业电源信号周期的整数倍，积分时间可取为工业电源信号周期的整数倍， 抗干扰能力强；抗干扰

52、能力强； (2) 在一个周期内积分四次，非线性误差小；在一个周期内积分四次，非线性误差小； (3) 速度较慢。速度较慢。 第五章 数字化电测仪表4)4)脉宽调制脉宽调制( (PWM) )积分式积分式 数字电压表数字电压表 电气测量技术66 5)5)电压电压- -频率型数字电压表频率型数字电压表 1 1 1 T R U IT i 1 1 1 T R U FTQ i S 1 RQ U F S i 第五章 数字化电测仪表 t CR U u i 1 0 电气测量技术67 5.5.1 电阻的数字化测量 x s s R UE R s x s R RU E 2）比率法）比率法 1）比例运算法）比例运算法 x

53、 xs s U RR U 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术68 5.5.2 电容的数字化测量 01 f i c R VV X 011 2 fixx VfR VCK C x CKKVKV 21012 back 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术69 5.6 电功率的数字化测量 Uo 0 K1 接通接通 +UN Uo 0 K2 接通接通 +Uy Uo 0 K2 接通接通 -Uy 12 0 () y TT U E T 2 0 1 xy pxypxyx N R U U EK U UK U R I RU 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术70 5.7 微机化仪表的特点 l 测量过程和控制的测量过

54、程和控制的软件软件化化 仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、 灵活性增强、自动化程度更高。灵活性增强、自动化程度更高。 可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、LCD 或或LED显示和打印输出等。显示和打印输出等。 在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件， 仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术71 智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善

55、测量的准确度智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度 和对测量结果进行再加工。和对测量结果进行再加工。 对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素 干扰。干扰。 可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测 量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。 l 数据处理能力数据处理能力 5.7 微机化仪表的特点 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术72 l 多功能化多功能化 增加了仪器的测量功能，是一台纯硬件仪器无法比拟的。增加

56、了仪器的测量功能，是一台纯硬件仪器无法比拟的。 灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、 显示方式选择、控制功能增选显示方式选择、控制功能增选 l 简单公式简单公式 “仪器仪器=AD/DA+CPU+软件软件” 5.7 微机化仪表的特点 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术73 5.7 微机化仪表结构 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术74 5.7 微机化仪表结构 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术75 5.7 虚拟仪器 l 仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数 字化仪

57、表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系 统到虚拟仪器。统到虚拟仪器。 l 传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号 输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指 针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。 l 虚拟仪器一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信虚拟仪器一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信 号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都号的分析与

58、处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都 是以硬件是以硬件( (或固化的软件或固化的软件) )的形式存在。的形式存在。 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术76 5.7.1 虚拟仪器的概述 l 利用计算机软硬件资源，把仪器的三大功能全部放在计算利用计算机软硬件资源，把仪器的三大功能全部放在计算 机上实现。在计算机中插入数据采集卡，用软件在屏幕上生机上实现。在计算机中插入数据采集卡，用软件在屏幕上生 成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的 功能，这就是功能，这就是虚拟仪器虚拟仪器。 l 虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪

59、器。它由虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。它由 通用的个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成。通用的个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成。 l 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出， 软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法， 方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就软件就 是仪器是仪器”之说。之说。 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术77 5.7.2 虚拟仪器的系统构成 常用的虚拟仪器

60、系统是数据采集 系统、通用接口 总线(GPIB)仪器 控制系统、VXI 仪器系统以及三 者间的任意组合。 测 试 探 头 信号调理、数据采集卡 GPIB接口仪器 串行口仪器 VXI仪器 现场总线设备 其它计算机硬件 PC 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术78 5.7.2 虚拟仪器的系统构成 (1)(1)数据采集系统数据采集系统 传感器信号调理 数据采集 卡 计算机 数据采集系统框图数据采集系统框图 第五章 数字化电测仪表 电气测量技术79 5.7.2 虚拟仪器的系统构成 (2)(2)GPIB仪器控制系统仪器控制系统 l通用接口总线通用接口总线GPIB( (General Purpose I