第7章 电压测量-7-2

1、电子测量技术电子测量技术第1页电子测量技术电子测量技术第2页电子测量技术电子测量技术第3页111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV电子测量技术电子测量技术第4页电子测量技术电子测量技术第5页10.6252电子测量技术电子测量技术第6页1. 主要电路单元主要电路单元逐次比较型逐次比较型A/DA/D变换器的主要电路单元有变换器的主要电路单元有比较器比较器、 控制控制电路电路、 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARSAR、 缓冲寄存器缓冲寄存器、 译码显示电路译码显示电路和模和模/ /数数(D/

2、A)(D/A)变换器变换器。电子测量技术电子测量技术第7页图图7.7-77.7-7逐次逼近型数字电压表的原理框图逐次逼近型数字电压表的原理框图电子测量技术电子测量技术第8页u比较器比较器应用一种特殊设计的高速高增益运算放大器来完应用一种特殊设计的高速高增益运算放大器来完成输入端两电压的比较运算。成输入端两电压的比较运算。 u模拟输入电压模拟输入电压Ux、反馈电压反馈电压U0分别作用在比较器输入端，分别作用在比较器输入端， 若若U0Ux，则比较器输出则比较器输出Qc=0( (逻辑低电平逻辑低电平) )，若U0Ux， 则Qc=1(逻辑高电平)。u控制器控制器发出一系列的节拍脉冲，并根据发出一系列的

3、节拍脉冲，并根据Qc值控制值控制SARSAR各位各位的输出状态。的输出状态。电子测量技术电子测量技术第9页SARSAR是一组是一组双稳触发器双稳触发器，如果是二进制如果是二进制n n位位A/D，则则SARSAR中就有中就有n n个双稳触发器，各位的输出由控制器个双稳触发器，各位的输出由控制器控制，并送往缓冲寄存器锁存和送往控制，并送往缓冲寄存器锁存和送往D/AD/A变换成模变换成模拟量拟量U0。D/A包括包括基准电压源基准电压源、电子开关电路电子开关电路和由和由分压分压分流电路组成的解码网络分流电路组成的解码网络，其功能是将二进制数字，其功能是将二进制数字量转换成模拟量。量转换成模拟量。 电子

4、测量技术电子测量技术第10页例如例如，基准电压源的基准电压是，基准电压源的基准电压是Us=2.8 V，对于对于8 8 位位D/AD/A，当输入数字量为当输入数字量为1000000010000000时，输出模拟电压为时，输出模拟电压为U0=（128256）Us=1.4 V；当输入数字量为当输入数字量为0000000100000001时，输出模拟电压时，输出模拟电压U0=（1256）Us=10.94 mV。u可见，同是二进制数码可见，同是二进制数码“1”“1”，它在二进制数中的位置不同，它在二进制数中的位置不同，其所代表的值也不同，不同位置上的其所代表的值也不同，不同位置上的“1”“1”所代表的值

5、称为所代表的值称为权权值值。权电阻转换原理权电阻转换原理电子测量技术电子测量技术第11页图图7.7-87.7-8是权电阻是权电阻D/AD/A变换原理，其中变换原理，其中S S0 0S S7 7是电子开关，是电子开关， 其通断对应于相应位其通断对应于相应位a ai i的取值，若的取值，若a ai i=1, =1, 则则S Si i通，若通，若a ai i=0=0，则，则S Si i断。运用第断。运用第3 3章介绍的运算放大器的分析方法不难得出：章介绍的运算放大器的分析方法不难得出： 当当S S0 0闭合闭合( (对应对应n n位二进制数最低位位二进制数最低位(LSB)(LSB)a a0 0=1)

