第4章-数字测量方法.ppt

1、电子测量技术，数字电压表(DVM，简称DVM )。 可以显示构成框图、4.1电压测量的数字化方法、1 DVM的构成、电子测量技术、数字显示精度高的测量范围显示位数完全显示位：0-9的数字。 不完全显示位(通称半位) :只能显示0和1 (最高位)。 例如，4比特DVM具有4比特的完全显示比特，其最大显示数字为9999。 另一方面，比特(4比特半) DVM为，全显示比特为4比特，非全显示比特为1比特，其最大显示数为19999。 4.1电压测量的数字化方法、2 DVM的特征、电子测量技术、范围基本范围：没有衰减或放大时的输入电压范围由A/D转换器的动态范围决定。 通过放大或衰减输入电压(以10倍)，

2、可以扩大其他的范围，例如基本范围为10V的DVM，可以扩大5个范围，例如0.1V、1V、10V、100V、1000V的基本范围为2V或20V的DVM，2000 v 是指4.1电压测量的数字化方法、电子测量技术、分辨率高时DVM能识别最小电压变化量的能力。 反映了DVM灵敏度。 用与各字对应的电压值，即V/字来表示。 不同范围内可识别的最小电压变化能力不同，明显在最小范围内具有最高的分辨率。 例如，3位半的DVM在200mV的最小范围内能测量的最大输入电压为199.9mV，分辨率为0.1mV/字(即，输入电压变化0.1mV时，显示的末尾的数字变化“1字”)。 测量一秒钟内完成的测量次数。 这主要

3、取决于A/D转换器的转换速度。 一般来说，低速高精度的DVM测定速度为几次/秒-几十次/秒。 4.1电压测量的数字化方法、电子测量技术、输入阻抗高的输入阻抗取决于输入电路(与范围有关)。 输入阻抗越大越好，会影响测量精度。 在直流DVM中，输入阻抗由输入电阻表示，并且通常处于10M-1000M之间。 在AC dvm中，用输入电阻和并联电容来表示输入阻抗，并且电容值通常处于几十到几百pF之间。 4.1电压测量数字化方法，电子测量技术，抗噪声能力强，4.1电压测量数字化方法，交叉模式干扰是指干扰信号串联叠加的形式对被测量信号产生的干扰，电子测量技术，交叉模式抑制比，4.1电压测量的数字化方法，交叉

4、模式干扰的原因和特性：被测量也可从测量引线导出的商用频率(50Hz )和高频干扰(雷和无线电放射引起的空中电磁干扰等)。 对于噪声源的频率，从直流、低频到超高频的干扰信号波形可以是周期性的或非周期性的，并可以是正弦波或非正弦波(例如，瞬时尖峰干扰)，或完全随机的。 在各种噪声信号中，50Hz的商用频率噪声是最主要的噪声源。电子测量技术、4.1电压测量的数字化方法、共模噪声信号为DVM的两个测量输入端子(称为高端h和低端l )、电子测量技术、4.1电压测量的数字化方法、共模噪声的原因和特性：被测量电压本身存在共模电压。 测量直流桥的输出。 如果被测量电压远离DVM，被测量电压和DVM的基准地电位

5、不相等，会引起测量时的共模噪声。 共模噪声电压也分为直流电压和交流电压。 共模干扰电压可以很大，例如一百伏特、一千伏特等。 共模抑制比，电子测量技术，3 DVM的主要类型，逐次比较式，4.1电压测量的数字化方法，基本原理：逐次比较被测量电压和可变的基准电压，最终逼近被测量电压。 也就是说，是采用“对分检索”的战略，逐步缩小UXX的未知范围的方法。 类似于天平的重量过程，Ur的各节相当于被给定的“电子砝码”，Ux是被测量的电压量。阶段性地追加或去除电子砝码的过程与加减重量中的砝码的过程完全相同，重量结果的精度取决于所使用的最小砝码。电子测量技术、4.1电压测量的数字化方法、电子测量技术、原理：通

6、过两次积分过程(“对被测量电压的定时积分和对基准电压的值积分”)的比较，得到被测量电压值。 4.1电压测量的数字化方法、U-T积分式(双斜率积分)、电子测量技术、电子测量技术、工作准备阶段(t0-t1 )。 开关S4导通T0小时，积分电容器c短路，将积分器输出电压Uo返回Uo=0)。 对被测电压进行定时积分(t1-t2 )。 当访问被测量电压时(使Ux为负)，积分器输出Uo从零线性地增加到正，在经过预定时间T1后，Uo达到最大Uo，在式中，成为Ux的平均值，积分波形的斜率(值)被积分为相对于基准电压的负值(t2-t3 )。 访问基准电压(在Ux为负的情况下，访问UN )在积分器输出Uo从Uo线

