第五章 電壓測量 2019 OPEN CLASS主講人：辦圖網

一、電壓標準二、電壓測量概述三、直流電壓的測量四、交流電壓測量1、基本概念2、三種電壓表五、數字電壓表1、基本概念2、三種A/D轉換器授課內容

電壓是電子測量的一個主要參數。電參量的基礎：U=IR I=U/R R=U/I P=IU=U2/R=I2R電壓的派生量，例如，調幅度，波形的非線性失真系數等等。在非電量測量中，大多數物理量（如溫度、壓力、振動、速度等）的傳感器大多是電壓作輸出的。因此，電壓測量是其它許多電參量、非電參數測量的基礎。5.1概述/ 5.1.1 電壓測量的重要性

1. 應有足夠寬的電壓測量范圍nV→ μV→mV→V→→kV 2. 應有足夠寬的頻率范圍交流電壓的頻率范圍約從幾Hz到幾百MHz，甚至達GHz量級。目前，模擬電壓表可測量的頻率范圍要比數字表高得多。例如，92C型模擬射頻電壓表頻率上限達1.2GHz，而DP100型數字多用表只能達25MHz。3. 應有足夠小的測量不確定度即可達10-6微伏量級 4. 應有足夠高的輸入阻抗5. 應具有高的抗干擾能力5.1概述/ 5.1.2 對電壓測量的基本要求

1. 模擬式電壓表指針式電壓表：用磁電式電流表作為指示器模擬示波器： 刻度比較 2. 數字式電壓表經A/D將模擬信號轉換為數字信號 5.1概述/ 5.1.3 電壓測量儀器的分類

1.表頭： 三用表中直流電流、電壓通常由磁電式高靈敏度直流電流表作指示。直流電流表俗稱表頭，圖5.1給出了動圈式電流表頭結構的雙視圖。其工作原理是利用載流導體與磁場之間的作用來產生轉動力矩，使導體框架轉動而帶動指針偏轉，其偏轉角度正比于通過線圈的被測電流。 5.2 模擬式直流電壓的測量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測量

I=Kθ式中K由設計決定的恒量，它與線圈匝數、線圈面積、磁場強度及游絲扭轉力矩有關。K值表示電流表偏轉單位角度時所需通過的電流，K值越小，電流表越靈敏。這樣就可以從指針所指角度位置來測電流。 2．電流表量程擴展 允許通過的最大電流值稱為量程Im，如50μA、100μA。1mA等。由于電流線圈匝數很多，其內阻較大。 設現有一表頭，Im=50μA，r=3kΩ.現要測量500μA電流怎么辦？ 要并聯分流電阻RS以擴展量程。因兩路端電壓相等 5.2 模擬式直流電壓的測量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測量

（5.1）式中n稱電流量程擴大倍數，也稱分流系數。 3. 直流電壓測量用電流表頭能否直接測量電壓？能測，但測量的電壓范圍很小。現以圖5.4，在指針指示滿刻度時，它兩端的電壓是：即它所能測量的最大電壓為0.15V。 5.2 模擬式直流電壓的測量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測量

為了能測量較高的電壓，需串聯倍壓電阻RP來擴展量程。 （5.2） 圖5.5給出了三用表直流電壓檔量程擴展的原理電路圖。圖中除最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三個量程。根據所需擴展的量程，不難算出3個倍壓電阻值： 5.2 模擬式直流電壓的測量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測量

電壓靈敏度 “Ω/V”通常把電壓表內阻RV與量程Um之比定義為電壓表的電壓靈敏度(每伏歐姆數Ω/V)： （5.4） “Ω/V”數越大，表明為使指針偏轉同樣角度所需驅動電流越小。“Ω/V”數一般標明在磁電式電壓表表盤上，可依據它推算出不同量程時的電壓表內阻，即 （5.5） 例如某電壓表的“Ω／V”數為20kΩ／V，則5V量程和25V量程時電壓表內阻分別為100kΩ和 500kΩ。 5.2 模擬式直流電壓的測量 / 5.2.1 三用表中的直流電流、電壓測量

