电能计量（三岗）第四章数字仪表课件.ppt

1、第四章数字仪表第一节 直流数字仪表,一、直流数字仪表的结构 读数方便直观、测量速度快、测量准确度高、测量范围宽、灵敏度高、输入阻抗大、使用方便，大多数数字表具有接口电路，可以与计算机连接，便于自动测试。 数字仪表一般可测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流及欧姆等参量 主要框图,二、直流数字电压表的工作原理,1、技术术语 1)测量范围：指测量能够达到的被测量的范围。能满足误差极限的那部分测量范围称为有效测量范围。 2)基本量程。指在多量程的直流数字电压表中测量误差最小的量程，一般是不加量程衰减器及量程放大器的量程。 3)分辨力。指数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值，也就是使直流数字电

2、压表显示器末位数变化一个字所代表的输入电压值。通常在最低量程上，数字电压表具有最高的分辨力。例某直流数字电压表的最小量程是0100.00mV，则末位数变化一个字所代表的输入电压改变为10V，也就是说该表的分辨力是10V。,4)显示能力：指直流数字电压表的每一位数码管能够按照它的编码作连续变化的能力。 5)显示位数：数字电压表能以完整的显示数字(即能够显示09的十个数码的显示能力)的多少来确定。能够显示全09数字的位数称为“满位”，否则则称为“半位”或“12位”。 6)测量速度：指数字电压表在单位时间内，以规定的准确度完成的最大测量速度。 7)输入电阻。对于直流数字电压表来说，输入电阻一般是指工

3、作状态下从输入端看进去的输入电路的等效电阻。 8)稳定误差：指在规定时间内其他条件保持不变，直流数字电压表在某一校准点显示值的最大变化量。稳定误差包括波动和漂移两种变量。根据不同的时间间隔，又有短期稳定误差(如24h)和长期稳定误差(三个月、半年、一年)之分。,9）抗干扰特性：仪器本身具有一定的对于干扰信号的抑制能力。根据干扰信号加入的方式不同，可把干扰分为串模干扰和共模干扰两类，并以串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表示。 10）基本误差：指直流数字电压表在标准条件下，经预热、预调和校准之后，仪器本身所固有的24h的误差。 11）线性误差：指直流数字电压表的测量电压是否均匀地反映被测电压的特征

4、。 在直流数字电压表中，模拟数字转换器是其核心部分，因此不同类型的AD转换器就决定了各种型式的数字电压表。,2、AD转换器的分类： 1）直接比较型。将输入模拟信号直接与作为标准的参考电压相比较；而得到可按数字编码的渐续量或直接得到数字量。这类转换是瞬时比较，抗干扰能力差，但转换速度较快。 2）间接比较型。输入模拟信号不是直接与参考电压比较，而是将二者都变为中间物理量再进行比较，然后将由比较而得到的时间(T)或频率(f)进行数字编码。这类转换为平均值响应，它抗于扰能力较强，但转换速度较慢。 3）复合型。将直接比较与间接比较积分型两类AD转换的原理结合起来，发挥各自的优点从而获得高准确度与优质性能

5、。,3、AD转换器的主要技术指标 1）AD转换的准确度。准确度取决于转换误差与量子化误差。转换误差是由于在AD转换过程中参与转换的各元器件的误差而引起的。量子化误差是由于将连续的模拟量变为离散的数字量，总有一个最小的数字分度单位，从而构成量子化误差 2）转换速度。指每秒完成的转换次数，它决定了数字电压表的测量速度。 3）输入电阻和输出电阻。输入电阻是指输入电压与此电压引起的输入电流之比，输出电阻是指输出电压与引起此电压的输出电流之比，输入电阻高和输出电阻低是对高性能AD转换器的要求。,4）输入零电流。由于零电流的存在，它对测量会造成误差。当线路结构一定时，零电流基本上是一个恒定值(仅随温度而变

6、化，故需预热才能稳定)。它与被测量无关，可视为一恒流源，因而可以对其进行补偿。 5）稳定度和分辨力。稳定度是指在被测量不变条件下一段时间内输出示值的变化，它常分为短期与长期两种，分辨力指的是转换器所能分辨的被测量的最小值。,三、直流数字仪表的主要技术特性 技术特性： 1）抗干扰能力强。因为测量的是被测电压的平均值，所以只要选择积分时间为干扰信号周期的整数倍，在时间内，干扰信号就可以被平均掉。如果在结构上采用浮地输入双层屏蔽技术，模拟部分与数字部分采用脉冲变压器耦合，可以使共模干扰抑制能力得以提高。 2）对于元器件的要求不高，只要它们短期内稳定就可以了。 3）测量速度一般比较慢，通常为每秒210

