北京交通大学电子测量4-19多斜积分式DVM

1、电子测量作业4-19班 级:姓 名:学 号:指导老师：2017.12.7目录332.1 现代数字电压表（DVM原理 32.2 双斜积分式ADC42.3 三斜积分式ADC52.4 多斜积分式ADC683.1 双斜积分式ADC电路 83.2 三斜积分式ADC电路 93.3 一个简单的DVM方真 91112、题目要求4-19在Multisim 环境下，设计一种多斜积分式 DVM给出原理图和仿真实 验结果。二、原理分析2.1 现代数字电压表(DVM )原理现代数字电压表(DVM Digital Voltage Meter)是以高性能的模数转换器 (ADC: Analog Digital Convert

2、er )为核心组成的，电压表的测量、显示、数 据处理及其他自动化功能都是在逻辑控制电路的统一协调下进行的。如图所示为数字直流电压表的原理框图。输入调节电路实现阻抗变换、信号放大、量程选择等功能，ADGI成将模拟直流电压转换为数字量的功能，存储器/输出缓存实现数字量的暂存功能，显示 器则以十进制数字形式给出测量结果显示。 在一些高级的台式电压表中，逻辑控 制电路通常由微处理器来实现，存储器的容量也比较大，以配合快速测量及对外 输出数据的需要；而在一些手持式电压表中，逻辑控制电路、ADC存储器/输出缓存以及显示的驱动电路则集成在一片集成电路中，结构紧凑、精巧、轻便。在交流数字电压表中，在输入调节电

3、路之后配接有效值检波器， 先将交流电 压转换为直流电压，然后由数字直流电压表来完成后续的测量和显示任务。 例如, Agilent 34401A 就采用了这种方式。随着AD或术的发展，现在的数字电压表开始采用高性能 ADCft接进行交流 信号的采样，由微处理器对信号周期内足够多采样值进行数值计算， 实时给出被 测电压的真有效值。下图所示为交流数字电压表的原理框图。检测交流电压一rFFirrBSBi有效值; :检波器i mi： aia n k 显示器交流电用 输入调节ADC2.2 双斜积分式ADC双斜积分式ADCX称为双积分式，其工作原理是首先对被测电压进行定时积 分，然后对参考电压进行定值积分。

4、 通过两次积分过程，将被测电压变换成与之 成正比的时间问隔，再由计数器完成时间间隔测量，然后给出测量结果。双斜积分式DVM勺组成原理框图如图所示：显示器十进制计 数器逻辑控制电路相关的工作波形图:七一1717定时祺务时间蒲间计数值M计数值必Uom=-?2 -Ux dt - TLUx在定时积分时间T1内，RCt1RC x0,士)、 Uo =Uom -二 tt：Urefdt =Uom -三 Uref =0在定值积分时间T2内，RC 2RCT22N 2Uom =-UrefUx =TUrefUx Uref因此，RC ,T1。由于 T1=N1T0 , T2=N2T0 , N1。在被测电压受到用模干扰电压

5、Usm的干扰时，ADC的输入电压 为:U - - (U U ) rrUOm ux(V x = sm) ,则1RCtt12uxdtTiRCUx2.3 三斜积分式ADC三斜积分式ADCg在双斜积分式ADC勺基础上发展起来的。双斜积分式转换 器具有抗干扰性能强的特点，在采用零点校准和增益校准前提下其转换准确度也 可以做得很高，但显著的不足之处是转换速度慢， 并且分辨力要求越高，其转换 速度也就越慢。三斜积分式ADCM以较好地减小积分式 ADC勺计数误差、提高测 量速度。三斜积分式ADC勺原理框图与双斜积分式 ADCf分相似。只是开关S1在反 向积分阶段，在接入参考电压 Uref 一段时间后，还要接入

6、另一个小 k倍的参考电压Uref/k ,并分别用计数器对这两段反向积分时间进行计数三斜积分式DVM勺组成原理框图如图所示:单片机计数控制它由基准电压-VRER积分器、比较器和由单片机构成的计数控制电路组成。三斜积分式ADCX作波形:第一个积分阶段所用时间：T1=N1T0反向积分分为两个子阶段：T21=N21T0 T22=N22T0111 UzT Uxdt -T Urefdt -T -ref dt =0 由 RC T1RC T21RC T22 k可得,-xkN21 N22_kN1-refo2.4 多斜积分式ADC多斜积分式ADCg在三斜积分式ADC勺基础上发展起来的。多斜积分式ADC 不仅能减小