直流電子電壓表通常是由磁電式表頭加裝跟隨器（以提高輸入阻抗）和直流放大器（以提高測量靈敏度）構成，當需要測量高直流電壓時，輸入端接入由高阻值電阻構成的分壓電路。電子電壓表組成框圖如圖5.7所示。 5.2 模擬式直流電壓的測量 / 5.2.2 直流電子電壓表

5.3 交流電壓的測量/ 5.3.1 交流電壓的表征交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數以及波峰系數來表征。

5.3 交流電壓的測量/ 5.3.1 交流電壓的表征

3. 有效值若某一交流電壓u（t）在一個周期內通過純阻負載所產生的熱量，與一個直流電壓U在同樣情況下產生的熱量相等，則U的數值即為u(t)的有效值，U和u(t)的數學關系為 （5.10） 實際中，有效值是最廣泛應用的參數。例如，電壓表的讀數除特殊情況外，幾乎都是按正弦波有效值進行定度的。有效值獲得廣泛應用的原因，一方面是它直接反應出交流信號能量的大小，這對于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉換等是十分重要的；另一方面，則是它具有十分簡單的疊加性質，計算起來極為方便。 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.1 交流電壓的表征

4. 波形因數交流電壓的波形因數的定義為該電壓的有效值與平均值之比，即（5.11） 5. 波峰因數 交流電壓的波峰因數的定義為該電壓的峰值與其有效值之比，即 （5.12） 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.1 交流電壓的表征

正弦波半波整流波全波整流波5.3 交流電壓的測量/ 5.3.1 交流電壓的表征

5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量 1.均值電壓表 1)均值電壓表的組成

2)均值檢波器 余弦脈沖的直流頻率分量 當θ=90°2θ5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

對于全波均值檢波器： 流過電表的平均電流 與被測電壓的平均值成正比，而與波形無關。靈敏度 提高靈敏度，就應減小Rd和rm的值，為提高輸入阻抗檢波前要加放大器輸入阻抗 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

3)刻度特性 角標“～”表示正弦波（5.17） K——定度系數，或稱為刻度系數。 由于正弦波及有效值的實際意義，電壓表的讀數 都用正弦有效值進行定度。 這里為何等于1.11？對正弦波正好是其波形因數KF 證明： 見P159 表5.1：KF=1.11 因此,均值電壓表測的平均值,讀數是正弦波有效值（假有效值）5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

對于非正弦波，KF ≠1.11，直接讀數無物理意義，要通過換算求得有效值。 例5.l 用平均值電壓表測量一個三角波電壓，讀得測量值為 10V，試求有效值為多少伏？ 解: 對于均值表， 讀數 （5.17）先求出均值，再通過KF換算成有效值。 三角波的均值為 查 P159 表5.1，得三角波KF=l.15，故被測三角波的有效值為 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

4) 波形誤差 因讀數是按標準無失真正弦波有效值定度的，而實際正弦波和非正弦波則會有誤差。 定義：讀數與實際有效值之間的相對誤差為波形誤差 （5.20） 用均值電壓表測量非正弦波電壓時，其讀數應作修正。 將式（ 5.20）代入上式，則有 求例5.1中波形誤差：三角波KF=1.15 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

典型產品： TH2172型：頻率范圍5Hz～2MHz，測量范圍 DA16型：頻率范圍20Hz～2MHz，測量范圍100μV～300V。最小量程l mV，誤差±3%，輸入電阻1.5MΩ。 指針式萬用表：交流電壓測量檔采用了半波均值檢波器，并以正弦有效值刻度，由于它依據直接測量原理，且靈敏度低，因此，指針式萬用表主要用于工頻（ 50Hz）及要求不高的低頻（一般為幾到幾十kHz以下）電壓的測量中。 TH2172500型5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