6、=1)时，有时，有min7s02IRUI(7.7-7)此时若此时若S1S1S7S7均断开，则输出电压为均断开，则输出电压为min07so2UUU(7.7-8)电子测量技术电子测量技术第12页图图7.7-8 7.7-8 权电阻权电阻A/DA/D变换原理变换原理电子测量技术电子测量技术第13页当当D/AD/A输入为任意二进制数字量输入为任意二进制数字量a a7 7a a6 6a a2 2a a1 1a a0 0时，时， 输出电压输出电压为为)01(270min00iiiiaaUaUi或(7.7-9)权电阻解码电路中电阻个数较少，权电阻解码电路中电阻个数较少， 但阻值大小不一，但阻值大小不一， 制造

7、较为困难。制造较为困难。T T型解码电路型解码电路图图7.7-9(a)7.7-9(a)所示的所示的T T型解码电路虽然电阻个数较多，型解码电路虽然电阻个数较多， 但电阻值仅为两种，但电阻值仅为两种， 很适宜集成制造工艺。很适宜集成制造工艺。 可以用图可以用图(b)(b)节点节点i i等效电路来分析其工作原理。等效电路来分析其工作原理。电子测量技术电子测量技术第14页图图7.7-97.7-9T T型电路型电路D/AD/A变换原理变换原理电子测量技术电子测量技术第15页可以用图可以用图(b)(b)节点节点i i等效电路来分析其工作原理。等效电路来分析其工作原理。 对对于于0 07 7的任意节点的任

8、意节点i i， 左、左、 右两侧的等效电阻均为右两侧的等效电阻均为2 2R R， 因此其节点电位因此其节点电位( (a ai i=1=1时时) )为为s31UUi(7.7-10)当该节点电位向输出端传送时，当该节点电位向输出端传送时， 要经过多节电阻网络要经过多节电阻网络衰减，衰减， 每节衰减数均为每节衰减数均为1/21/2， 比如比如“0”0”节点电位传送到节点电位传送到输出端时，输出端时， 要经过七节电阻衰减器衰减，要经过七节电阻衰减器衰减， 所以传送到输所以传送到输出端的电压为出端的电压为电子测量技术电子测量技术第16页s703121UU(7.7-11)根据叠加原理，根据叠加原理， 对于

9、任意二进制数对于任意二进制数a a7 7a a6 6a a2 2a a1 1a a0 0， 输输出电压为出电压为)01(270min00iiiiaaUaUi或(7.7-12)电子测量技术电子测量技术第17页2. 逐次比较型逐次比较型A/D的工作原理的工作原理逐次比较型逐次比较型A/DA/D的工作原理类似于天平称质量的过程的工作原理类似于天平称质量的过程( (因而逐次比较又称称量法因而逐次比较又称称量法) )。 它利用对分搜索原理，它利用对分搜索原理， 依依次按二进制递减规律减小，次按二进制递减规律减小， 从数字码的最高位从数字码的最高位(LMB(LMB或或MSBMSB， 相当于满度值相当于满度

10、值FSFS的一半的一半) )开始，开始， 逐次比较到低位，逐次比较到低位， 使使U U0 0逐逐次逼近次逼近Ux。现以一个简单的现以一个简单的3 3比特比特(3(3位二进制位二进制) )逐次比较过程说明逐次比较过程说明其原理。其原理。 设基准电压设基准电压Us=8 V， 输入电压输入电压Ux=5 V， 3 3 比特比特SARSAR的输出为的输出为Q2Q1Q0。 三位逐次比较流程图如图三位逐次比较流程图如图7.7-107.7-10所示。所示。电子测量技术电子测量技术第18页图图7.7-107.7-10三位逐次比较流程图三位逐次比较流程图电子测量技术电子测量技术第19页u控制电路首先置控制电路首先

11、置SARSAR的输出的输出Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=100=100，即从最高位，即从最高位MSBMSB开始开始比较，比较，100100经经D/AD/A转换成转换成U U0 0= =U Us s/2=4 V/2=4 V，加至比较器，加至比较器，U Ux xU U0 0， 比较器输出比较器输出Q Qc c=1,=1,使使Q Q2 2维持维持“1”(“1”(留码留码) )。 u再令再令Q Q1 1=1,=1,即即Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=110=110，加至，加至D/AD/A，使输出，使输出U U0 0=6 V=6 V，因为，因为U Ux x 00， 零比较零比较器输出由低电

