3.2.2 电压表组成与典型应用电路-2

任务3-2-2典型应用电路复习提问：任务3-2-2典型应用电路复习提问：

任务3-1电压测量与仪器概述

任务3-2电压表组成与典型应用电路（重难点）任务3-3电压测量实务任务3电压测量与仪器任务3-2电压表组成与典型应用电路新课引入：观察与思考观察右图，我们可以看到两种不同的电压表正在测量同一个交流电压源。1.现象思考：为什么左边的指针式电压表指针会左右摆动，而右边的数字式电压表却能显示一个稳定的数字？2.原理探究：这两种电压表在内部结构和测量原理上最大的区别是什么？它们各自是如何“看懂”并“表达”这个不断变化的交流电压的？3.应用选择：在什么情况下，我们更适合使用指针式电压表？又在什么情况下，数字式电压表是更好的选择？任务3-2电压表组成与典型应用电路学习重点知识概要:峰值检波器理解其分类、工作原理及在电压表中的应用，这是模拟电压表的基础核心部件。有效值交直流变换器掌握计算式和热偶式变换器的原理与特点，实现非正弦波有效值的准确测量。A/D变换器了解双积分型ADC的工作过程及其在数字电压表中的作用，连接模拟与数字世界。任务3-2-2典型应用电路2）峰值检波器（1）分类图（a）为串联式（或开路式）峰值检波器；图（b）为并联式（或闭路式）峰值检波器。串联式峰值检波器和并联式峰值检波器输出电压