2. 峰值電壓表 峰值電壓表的工作頻率范圍寬、輸入阻抗較高，有較高的靈敏度，但存在非線性失真。 1)峰值電壓表組成 峰值電壓表，簡稱峰值表，屬檢波―放大式電子電壓表，又稱為超高頻毫伏表。它由峰值檢波器（置于機箱外探頭中）、分壓器、直流放大器和微安表等組成（置于電壓表機箱中），如圖5.13所示。 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

2)峰值檢波器 條件： 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

3)刻度特性 峰值電壓表響應被測電壓的峰值UP，讀數α（峰值表的指示值）為 K——定度系數， 對正弦波讀數α就是有效值 非正弦波讀數α無物理意義，要通過： 求出峰值，再由峰值因數KP求出有效值U 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

例5.2 用峰值電壓表測量一個三角波電壓，讀得測量值為10V， 試求有效值為多少伏？ 解：對于峰值表，讀數乘以 在就等于被測電壓的峰值。因此，三角波的峰值為 由表5.1查得三角波 故被測三角波的有效值為 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

4)波形誤差 由于峰值電壓表的讀數沒有直接的物理意義，測量非正弦波時， 如果不進行換算，將產生波形誤差。其定義為 （5.28） 即 （5.29） 對于例5.2 可見，用峰值表測量失真的正弦電壓或非正弦電壓時，若將讀數當成輸入電壓的有效值，就會產生波形誤差。而且，峰值電壓表的波形失真較大。 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

超高頻毫伏表都是峰值電壓表。典型產品DA－l型：頻率范圍10kHz～1000MHz，測量范圍0.3mV～3V，誤差優于±l%（3mV檔）。 HFJ—8型頻率范圍5kHz～300MHz，測量范圍lmV～3V。HFJ一8A型頻率范圍5 Hz～1GHz，測量范圍lmV～3V，可擴展到300V。HFJ-8B5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

3. 有效值電壓表以上均值表、峰值表測的不是有效值，只是按有效值讀數，故實為偽有效值。而有效值電壓表，直接獲得有效值，是真有效值表。 1)熱電偶式： 不同金屬界面逸出功不同，冷、熱端形成電位差 電勢 E=kU2電勢正比輸入功率，可作微波功率計。 如何直接測電壓？ 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

典型產品：DA30型，頻率范圍10Hz~10MHz，量程范圍1mV~300V 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

2)計算式 硬件實現------有專用IC，如AD637 軟件實現------用計算機完成運算 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

表5.2 三種電子電壓表主要特性比較 均值 1.11 U=KF 5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

若在示波器上分別觀察峰值相等的正弦波、方波、三角波，得Up＝5V；現在分別采用三種不同檢波方式并以正弦波有效值為刻度的電壓表進行測量，試求其讀數分別為多少？5.3 交流電壓的測量/ 5.3.2 交流電壓的測量

5.4 數字電壓表概述 / 5.4.1 數字電壓表組成原理 數字電壓表(DVM—Digital Voltmeter)

5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性1. 測量范圍 1）量程---借助于分壓器和輸入放大器來實現 2)位數 顯示位數：通常為3?位～8?位。 判定數字儀表的位數有兩條原則： ① 能顯示從0～9所有數字的位是整數值； ② 分數位的數值是以最大顯示值中最高位數字為分子，用滿量程時最高位數字做分母。 例如，1999≈2000， 3 1/2 三位半 39999 ≈40000， 4 3/4 四又四分之三位 499999 ≈500000， 5 4/5 五又五分之四位

3) 超量程能力 在臨界量程處，不會降低精度和分辨力。 10V檔： 9.999V（只能顯示0.006）100V檔： 99.99V（只能顯示10.00）測量 ： 10.006V溢出1丟失65.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