7、性地向相反方向减少(与Ux的积分方向相反)而为零。4.1电压测量的数字化方法、电子测量技术，在此情况下，过零比较器反转。 经过的逆积分时间为T2，代入Uom后得到： T1、T2通过对同一时钟信号(设为周期T0 )进行计数而得到(设计值分别为N1、N2 )，T1=N1T0，T2=N2T0，因此，在式中，A/D转换器的比例系数计数结果N2 (数字量)表示被测定电压Ux，N2是二积分A/D转换结果。4.1电压测量的数字化方法、电子测量技术、4.1电压测量的数字化方法、二积分式ADC的特征：基于U-T变换的比较测量原理。 一次测量包含三个连续过程，所需时间为T0 T1 T2，T0、T1是固定的，T2与

8、被测量电压Ux相关，Ux越大T2就越大。 一般的转换时间为数十ms数百ms (转换速度为数/秒数十次/秒)，其速度低，经常用于高精度的低速测定。 积分器的r、c元件不影响A/D转换结果，因此元件参数的精度和稳定性不高。 参照电压UN的精度和稳定性影响A/D转换结果，一般需要精密的基准电压源。 (例如，对于分辨率为1LSB=1/216=1/655361510-6的16位A/D转换器，要求基准电压源的稳定性(主要是温度漂移)优于15ppm (百万分之十五)。 电子测量技术、双积分式ADC的特征：比较器要求高电压分辨率(灵敏度)和时间分辨率(响应带宽)。 如6位A/D转换器那样，当全时积分器的输出电

9、压为10V时，当ADC的1LSB=10V/106=10uV时，要求比较器的灵敏度优于10uV。 响应带宽确定比较器对积分器的输出信号的快速响应(斜率陡峭)超过零的能力。 积分器响应的是输入电压的平均值，因此具有较高的抗干扰能力。 如果输入电压Ux=Ux Usm，则在T1阶段结束时积分器的输出成为DVM的最大干扰来自电网50Hz商用频率电压(周期20ms )，因此如果T1时间是20ms的整数倍，则干扰信号Usm的平均值为0。 4.1电压测量的数字化方法、电子测量技术、4.1电压测量的数字化方法、U-F积分式、电子测量技术、4.1电压测量的数字化方法、4 DVM的测量误差、式中：读取误差或n字为全

10、误差，电子测量技术例如1台4位的DVM给予的精度为： (0.01%读取在该DVM的05V DC的基本范围内分别测量5.00V和0.1V的电压，并计算DVM测量的固有误差。 解首先计算与“一字”对应的满意度误差。 在05V范围内，4位DVM的全尺度误差“1字”相当于0.001V。 在Ux=5.00V的情况下，固有误差和相对误差分别为Ux(0.01%5.00V0.001V)0.0015V，在Ux=0.1V的情况下，固有误差和相对误差分别为、4.1电压测定的数字化方法、电子测定技术、被测定电压越接近全电压，则测定(相对)Ux(0.01%0.1V0.001V)0.001V，电子测量技术，4.2直流数字

11、电压表，7106A/D3位半数字电压表的原理框图，双积分式A/D，逻辑电路，电子测量技术，AC/DC转换将交流电压转换(检波)为直流的皮4.3多用途数字电压表、1电流、电压、阻抗变换技术、精密全波检波电路、电子测量技术、I/U变换基于欧姆定律，对被测电流通过已知的采样电阻测量采样电阻两端的电压，就能得到被测电流。 为了实现不同范围的电流测量，可以选择不同的采样电阻。 如图所示，如果转换后采用的电压范围为200mV，则4.3多用型数字电压表通过在范围开关中分别选择1k、100、10、1、0.1来选择200A、2mA、20mA、200mA、200mA、2A的全帧电子测量技术、R/U变换也基于欧姆定

12、律。 对于纯电阻，用一个恒流源流过被测量电阻，通过测量被测量电阻两端的电压，可以得到被测量电阻的电阻值。 另外，电感、电容器参数的测量需要使用交流的基准电压，将实部和虚部分离后分别进行测量。 电阻-电压(R/U )转换电路图。 4.3多功能数字电压表、实现a.R/U转换的简单原理b .通过运输实现比例测量的r/u转换、电子测量技术、数字多功能表(DMM )的主要特征DVM的功能扩展。 DMM可以测量直流电压、交流电压、电流、阻抗等。 测量分辨率和精度有低、中、高三个阶段，位数为3位半的8位半。 一般情况下内置微处理器. 实现post、自动校准、自动范围选择、测量数据的处理(求平均值、均方值)等