7、积分式ADC 勺计数误差、提高测量速度，而且还可以减小对于积分器 动态范围的要求，全面克服积分式 ADC的不足。下图是多斜积分式ADC勺一个简化组成框图。从图中可以看出，多斜积分式 ADCT多个参考电压，且极性也有正负两种。多斜积分式 ADC勺工作过程也分为 两个大的阶段。第一个阶段是定时积分阶段；第二个阶段是对参考电压进行积分 的阶段，可称为比较阶段。尽管阶段划分与双斜、三斜积分式ADCS本相似，但具体的工作过程却有较大的差别。Ux在定时积分阶段，首先对被测电压积分，但经过一段时间后，在保持被测电 压输入的同时，接入与被测电压极性相反的参考电压Uref或-Uref。由于Uref要比被测电压的

8、绝对值大，从接入参考电压之后，积分器的输出就向相反方向变 化。在输出电压穿过零电压后，在下一个计数时钟到来时，接入另一个极性的 Uref参考电压，使积分输出电压在此向相反方向变化， 直到定时积分时间结束。 由于各段积分时间都是时钟周期的整数倍，因而各阶段的计数值没有计数误差。 记录各段时间的参考电压极性和时钟周期数， 可以推算出积分器第一个阶段结束 后积分输出电压值。在第二个阶段，仅对参考电压进行积分，但参考电压的极性和大小有多种选 择。在开始时，先对大的参考电压进行反向积分。积分输出电压穿过零电压后， 在下一个时钟到来时，就用极性相反、数值小一个等级的参考电压进行积分。记 录各段积分过程中的

9、参考电压极性、 大小和时钟周期数，最终可以推算出被测电 压值。多斜积分式ADCX作波形如下：三、仿真结果3.1双斜积分式ADC电路利用Multisim中的ADC专换器进行模拟分析验证，电路如下:设 Vref=5V, D=2nV/VREF其中输出数字量位数 2n=255, D=255V/VREF 当输入电压为2V时，D=255/2.5=102,用十六进制表示为66F。在用三或多斜式积分电路上我们不能用到此芯片，否则就要加一个DACt可以观测到波形。3.2 三斜积分式ADC电路设计出三斜积分A/D转换器模拟电路部分如下。图中放大电路选用比较精密 的Op07,比较器选用LM311图中的开关都可以用逻

10、辑控件控制（如单片机，只 要将各个开关控制端接到单片机不同控制端口上即可实现不同的开关通断控制） 原理同书上相同，先通过可选择量程的放大器，再在通过积分电路和比较器，不 同的是加了一个Vref/2 8参考电压，当积分小于一个低电平时，再通过对-Vref/2 8的积分产生反向电压，达到三积分效果由于三积分电路积分过程比较复杂,需要在不同状态中控制不同的开关，因此并没有进行观察波形的模拟3.3 一个简单的DVM仿真由于多斜式积分 ADC电路比较复杂，需要一些逻辑控件，在这里，仅利用 multisim 中的基于双积分ADC思想的ADC芯片和一个由8个D触发器组成的寄 存器741s373给出一种简单的

11、DVM真拟。如图所示，参考电压为5V,输入正弦电压Vp=3V通过ADC5片转换成数字 信号，每次转换结束后EO3出结束信号，将数据存入寄存器中，寄存器在每次 时钟上升沿状态时进行下一状态输出。通过示波器观察输出波形与数码管显示数字的关系sc illoscopHE-X5C1F *nnTtthO.KDi QRQM &.MDAChonrri JlCh an he J。叩H C-.OCiTrnriMBPmnrd46HmeIBSc 置'ffitfiqX【触（P«*j：）Sole：占 4才鹏也“；：g- J两 L嘱 J； - -j-'-1l-ta!TjfrTTQsc il Icscope-XSC 1:5IDCDiz5£融.3 Wdwmd ASafesTrrcDase“dh 10 m&.DlMJ. I;Q.OODa3.L-U5由图可见，数码管显示数字和模拟电压输出呈现对照关系， 但数码管是十六进制，利用741s47可以实现4321BCD专换，且根据双积分型 AD偿式可以将数码管结果换算成模拟电压的数