。图（c）是两个串联峰值检波器的组合，

。图（d）的结构为桥式，图3-2-11（e）是并联、串联峰值检波器的组合，二者的输出

。任务3-2-2典型应用电路2）峰值检波器（1）分类检波器输出的直流电压均与输入交流电压的峰值成正比，故称之为峰值检波器。任务3-2-2典型应用电路2）峰值检波器（1）分类图（a）电容起到滤波和检波的作用，无隔直作用==>实际响应值为交流电压实际波形的峰值Up。图（b）电容既为隔直电容又是检波电容==>实际响应值为交流电压的振幅Um。任务3-2-2典型应用电路2）峰值检波器（1）分类一般采用除串联式峰值检波器外的其他峰值检波器检波器。选用串联式或并联式峰值检波器时的灵敏度，要比选用其他峰值检波器时的灵敏度低。任务3-2-2典型应用电路2）峰值检波器（2）工作原理与检波条件与均值检波器类似，峰值检波器也是利用检波二极管控制电容充放电来实现峰值检波，但二者的检波条件不同。左图中与C并联的是电流表（内阻值约为几百Ω~几kΩ），而二极管正向导通电阻Rd约为100～500Ω，二者阻值相差不大，所以C的充放电速度相差不很大；而右图中与C并联的是R（107～108Ω），C的充放电速度相差很大。当右图中满足峰值检波条件，即充电时间常数RdC＜＜Tmin、放电时间常数RC＞＞Tmax时即可实现峰值检波，其中Tmin、Tmax为输入电压中最高频率成分的周期、最低频率成分的周期。任务3-2-2典型应用电路（2）工作原理与检波条件当被测电压ui(t)高于电容电压uC(t)时，电容C充电；反之，C放电。因为电容充电速度远比它的放电速度快很多，但充电时间较短而放电时间很长，二者最终会达到平衡，此时uC(t)的平均值即为串联式峰值检波器的输出。任务3-2-2典型应用电路（3）实例下图为并联式峰值检波器，其中C1、VD1、R2为检波电容、检波二极管、检波负载电阻，R1、C2组成滤波器。在R2与调制放大器之间的双T形网络，可以防止50Hz干扰信号串入调制放大器。C1的取值视被测电压频率范围而定。从扩展上限频率的角度来看，C1应小一些；从扩展下限频率角度来看，C1应大一些。任务3-2-2典型应用电路（3）实例下图为了扩展频率范围，检波器利用了两个探头，上下两部分分别为高频探头和低频探头。R3为检波负载电阻，R1、C3、C4与L构成滤波器，VD2与其右边元器件构成串联式峰值检波器，VD1、C1与右边元器件构成并联式峰值检波器。低频探头与高频探头的构成相似。任务3-2-2典型应用电路任务3-2-2典型应用电路3）有效值交直流变换器主要有分段逼近式、计算式和热电偶式三种交直流变换器，常用后两种。（1）分段逼近式有效值检波器输出特性曲线由不同斜率的线段构成。这些线段是因为输入电压的大小不同而改变了检波器负载电阻的大小得到的。分段逼近式检波器输出∝交流电压U2，电压表的刻度是非线性的。任务3-2-2典型应用电路3）有效值交直流变换器（2）计算式有效值检波器计算式有效值检波器用于电压表时，电压表刻度是线性的。任务3-2-2典型应用电路3）有效值交直流变换器（3）热偶式有效值交直流变换器：根据交流电压有效值的物理定义，利用具有热电变换效应的热电偶实现交直流变换。T1、T2两个性能相同的热电偶构成热电偶桥，称为双热偶变换器，T2称为平衡热电偶。T1、T2产生的热电动势分别为Ex=k(k1Ui)2（k为热电偶比例常数、k1为放大器增益）、Ef=kUo2，只要直流放大器增益很大，则输入端电压ΔU=Ex–Ef≈0，即Uo≈k1Ui。虽然热电变换效应呈现非线性，但热电偶桥可使电压表刻度呈现线性。任务3-2-2典型应用电路任务3-2-2典型应用电路3.A/D变换器用于将模拟量变换为数字量以便于数字处理或显示，双积分型、逐次比较型、并行比较型常见。1）双积分型ADC即双斜型ADC，属于V/T积分型ADC。它将直流电压与基准电压的比较通过两次积分变换成为两个时间段的比较，并由此将模拟电压变换为与其输入电压的平均值（即输入直流电压）成正比的时间段，时间段的长短则由计数器测定，计数器所得的计数值即A/D变换的结果。任务3-2-2典型应用电路1）双积分型ADC（1）工作原理分为准备、取样和比较三个阶段。任务3-2-2典型应用电路（1）工作原理分为准备、取样和比较三个阶段。ui(t)、uo(t)和p(t)为积分器的输入信号、输出信号和计数脉冲，(t0～t1)、(t1～t2)、(t2～t3)为准备、取样、比较时间，虚线为输入UX′时的波形，输入为正电压时的工作波形与图示波形方向相反。任务3-2-2典型应用电路（1）工作原理①准备阶段：S1闭合、S2接地，使积分电容C完全放电，为取样做准备。②取样阶段：S1断开、S2将输入端接输入电压UX，积分器对UX定时积分，计数器计数为N1（常数）即t2时，定时取样完毕。任务3-2-2典型应用电路（1）工作原理③比较阶段：S1断开、S2和与UX极性相反的基准电压UR相接，积分器对UR反向积分。当积分器输出电压下降为零，即t3时，零比较器输出尖脉冲送逻辑控制电路控制计数器停止计数，本次A/D变换结束。任务3-2-2典型应用电路（1）工作原理显然，t2时电容充上的电荷与t3时放去的电荷相等，即t2、t3时积分器输出电压的大小相等。任务3-2-2典型应用电路（1）工作原理