13、自动测量功能。 一般有RS-232、GPIB等外部通信接口，容易构成自动测试系统。 4.3多用途数字电压表、电子测量技术、实际产品Agilent 3458A: 8位半DMM。 主要技术指标： math/statistics 20kb存储器； 自调整自动计算；自我调整； 直流电压； 100mv to 1000 v范围； 10 nvsenitivity 0.05 ppmtransferaccuracy； 交流电压； 10mv to 1000 v范围； PS； 模拟，随机和次抽样模式； 0.002 ppmtransferaccuracy 10 ohms to1gohmranges； 2-and4-

14、wirewithoffsetcompensation，4.3多用途数字电压表，电子测量技术，4.4频率的测量，1小时和频率时间具有“时刻”的意思的“时间间隔”:某个时间对某个时间持续了多长时间？ 频率的定义：周期信号在单位时间(1s )内的变化次数(周期数)。 如果周期信号在一定时间间隔t内反复变化n次，频率就可以表现为fN/T时间和频率的关系：可以相互变换。 时间是7个基本的国际单位之一，时间、频率是极其重要的物理量，在通信、航空宇宙、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民间和军事方面存在时间频率测量。电子测量技术、4.4频率的测量、频率时间的基准、基于天文观测的宏观基准，测量中的不足设备

15、庞大，用于测试操作麻烦的观测时间长的精度有限。 天文时间比例世界时(UT，Universal Time):是由地球自转周期(一天)所规定的时间，即1/(246060)=1/86400秒。 其误差约为10-7位。 历时(ET ) :以地球围绕太阳公转为基准，公转周期(一年)的31 556 925.9747分之一为1秒。 参考点是1900年1月1日0点(国际天文学会定义)。 精度达到1109。 在1960年第11次国际计量大会上接受了“秒”的标准。 电子测量技术、原子(分子)通过能量水平迁移吸收(从低能量水平到高能量水平)或放射(从高能量水平到低能量水平)的电磁波，其频率是一定的。 在hfn-m=

16、En-Em公式中，h=6.625210-27是普朗克常数，En和Em是激发态的两个能级，fn-m是吸收或辐射的电磁波频率。4.4频率的测量，原子时间戳(AT )，1967年10月，第13次国际计量大会正式通过了秒的新定义。 “秒是与Cs133原子基态的两个超微结构能级之间的转变频率对应的光束为9、192、631、770周期的时间”。 从1972年开始实施，被全世界接受。 秒的定义从天文实物基准转变为原子自然基准，精度提高了4-5级，达到了510-14 (相当于62万年1秒)，还在提高。 电子测量技术、原子钟时的实物仪表可以用于时间、频率基准的公布和核对。 铯原子钟的精度： 10-13-10-1

17、4。 除夕钟表，专用实验室高稳定度频率基准小钟表，频率动作基准。 铷原子钟的精度： 10-11，体积小，重量轻，便于携带，可以作为工作标准。 氢原子钟的短期稳定度很高： 10-14-10-15，但精度很低(10-12 )。 4.4频率的测量、电子测量技术、电子计数器内部时间、频率基准以晶体振荡器(简称“晶体振荡器”)为基准信号源。 根据压电效应产生稳定的频率输出。 但是，水晶振动的频率容易受到温度的影响，通常的结晶频率的精度是10-5。 测量原理是将计数的信号(频率测量时为被测量信号，时间测量时为时间戳信号)相加，用一个“门”(主门)控制，用一个“门”信号控制门的接通(计数允许)和断开(计数停止)。 4.4频率测量、双电子计数式频率计测量原理、电子测量技术、快门可用and (或or )逻辑门实现。 该测量方法称为栅极计数法。 其原理如下图所示。 上图以“与”逻辑门为栅极，在其栅极信号为1时，栅极打开(计数允许)，为0时，栅极关闭(计数停止)。 测量频率时，闸门打开的时间(称为“闸门时间”)是采样时间。 测量时间(间隔)时，快门打开的时间为被测量时间。4.4频率测量、电子测量技术、4.4频率测量、通用电子计数器频率的结构框图：输入单元、逻辑控制：十进制计数器、时间戳发生器、电子测量技术、通用计数器包含