1、第九講第九講 數字電壓表數字電壓表1.直流電壓數字化測量直流電壓數字化測量2. 數字多用表數字多用表2Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.9.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理 u1 DVMDVM的組成原理及主要性能指標的組成原理及主要性能指標u1 1）DVMDVM的組成的組成u數字電壓表（數字電壓表（Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter，簡稱，簡稱DVMDVM）。）。u組成框圖組成框圖輸輸入入電電路路A A/ /D

2、 D轉轉換換器器數數字字顯顯示示器器邏邏輯輯控控制制電電路路時時鐘鐘發發生生器器模模擬擬部部分分數數字字部部分分Vx3Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u1 1）DVMDVM的組成的組成u組成框圖組成框圖u包括模擬和數字兩部分。包括模擬和數字兩部分。u輸入電路：對輸入電壓衰減輸入電路：對輸入電壓衰減/ /放大、變換等。放大、變換等。u核心部件是核心部件是A/DA/D轉換器（轉換器（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter，簡，簡稱稱ADCADC

3、），實現模擬電壓到數字量的轉換。），實現模擬電壓到數字量的轉換。u數字顯示器：顯示模擬電壓的數字量結果。數字顯示器：顯示模擬電壓的數字量結果。u邏輯控制電路：在統一時鐘作用下，完成內部電路的協調有邏輯控制電路：在統一時鐘作用下，完成內部電路的協調有序工作。序工作。9.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理 4Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u應用應用u直流或慢變化電壓直流或慢變化電壓信號的測量（通常采用高精度低速信號的測量（通常采用高精度低速A/DA/D轉轉換器）

4、。換器）。u通過通過AC-DCAC-DC變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值變換電路，也可測量交流電壓的有效值、平均值、峰值，構成、峰值，構成交流數字電壓表交流數字電壓表。 u通過電流通過電流- -電壓、阻抗電壓、阻抗- -電壓等變換，實現電流、阻抗等測量電壓等變換，實現電流、阻抗等測量，進一步擴展其功能。，進一步擴展其功能。u基于微處理器的智能化基于微處理器的智能化DVMDVM稱為數字多用表（稱為數字多用表（DMMDMM，Digital Digital MultiMeterMultiMeter）。）。uDMMDMM功能更全，性能更高，一般具有一定的數據處理能力（功能更全，性能更高，一般

5、具有一定的數據處理能力（平均、方差計算等）和通信接口平均、方差計算等）和通信接口( (如如GPIB)GPIB)。9.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理 5Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u2 2）主要性能指標）主要性能指標u顯示位數顯示位數u完整顯示位完整顯示位：能夠顯示：能夠顯示0909的數字。的數字。u非完整顯示位非完整顯示位( (俗稱半位俗稱半位) )：只能顯示：只能顯示0 0和和1 1（在最高位上）。（在最高位上）。u如如4 4位位DVMDVM，具有，

6、具有4 4位完整顯示位，其最大顯示數字為位完整顯示位，其最大顯示數字為9999 9999 。u而而 位（位（4 4位半）位半）DVMDVM，具有，具有4 4位完整顯示位，位完整顯示位，1 1位非完整位非完整顯示位，其最大顯示數字為顯示位，其最大顯示數字為19999 19999 。u量程量程u基本量程基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由A/DA/D轉換器動轉換器動態范圍確定。態范圍確定。u通過對輸入電壓（按通過對輸入電壓（按1010倍）放大或衰減，可倍）放大或衰減，可擴展其他量程擴展其他量程。1429.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量

7、及A/DA/D轉換原理轉換原理 6Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u基本量程為基本量程為2V2V或或20V20V的的DVMDVM，可擴展出，可擴展出200mV200mV、2V2V、20V20V、200V200V、1000V1000V等五檔量程。等五檔量程。u如基本量程為如基本量程為10V10V的的DVMDVM，可擴展出，可擴展出0.1V0.1V、1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V等五檔量程；等五檔量程；u分辨力分辨力u指指DVMDVM能夠能夠分辨最小電壓變化量的能力分辨最小電壓變化

8、量的能力。反映了。反映了DVMDVM靈敏度。靈敏度。u用每個字對應的電壓值來表示，即用每個字對應的電壓值來表示，即V/V/字字。u不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同，顯然，在在最小量程上具有最高分辨力最小量程上具有最高分辨力。u例如，例如，3 3位半的位半的DVMDVM，在，在200mV200mV最小量程上，可以測量的最大最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為輸入電壓為199.9mV199.9mV，其分辨力為，其分辨力為0.1mV/0.1mV/字（即字（即當輸入電壓當輸入電壓變化變化0.1mV0.1mV時，顯示的末尾數字將變化時，顯示的末