數字電壓表在最低電壓量程上末位1個字所代表的電壓值，稱做儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數的增加而提高。 例如，3?、6?位、8?位DVM的最高分辨力分別為1mV、1μV、10nV。 分辨率：數字電壓表的分辨力指標亦可用分辨率來表示。分辨率是指所能顯示的最小數字（零除外）與最大數字的百分比。例如，3?位DVM的分辨率為1/1999≈0.05％。 由于分辨力與數字電壓表中A/D的位數有關，位數越多，分辨力愈高，故有時稱具有多少位的分辨力。例如，稱12位A/D具有12位分辨力，有時也用最低有效位LSB的步長表示，把分辨力說成分辨率1/212或1/4096或。同時，分辨力越高，被測電壓愈小，電壓表愈靈敏，故有時把分辨力稱作靈敏度。 5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

3.最大允許誤差與不確定度數字電壓表的說明書上用絕對誤差Δ表示，其表示方式有多種： ΔU=±(a％Ux十b％Um) =± (a％Ux十n個字) =± (appmUx十bppmUm) 例：DS-14基本量程5V，4 4/5位ΔU=±(0.006％Ux十0.002％Um) =± (0.00006Ux十0.00002*5) =±(60*10-6Ux+0.0001V)=± (60ppmUx十1個字) 4.9999V 末位跳1個字 100μV滿度誤差決定量化誤差、內部噪聲讀數誤差決定轉換系數、非線性 DVM廠家給出的絕對誤差 實際上也就是該DVM的最大允許誤差，即該儀器的置信區間。這是由廠家產品質量決定的，不是通過多次測量由標準差求得的，故屬B類標準不確定度。5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

由于最大允許誤差 在5V量程內對測量值都有影響，即其在5V范圍內出現的概率相同，故應屬于均勻分布。因此，這里a即為均勻分布的半寬，按表2.10查得 。 故該數字電壓表示值的B類標準不確定度為： 第二章已經指出最大允許誤差的“模”即絕對值 ，就是置信區間的半寬a，由它可以求得B類標準不確定度。 現仍用例5.3中DS-14 DVM來求其在5V量程上測量3V電壓時的不確定度 5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

分辨力 準確度（誤差） ≠需要指出，分辨力與準確度屬于兩個不同的概念。前者表征儀表的“靈敏性”，即對微小電壓的“識別”能力；后者反映測量的“準確性”，即測量結果與真值的一致程度。二者無必然的聯系，因此不能混為一談，更不得將分辨力（或分辨率）誤以為是類似于準確度的一項指標。實際上分辨力僅與儀表顯示位數有關，而準確度則取決于A/D 轉換器等的總誤差。從測量角度看，分辨力是“虛”指標（與測量誤差無關），準確度才是“實”指標（代表測量誤差的大小）。 因此，任意增加顯示位數來提高儀表分辨力的方案是不可取的。例選用分辨率為24位的A/D，并不能保證實現24位的準確度。 在設計上通常，分辨力應高于準確度，保證分辨力不會制約可獲得的準確度，以保證從讀數中檢測出小的變化量。 例：見下頁。 5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

例：用4 ?位sx1842DVM測1.5V電壓，分別用2V檔和200檔測量，已知：2V檔固有誤差：±0.025%Ux ±1個字，200V檔固有誤差：±0.03%Ux ±1個字問：兩種情況下由固有誤差引起的測量誤差各為多少？解：因4 ?位DVM最大顯示為19999，所以2v和200v檔的±1個字分別代表：結論：1.不同量程“±1個字”誤差對測結果不一樣，測量時應盡量選擇合適的量程。同模擬電壓表結論一致。 2.雖然DVM有4 ?位分辨力，但不正確使用，則達不到應有的準確度。故分辨力高不等于準確度高。5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

4. 測量速率 測量速率是每秒鐘對被測電壓的測量次數或測量一次所需的時間，它主要取決于DVM中所采用的A/D轉換器的轉換速率。 5. 輸入阻抗與輸入電流目前，多數數字電壓表的輸入級用場效應管組成，在小量程上，其輸入阻抗可高達104MΩ以上，在大量程時(如100V、1000 V等)，由于使用了分壓器，輸入阻抗一般為10MΩ。 6. 響應時間 響應時間是DVM跟蹤輸入電壓突變所需的時間。響應時間與量程有關，故可按量程分別規定或規定最長響應時間。響應時間分為三種。 7.抗干擾能力——串模抑制比和共模抑制比 數字電壓表的內部干擾有漂移及噪聲，外部干擾有串模干擾及共模干擾。 5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