7、次。,1、电流的测量 数字多用表中对电流的测量是把电流变换成相应的电压再进行测量的，比较常见的有利用运算放大器来实现电流到电压的转换,当不接分流电阻时，被测电流则流过R1和R2，根据放大器的原理得：U0IxR2。 当R2固定时，被测电流就转换成了与之成比例的电压输出，利用分流电阻，可以改变电流测量的量程。 如果是直流电流输入则把输出的直流电压送入直流电压测试通道，如果是交流电流输入则把输出的交流电压送入交流电压测试通道。,2、电阻的测量 电阻测量中比较常用的是采用比例运算放大器法把被测电阻转成一直流电压,（为放大器的输入阻抗）,由于运算放大器的放大倍数很大 A 由于UN是恒压源，RN是标准电阻

8、，则与成线性关系，这样就把电阻转换成一个与之成比例的电压值输出。 当测量小电阻时，由于也在引线上造成压降，为了消除此影响，则采用四端法。 改变RN即改变了工作电流的大小，同时也改变了被测电阻的量程。,四、直流数字仪表的检定、测试方法 1、直流标准电流源法（a),2、直流比较法（标准数字电流表法）（b）。 3、直流标准仪器法（c）。 4、标准数字电压表法，（d）。,第二节 交流数字仪表,交流电压的测量：交流电压测量的最基本环节是把交流信号转换成直流信号，即ACDC转换器。转换方式有平均值转换、峰值转换、有效值转换。对于高准确度的数字多用表的测量都采用交流有效值测量，有效值测量又可分为两大类，即热

9、偶式和全电子式，热偶式在20世纪70年代前使用得比较普遍，但其测量速度慢，过载能力差等各种不可避免的缺点，因此目前高准确度的交流电压测量都采用全电子式的有效值转换器来实现对交流电压的测量。,交流电压有效值的数字定义如下：,A1、A2加法器，A3倒相器，M乘法运算器，A4积分器 经乘法器M相乘得到的输出电压为 乘法器输出电压U。进入积分器后，交流成分被滤除，输出的直流分量为,若送入积分器的直流分量为正极性电压，则积分后使输出减小；若送入积分器的直流分量为负极性电压,积分后使输出增加。系统是负反馈闭环工作，最后只有当UO2Urms2时系统才乎衡。 积分器输入近似为零，输出电压保持为稳定的UO 所以

10、UOUrms 系统的输出直流电压等于输入交流电压的有效值，这样就完成了交流输入电压变为直流输出电压的转换。,第三节 数字多功能表的技术性能及使用方法,使用一台数字多功能表中要着重考虑下列问题： 1、测量功能与测量范围。了解多功能表可以测量的功能及对应每一功能的测量范围，各测量功能的量程是否能自动切换，哪一个量程是基本量程，基本量程的测量误差最小，电压输入阻抗最高。 2、测量准确度。了解多功能表各功能所对应的各量程可允许的最大误差是多少，其分辨力是多少，以及保证误差的工作条件是什么，预热时间要多少，是否需要预调整。有的数字多功能表在不同的时间内还规定了不同的准确度，对于实际使用者来说数字多功能表

11、的年准确度是最重要的。,3、响应特性。应了解多功能表的采样速率是多少，它能否满足使用的要求，交流量测量的频率范围。交流测量是平均值响应，峰值响应还是有效值响应。 4、输入、输出特性。把标准表接入标准装置及测量电路以前应了解它在各量程的输入阻抗和零电流的大小，共模干扰信号与串模干扰信号的抑制能力有多大，还要注意“保护”端与被测电路的连接方式。 数字多功能表的误差由两部分所组成。一部分与被测量显示值有关，这部分误差随测量值的增大而增大。可变部分包括了被测量电压、电流、电阻转换成直流电压的转换误差，AD中标准源电压的误差，输入放大器的误差，分压衰减器误差，刻度系数误差。另一部分是固定项，它与被测量无关。固定误差部分由量子化误差、零点飘移、噪声干扰等因素引起 Ux越小，则相对误差就越大，因此在使用数字多功能表时，应尽量在接近满量程时进行测量。,一、输入阻抗的影响 表示数字多功能表的输入阻抗在测量直流电压时的影响。被测信号源电压为Ux，内阻为Rx。数字多功能表直流电压的输入阻抗为Ri，输入回路电流为 在Rx上产生的误差电压为 产生的相对误差为 所以若要减少rR，必须增大Ri或减少Rx 。,二、输入零电流的影响 由于I0的存在，它在被测信号源内阻上同样要产生电压降，即误差电压为UxI0RX 相对误差 由于数字多功能表中直流电压测量时的输入阻抗