9、尾數字將變化“1 1個字個字” ）。）。9.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理 7Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u分辨力分辨力u分辨率：用百分數表示，與量程有關，比較直觀。分辨率：用百分數表示，與量程有關，比較直觀。如上述的如上述的DVMDVM在最小量程在最小量程200mV200mV上分辨力為上分辨力為0.1mV0.1mV，則分辨率為，則分辨率為：分辨率也可直接從顯示位數得到（與量程無關），如分辨率也可直接從顯示位數得到（與量程無關），如3 3位半的位半的D

10、VMDVM，可顯示出，可顯示出19991999（共（共20002000個字），則分辨率為個字），則分辨率為u測量速度測量速度u每秒鐘完成的測量次數。它主要取決于每秒鐘完成的測量次數。它主要取決于A/DA/D轉換器的轉換速度。轉換器的轉換速度。u一般低速高精度的一般低速高精度的DVMDVM測量速度在幾次測量速度在幾次/ /秒秒 幾十次幾十次/ /秒。秒。0.1mV100%0.05%200mV1100%0.05%20009.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理 8Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All r

11、ights reserved.u測量精度測量精度u固有誤差表達式：固有誤差表達式：u誤差由兩部分構成：讀數誤差和滿度誤差。誤差由兩部分構成：讀數誤差和滿度誤差。u讀數誤差：讀數誤差： 與當前讀數有關。主要包括與當前讀數有關。主要包括DVMDVM的刻度系數的刻度系數誤差和非線性誤差。誤差和非線性誤差。u滿度誤差：滿度誤差： 與當前讀數無關，只與選用的量程有關。與當前讀數無關，只與選用的量程有關。( %)xmVVV ( %)mxxVVVV %xV%mV( %)xVVn 字9.1 9.1 直流電壓的數字化測量及直流電壓的數字化測量及A/DA/D轉換原理轉換原理 9Copyright 2003 Fai

12、r Isaac Corporation. All rights reserved. 例例 一臺一臺3 3位半的位半的DVMDVM給出的精度為：給出的精度為：（0.1%0.1%讀數讀數+1+1字），如字），如用該用該DVMDVM的的020V DC020V DC的基本量程分別測量的基本量程分別測量5.00V5.00V和和15.00V15.00V的電源的電源電壓，試計算電壓，試計算DVMDVM測量的固有誤差。測量的固有誤差。 解解 首先，計算出首先，計算出“1 1字字”對應的滿度誤差。對應的滿度誤差。在在0-20V0-20V量程上，量程上，3 3位半的位半的DVMDVM對應的刻度系數為對應的刻度系數

13、為0.01V/0.01V/字，因字，因而滿度誤差而滿度誤差“1 1字字”相當于相當于0.01V0.01V。當當VxVx=5.00V=5.00V時，固有誤差和相對誤差分別為：時，固有誤差和相對誤差分別為：VVx x(0.1%(0.1%5.00V5.00V0.01V)0.01V)0.015V0.015V 當當VxVx=15.00V=15.00V時，固有誤差和相對誤差分別為：時，固有誤差和相對誤差分別為：0.015100%100%0.3%5.00 xxxVV 10Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved. Vx(0.1%15

14、.00V0.01V)0.025V 可見，被測電壓愈接近滿度電壓，測量的（相對）誤差愈小可見，被測電壓愈接近滿度電壓，測量的（相對）誤差愈小（這也是在使用（這也是在使用DVMDVM時應注意）時應注意）. .0.025100%100%0.17%15.00 xxxVV 11Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u輸入阻抗輸入阻抗u輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關）。輸入阻抗取決于輸入電路（并與量程有關）。u輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測量精度。輸入阻抗宜越大越好，否則將影響測量精度。 u對于直流對于直流DVMDVM

15、，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在，輸入阻抗用輸入電阻表示，一般在10M1000M10M1000M之間。之間。u對于交流對于交流DVMDVM，輸入阻抗用輸入電阻和并聯電容表示，電容，輸入阻抗用輸入電阻和并聯電容表示，電容值一般在幾十值一般在幾十 幾百幾百pFpF之間。之間。12Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.9.2 9.2 電流、電壓、阻抗變換技術及數字多用表電流、電壓、阻抗變換技術及數字多用表u1 .1 .電流、電壓、阻抗變換技術電流、電壓、阻抗變換技術uAC/DCAC/DC變換變換u將交流電壓變換（檢波）得