12、平跳变到高电平。器输出由低电平跳变到高电平。电子测量技术电子测量技术第26页打开计数闸门，时钟脉冲通过闸门，计数器开始减法打开计数闸门，时钟脉冲通过闸门，计数器开始减法计数。由于时钟是等周期计数。由于时钟是等周期T T0 0的脉冲，因此这里的计数实质的脉冲，因此这里的计数实质上就是计时。经过预置时间上就是计时。经过预置时间T T1 1( (对应计数器预置初值对应计数器预置初值N N1 1) )，到，到达达t t2 2时，计数器溢出，并复零。此时积分器的输出达到最时，计数器溢出，并复零。此时积分器的输出达到最大值：大值：xxttxURCTNURCTtURCU0110md )(121(7.7-13

13、)电子测量技术电子测量技术第27页比较阶段比较阶段( (t t2 2t t3 3) )： 在取样结束，在取样结束， 计数器复零时，计数器复零时， 控控制逻辑断开制逻辑断开S S1 1， 接通正基准电压接通正基准电压U Us s， U Us s接到积分器进行反接到积分器进行反向积分，向积分， 输出输出U U0 0线性下降。线性下降。 与此同时，与此同时， 计数器从零开始计数器从零开始进行加法计数。进行加法计数。 到达到达t t3 3时刻，时刻， 积分器输出积分器输出U U0 0=0=0， 零比较器零比较器由高电平跳到低电平，由高电平跳到低电平， 闸门关闭，闸门关闭， 停止计数，停止计数， 设此时

14、计设此时计数器值为数器值为N N2 2， 则反向积分时间则反向积分时间T T2 2= =t t3 3t t2 2= =N N2 2T T0 0。 比较阶段积比较阶段积分器的输出电压为分器的输出电压为tURCUUttd 11s0m0(7.7-14)电子测量技术电子测量技术第28页在在t t3 3时刻，时刻， U U0 0=0=0， 因此因此s02s2s0md 132URCTNURCTtURCUtt(7.7-15)将式将式(7.7-14)(7.7-14)代入上式得代入上式得s12s12UTTUNNUx(7.7-16)从而得到了被测电压值。从而得到了被测电压值。 适当地选择时钟周期适当地选择时钟周期

15、T T0 0和取样时和取样时间，间， 可以使计数器的计数值直接对应被测电压值。可以使计数器的计数值直接对应被测电压值。电子测量技术电子测量技术第29页如果被测电压为正如果被测电压为正U Ux x , , 则只需在比较开始时将基准电则只需在比较开始时将基准电压压-Us-Us接入即可。接入即可。 由式由式(7.7-16)(7.7-16)可以看到，可以看到， 计数结果与计数结果与R R、 C C元件无关，元件无关， 因而对积分元件的精度要求不高。因而对积分元件的精度要求不高。 另外，另外， 取样和比较阶段都使用同一计数器对同一时钟源脉冲计取样和比较阶段都使用同一计数器对同一时钟源脉冲计数，数， 因而对时钟源要求也不高。因而对时钟源要求也不高。电子测量技术电子测量技术第30页主主门门计计数数器器逻逻辑辑控控制制电电路路数数字字输输出出时时钟钟S1S2CRVx-VrVr积积分分器器比比较较器器-+-+S S1 1 S S2 2Vot0t1复复零零t2t3VoVomT1T2N1N2t积积分分波波形形计计数数器器输输入入a.b.清清零零T0f0T011T0电子测量技术电子测量技术第31页电子测量技术电子测量技术第32页21111()tsmomxsmxtTTVVvdtVvRCRCRC 电子测量技术电子测量技术第33页国产国产TD-830TD-830