例：兩臺DVM ，最大計數容量分別為①19999；②9999。 若前者的最小量程為200mV，試問： (1) 各是幾位的 DVM ； (2) 第①臺DVM的分辨力是多少？ (3) 若第①臺DVM的工作誤差為0.02%Ux±1字，分別用2V檔和20V 檔測量Ux=1.56V電壓時，問固有誤差各是多少？5.4 數字電壓表概述 / 5.4.2 數字電壓表的主要工作特性

1. 按結構形式分1)臺式通常5 以上 2)便攜式 通常3 及4 位數 3)面板表也稱數字表頭。多為3 ～4 直流電壓表，只有一個基本量程，如0~5V，用于機器面板上，取代原來模擬指針式表頭。 5.4 數字電壓表概述 / 5.4.3 數字電壓表的分類

2.按A/D轉換器原理 各種數字面板表5.4 數字電壓表概述 / 5.4.3 數字電壓表的分類

5.4 數字電壓表概述 / 5.4.3 數字電壓表的分類

5.4 數字電壓表概述 / 5.4.3 數字電壓表的分類

5.4 數字電壓表概述 / 5.4.3 數字電壓表的分類

5.4 數字電壓表概述 / 5.4.3 數字電壓表的分類

5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器 1. 工作原理 Ui-Ur+UrK1K1K2K2K3K3K4K4ARC+--+比較器積分器CD發生器時鐘顯示器數字輯電路控制邏計數器過程：三階段準備期----復零，K4接通取樣期----第一次積分，K1接通 特點：定時積分T1固定， UO1∞(正比)于Ui比較期----第二次積分，K3/K4接通 特點：定值積分（反向） N2∞UO1∞UIB

5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器

2. 關系式 1)數學推導 （5.45） （5.46） （5.47） 5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器

令 e——刻度系數（伏/字）。例如，Ur=10V，N1=10000，則e=Ur/N1=1mV/字。 2) 面積相等S1=T1Ui， S2=T2Ur相等，則S1=S2， 故 3)電荷相等 T1期間充電電荷Q1=(Ui/R1) T1與T2期間放電電荷Q2=(Ur/R2)T2相等。則Q1=Q2，故 （5.48） 式（5.48）當充放電電路中限流電阻不等時，應用很方便。當R1=R2時，則與（5.45）的結果相同。 5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器

3. 雙斜積分式A/D轉換器的特點 1)抗串模干擾能力強5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器

5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器 所謂串模干擾是指與被測信號相串聯地加到DVM輸入端的干擾信號對脈沖性質的干擾信號，雙斜積分式A/D也有一定的平均作用。 2)對積分元件及時鐘信號的穩定性和準確度要求大為降低 因為，在采樣和比較測量兩個階段內使用的是同一積分器和時鐘信號，其影響可以相互抵消。對它們只要求有足夠的短期穩定性即可。 3)測量靈敏度較高 雙積分式DVM有效地解決干擾問題，只要適當選擇R、C、T1，積分放大器可以得到很高的增益(A＝T1／RC)，可測mV級電壓。4)測量速度慢是其主要缺點為了抑制電源50Hz工頻干擾，一般T1取20~l00 ms，再加上T2等時間，故測量速率一般只有5~ 30次／s左右。 5)積分器、比較器中運放的零點漂移會帶來轉換誤差

5.單片雙斜積分式A/D轉換器7106是把模擬電路與數字邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規模CMOS集成電路，其工作原理與ICL7126、ICL7135基本一致。7106是目前在各種數顯表和萬用表中使用較多的一種芯片。 5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器

例：DS－18型五位雙積分型數字電壓表中Us＝－6.0000V，fc＝0.75MHz，計數器滿量程N1＝60000，求被測電壓Ux＝2.5000V時，計數器計數值N2為多大？采樣時間Tl和測量時間T2分別為多大？ 5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.1 雙斜積分式A/D轉換器