16、到直流的峰值、平均值和有效將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。值，如前所述。uI/VI/V變換變換 u基于歐姆定律，將被測電流通過一個基于歐姆定律，將被測電流通過一個已知的取樣電阻已知的取樣電阻，測，測量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。量取樣電阻兩端的電壓，即可得到被測電流。u為實現不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。為實現不同量程的電流測量，可以選擇不同的取樣電阻。u如下圖。如下圖。13Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u如圖，假如變換后如圖，假如變換后采用的電壓量程

17、為采用的電壓量程為200mV200mV，則通過量程開關選擇取樣則通過量程開關選擇取樣電阻分別為電阻分別為1k1k、100100、1010、11、0.10.1，便可，便可測量測量200A200A、2mA2mA、20mA20mA、200mA200mA、2A2A的滿量程電流。的滿量程電流。uZ/VZ/V變換變換u同樣基于歐姆定律。同樣基于歐姆定律。Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A14Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights

18、 reserved.u對于純電阻對于純電阻，可用一個恒流源流過被測電阻，測量被測電阻兩端的，可用一個恒流源流過被測電阻，測量被測電阻兩端的電壓，即可得到被測電阻阻值。電壓，即可得到被測電阻阻值。u而而對于電感、電容參數的測量對于電感、電容參數的測量，則需采用交流參考電壓，并將，則需采用交流參考電壓，并將實部和虛部分離后分別測量得到。實部和虛部分離后分別測量得到。u電阻電阻- -電壓（電壓（R/VR/V）變換原理圖。）變換原理圖。a.a.實現實現R/VR/V變換的簡單原理變換的簡單原理 b.b.通過運放實現比例測量的通過運放實現比例測量的R/VR/V變變換換恒恒流流源源( (可可調調) )A A

19、/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調調) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻15Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.u如圖如圖a a，直接通過恒流源，直接通過恒流源I Ir r流過被測電阻流過被測電阻R Rx x，并對，并對R Rx x兩端的兩端的電壓放大后送入電壓放大后送入A/DA/D轉換器。轉換器。u為了實現為了實現不同量程不同量程電阻的測量，要求電阻的測量，要求恒流源可調恒流源可調。u圖圖a a對于大電阻的

20、測量不利對于大電阻的測量不利，因為要求的恒流源電流，因為要求的恒流源電流I Ir r很很小，對測量精度影響較大。小，對測量精度影響較大。u圖圖b b中，將被測電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出中，將被測電阻作為反饋電阻，將恒流源輸出I Ir r流過流過一個已知的精密電阻，從而得到參考電壓一個已知的精密電阻，從而得到參考電壓V Vr r如圖，放大器輸出如圖，放大器輸出 , ,于是于是u如果將如果將V Vo o作為作為A/DA/D轉換器的輸入，并將轉換器的輸入，并將V Vr r直接作為直接作為A/DA/D轉換轉換器的參考電壓，即可實現器的參考電壓，即可實現比例測量比例測量。1xorRVVR 1oxrV

21、RRV 16Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.2 .2 .數字多用表數字多用表u組成框圖組成框圖u數字多用表（數字多用表（DMMDMM）的主要特點）的主要特點uDVMDVM的的功能擴展功能擴展。DMMDMM可進行直流電壓、交流電壓、電流可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。、阻抗等測量。u測量分辨力和精度測量分辨力和精度有低、中、高三個檔級，位數有低、中、高三個檔級，位數3 3位半位半88位半位半。A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD DV VM MC CP PU UD D

22、C CA AC CI IZ Z17Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.2 .2 .數字多用表數字多用表u數字多用表（數字多用表（DMMDMM）的主要特點）的主要特點u一般一般內置有微處理器內置有微處理器。可實現開機自檢、自動校準、自。可實現開機自檢、自動校準、自動量程選擇，以及測量數據的處理（求平均、均方根值動量程選擇，以及測量數據的處理（求平均、均方根值）等自動測量功能。）等自動測量功能。u一般具有一般具有外部通信接口外部通信接口，如，如RS-232RS-232、GPIBGPIB等，易于組成等，易于組成自動測試

23、系統。自動測試系統。u數字多用表的使用數字多用表的使用u二端法和四端法測電阻。如下圖（圖二端法和四端法測電阻。如下圖（圖中中R Rl1l1、R Rl2l2、R Rl3l3、R Rl4l4為等效導線電阻和接觸電阻）。為等效導線電阻和接觸電阻）。18Copyright 2003 Fair Isaac Corporation. All rights reserved.2. 2. 數字多用表數字多用表u實際產品Agilent 3458A：8位半DMM。主要技術指標：uMath/statistics ；20 kB memory ；uSelf-adjusting autocalibration；dc Volts ；u100 mV to 1000 V ranges； 10 nV sensitivity u0.05 ppm transfer accuracy； ac Volts；u10mV to 1000V ranges； Ohms；uAnalog,