为UX在时间T1内的平均值；T1=t2–t1为定时取样时间；T2=t3–t2为定值比较时间；UR/N1为ADC变换灵敏度，通常设置为1×10±nV（n为自然数），即数字电压表的分辨率；N2是随输入电压大小而改变的取样阶段所计脉冲数。将UR/N1设置为1×10±nV时，N2即ADC显示数字，小数点位置或量纲变化则依据±n来改变。任务3-2-2典型应用电路（2）性能特点①变换速度慢：首先因为双积分型ADC的N2响应的是输入电压平均值，故从理论上看其变换速度快不了；其次为了提高分辨率需要延长取样时间T1；再次为了提高抗干扰性能应使T1等于干扰信号（例如，工频干扰）周期的整数倍，所以双积分型ADC速度较慢。任务3-2-2典型应用电路（2）性能特点②抗干扰能力强：首先因双积分型ADC的N2响应的是而不是瞬时值，故其具备抗干扰的理论基础；其次只要使T1等于干扰信号周期的整数倍，干扰信号就对A/D变换结果无影响，所以双积分型ADC抗干扰能力强。任务3-2-2典型应用电路（2）性能特点③结构简单、价格低廉：RC积分器、零比较器结构简单、性能较稳定；取样和比较时使用的是同一积分器和时钟，积分器和时钟等的不稳定对其变换准确度影响不大，无需增加稳定电路==>结构简单、价格低廉，使用比较普遍。显然，无论要增强变换器的抗干扰能力，还是要提高数字电压表的分辨率，都要延长取样时间，使得双积分型ADC变换速度提高不上去，变换速度一般低于20次/s。为了提高ADC变换速度，对双积分型ADC改进出现了三次积分式ADC。任务3-2-2典型应用电路任务3-2-2典型应用电路2）逐次比较型ADC即逐次渐进型ADC、逐次逼近型ADC。工作原理类似于天平称量物体质量，按照“大者弃（即D/A输出US大于输入电压UX时，放弃假设的“1”恢复为“0”）、小者留（即US≤UX时，保留假设的“1”）”的原则，将被测电压与可变基准电压逐次进行比较，直至逼近出被测电压值。（1）工作原理任务3-2-2典型应用电路2）逐次比较型ADC（1）工作原理数码寄存器SAR在时钟脉冲的作用下逐次提供从高位到低位代表不同电压（即跳步电压）的二进制基准码。例如，设DVM基本量程满度值为10V（即UR=10V），且ADC的位数n=6（二进制），从高位到低位每个二进制基准码的跳步电压值分别为5V、2.5V、1.25V、0.625V、0.3125V、0.15625V。D/A变换器将输入的数字量变换为模拟电压输出，模拟输出电压US等于SAR提供的各数字量与跳步电压乘积之和。任务3-2-2典型应用电路2）逐次比较型ADC（1）工作原理设UR=10.000V，UX=5.625V，工作过程如下：①在起始脉冲作用下，SAR清零。②第一个脉冲到来时，SAR最高位2–1先置为1，SAR输出(100000)2，US=1×5.000V=5.000V＜UX，比较器输出1，得Y1=1，SAR的2–1位保留1，即“小者留”。③第二个脉冲到来时，SAR的2–2位先置为1，SAR输出(110000)2，US=5.000V+1×2.500V=7.5V＞UX，比较器输出0，得Y2=0，SAR的2–2位返回为0，即“大者弃”。任务3-2-2典型应用电路2）逐次比较型ADC（1）工作原理设UR=10.000V，UX=5.625V，工作过程如下：④第三个脉冲到来时，SAR的2–3位先置为1，SAR输出(101000)2，US=5.000V+0.000V+1×1.250V=6.250V＞UX，比较器输出0，得Y3=0，SAR的2–3位返回为0。⑤第四个脉冲到来时，SAR的2–4位先置为1，SAR输出为(100100)2，US=5.000V+0.000V+0.000V+1×0.625V=5.625V=UX，比较器输出1，得Y4=1。此时，电路处于平衡状态，SAR停止计数，ADC停止工作。SAR输出的二进制代码为(100100)2，经过译码显示电路，得到5.625V的显示。否则，电路继续逐次比较，直至最末位为止。任务3-2-2典型应用电路2）逐次比较型ADC（2）性能特点①变换速度快：逐次比较型ADC是按位比较，即响应的是输入电压的瞬时值而不是平均值，故具备变换速度快的理论基础；因为跳步电压按2–nUR递减设置，且逐位比较==>无需双积分型ADC较长时间的积分；最后因为只要比较至输入电压Ux等于D/A变换器输出US，或达到精度要求，或至最末位就停止一次A/D变换==》变换速度快。②精度高：只要二进制数码位数足够多，跳步电压就可