5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發展1. 雙斜積分ADC的不足⑴ 精確度不夠高，自動校零后也僅做到3 ~4 位，若要提高到5~4 怎么辦呢？ ⑵ 轉換速度低，因為每次測量要經歷復零、采樣、比較三個階段，尤其采樣階段T1按n倍工頻周期設計，測量速率一般只有5~ 30次／s左右。若要提高到500~1000次/s要采用什么措施？ 當前積分式DVM精度已達8 ，測量速率高的可達1000次/s。在高精度、高速度的DVM產品中，各廠商都有自己的專利技術，不會公開其關鍵技術與工藝。現介紹改進的基本思路。 2. 改進的基本途徑 ⑴放棄T1=nT~ 的設計原則，改用對工頻干擾進行濾波、屏蔽等措施，從而縮短T1采樣期。

故 比較期分兩步：（先用大刻度系數e提高速度，后用小e保證分辨率）為放電快→Ur↑→e↑→分辨率↓討論：如何提高速度？設法使T2 ↓（應加速放電）：5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發展

⑵三斜積分---比較期T2分步進行。看出，為了保證分辨率，刻度系數e要小，則基準電壓Ur不能大大，則比較期對積分電容反向充電速度慢。若將雙斜式改為三斜式，將比較期分為兩步： 5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發展

5.5 積分式A/D轉換原理/ 5.5.5 積分式A/D的發展

分為 : 5.6 比較式A/D轉換器

1. 物理思想：對分搜索 5.6 比較式A/D轉換器/5.6.1 逐次逼近比較式A/D轉換器

2.電路實現：（與天平秤對應） 1閉0開5.6 比較式A/D轉換器/5.6.1 逐次逼近比較式A/D轉換器

常用的逐次逼近比較式A／D變換器 逐次逼近，只能逼近，不能完全與被測電壓相等。若要減小誤差，只有增加位數。 但位數增加，電路復雜，成本提高，關鍵是末位比較電壓太小易受干擾噪聲影響以至無法工作。能否不要很多位（如只有1位），逐次比較一遍，將相差的余數(剩余誤差)存下來，放大10倍再又比較一遍，又將余數存下 來，放大后又再比較一遍，這樣反復循環下去，則可以用較少的位數實現非常精確的逼近。這就是下面介紹的余數循環式A/D。 5.6 比較式A/D轉換器/5.6.1 逐次逼近比較式A/D轉換器

放大器減法器采樣保持電路5.6 比較式A/D轉換器/5.6.2 余數循環比較式A/D

表5.10 余數循環比較過程余數循環式A/D的特點如下： (1)分辨力高 目前余數循環比較式A/D的分辨力還僅限于10-6～10-7量級。 (2)轉換速度快 完成一次22bit轉換約需1.6ms時間， 美國FLUKE公司的DMM以余數循環比較式A/D著稱，該公司的8520A型DMM在進行直流電壓測量時，最高分辨力達1μV，讀數速率為500次/秒。 5.6 比較式A/D轉換器/5.6.2 余數循環比較式A/D

(3)具有自動糾錯能力，即使在轉換過程中出現某些判別錯誤， 最后也能給出正確結果。 5.6 比較式A/D轉換器/5.6.2 余數循環比較式A/D

例：P208.5.125.6 比較式A/D轉換器/5.6.2 余數循環比較式A/D

表5.13 各類模數轉換器的比較 5.6 比較式A/D轉換器/5.6.2 余數循環比較式A/D

數字多用表DMM ( Digital MultiMeter)是具有測量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻等多種功能的數字測量儀器。 5.7 數字多用表DMM

兩種 DMM 5.7 數字多用表DMM

被測信號ui送入到X、Y輸入端，從XY／Z端輸出的電壓經平均值電路(有源低通濾波器)再送回Z輸入端，故直流輸出電壓為 （5.63） 真有效值5.7 數字多用表DMM/5.7.1 交流—直流(AC—DC)轉換器

Ix=Uo/RS （5.64） 5.7 數字多用表DMM/5.7.2 電流-電壓（I-U）轉換器

5.7 數字多用表DMM/5.7.3 電阻—電壓(Ω—V)轉換器當在被測的未知電阻Rx中流過已知的恒定電流IS時，在RX上產生的電壓降為U＝RxIs，故通過恒定電流可實現Ω—V轉換。

臺式DMM的位數較多，精度及自動化程度較高。各廠家都有自己的專利技術，近年已做到8 位的極限精度。噪聲電壓源Un2=4kTRB 對于DVM來說，在低源電阻情況下可以測到0.1μV 小于μV級的低電平測量要選用專門的納伏表（KEITHLEY）5.7 數字多用表DMM/5.7.4 數字多用表的發展簡況

表5.15 幾種手持式數字多用表的主要性能5.7 數字多用表DMM/5.7.4 數字多用表的發展簡況

表5.16 幾種臺式的數字多用表主要性能 5.7 數字多用表DMM/5.7.4 數字多用表的發展簡況

當制作為一臺實際的數字電壓表，從設計開始就得研究如何減小誤差和防止干擾。本節對這兩個問題分別進行討論，以加深對數字電壓表性能的理解。 5.8 數字電壓表的誤差與干擾

形式1 形式2 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.1 數字電壓測量誤差公式

以雙積分DVM為例作簡要說明： 各部分誤差最終影響： 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.2 數字電壓表主要部件誤差分析

式中a、b怎么求得的？ 1. 誤差鏈及a、b誤差系數的計算 1)誤差系數a的求得 由誤差合成定理，總相對誤差是各部分相對誤差之和。 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.3 數字電壓測量的誤差合成

2)誤差系數b的求得 在儀器鏈形結構的每一個部件中還存在不隨被測量Ux變化的誤差量，例如器件的失調電壓及溫漂。這種誤差屬于誤差公式的Δb部分，現在討論其分析方法。 在圖5.64中，認為每一部件所產生有關Δb項的絕對誤差都歸算到各部件自身的輸入端，它們分別為ΔU1，ΔU2，…，ΔUn。它們全部歸算到儀器的輸入端的表達式為 （5.81） 因此，在儀器的輸入端總的絕對誤差為 （5.82） 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.3 數字電壓測量的誤差合成

數字電壓表的測量精度達10-5～10-6量級，最高達10-8。這里主要討論影響電壓測量精度的各種因素以及為了提高測量精度而采取的各種措施。1.影響電壓精密測量的因素 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測量的干擾及其抑制技術

2.串模干擾的抑制方法 特點：Un與UX串聯，最嚴重最常見的是市電50~工頻干擾 措施：輸入端加濾波器 采用積分式DVM 3.串模抑制比（Normal Model Reject Rate，簡寫為 NMRR） 正弦波干擾電壓Un（即使是非正弦波電壓也可以分解為各種頻率的正弦波分量），即 →串模干擾的幅值→串模干擾引起的最大測量誤差. （被平均抑制后的值）推導過程見教材 p2105.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測量的干擾及其抑制技術

積分式DVM對串模干擾的抑制特性 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測量的干擾及其抑制技術

3.共模干擾的抑制方法 1)共模抑制比的定義 特點：Ucm同時影響 DVM的H、L端原因：Ux較遠，與DVM地電位不同Ucn------共模干擾電壓在DVM的H、L端引入的等效干擾電壓（相當于串模干擾電壓）。 5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測量的干擾及其抑制技術

定義：共模抑制比CMRR(Common Model Reject Rate) 為 前面已求得代入定義2)提高共模抑制比的措施DVM采用雙重屏蔽和浮置（原理：加大干擾回路阻抗，使Ucn減小） →共模干擾電壓→共模干擾H、L輸入值rcm<

代入 CMRR定義Ucm/Ucn5.8 數字電壓表的誤差與干擾/5.8.4 電壓測量的干擾及其抑制技術

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