1、第第5 5章章 數字測量方法數字測量方法5.1 5.1 電壓測量的數字化方法電壓測量的數字化方法 數字化測量是將連續的模擬量轉換成斷續的數數字化測量是將連續的模擬量轉換成斷續的數字量，然后進行編碼、存儲、顯示及打印等。進行字量，然后進行編碼、存儲、顯示及打印等。進行這種處理的電參數是直流電壓和脈沖（或交流）頻這種處理的電參數是直流電壓和脈沖（或交流）頻率，對應的測量儀器是數字電壓表（率，對應的測量儀器是數字電壓表（DVMDVM）和電子）和電子計數器（數字頻率計）。計數器（數字頻率計）。數字式儀器的綜合結構：數字式儀器的綜合結構：5.1.1 DVM5.1.1 DVM的特點的特點1.1.數字顯示：

2、消除視覺誤差數字顯示：消除視覺誤差2.2.準確度高：準確度高：4-64-6位，甚至位，甚至7-87-8位位3.3.測量范圍：顯示位數及超量程能力測量范圍：顯示位數及超量程能力( (半位半位) )4.4.分辨力高：最小量程時末位跳一個字所需的最小輸入電壓值。分辨力高：最小量程時末位跳一個字所需的最小輸入電壓值。直流直流DVMDVM的組成：的組成：5.5.測量速度快：每秒中進行測量的次數。測量速度快：每秒中進行測量的次數。6.6.輸入阻抗高：輸入阻抗高：10M10M。7.7.抗干擾能力強抗干擾能力強 (1)(1)串模干擾：干擾源電壓以串聯形式與被測串模干擾：干擾源電壓以串聯形式與被測電壓疊加后接至

3、電壓疊加后接至DVMDVM輸入端。輸入端。串模抑制比：串模干擾電壓的峰值與由串模干擾引起串模抑制比：串模干擾電壓的峰值與由串模干擾引起的最大顯示誤差之比。的最大顯示誤差之比。dBlg20maxUUSMRsmp設串模干擾電壓為一正弦波，設串模干擾電壓為一正弦波，DVMDVM的采樣時間為的采樣時間為T T1 1，在在T T1 1內經積分后的電壓反映了內經積分后的電壓反映了u ux x的平均值。則的平均值。則在采樣時間在采樣時間T T1 1內，干擾源頻率越高，內，干擾源頻率越高，SMRSMR越大。對越大。對50Hz50Hz的工頻干擾，如果取的工頻干擾，如果取smnTT 1nnSMRsinlg20當當

4、n n為整數時，為整數時，SMR=SMR=，即干擾信號經平均后消失。，即干擾信號經平均后消失。積分型積分型DVMDVM具有較高的具有較高的SMRSMR。smsmTTTTSMR11sinlg20(2)(2)共模干擾共模干擾當被測信號的地端與當被測信號的地端與DVMDVM的機殼間存在共模干擾電壓的機殼間存在共模干擾電壓U Ucmcm時時, ,將產生干擾電流將產生干擾電流I I1 1和和I I2 2, ,分別串入分別串入R R1 1和和R R2 2支路支路,I,I1 1在信號源內阻在信號源內阻R Rs s及及R R1 1上的壓降上的壓降, ,以及以及I I2 2在在R R2 2上的壓降上的壓降, ,

5、共模抑制比共模抑制比由于由于21ZZ ，不計干擾電流，不計干擾電流I1的影響，的影響，2222ZUZRRUIcmpCcmpm2m2maxRIUdBlg20maxUUCMRcmpdBlg20lg20222222RZRIZICMRmmZ2中電阻成分反映對直流信號的共模抑制比，電容中電阻成分反映對直流信號的共模抑制比，電容成分反映對交流信號的共模抑制比。成分反映對交流信號的共模抑制比。當當R2一定時，增大一定時，增大Z2，可以提高，可以提高CMR。一般將一般將DVM中的中的A/D轉換器進行浮置（輸入低端與轉換器進行浮置（輸入低端與機殼不連接）。機殼不連接）。5.1.2 DVM5.1.2 DVM的主要

6、類型的主要類型 DVM DVM的區別主要是的區別主要是A/DA/D轉換方式。轉換方式。1. 1. 逐次比較型逐次比較型DVMDVM的工作原理：將被測電壓與可變標的工作原理：將被測電壓與可變標準電壓進行比較，直至達到平衡準電壓進行比較，直至達到平衡( (直接轉換直接轉換) )。2. U-T積分型積分型DVM的工作原理的工作原理(間接轉換間接轉換)雙斜積分式雙斜積分式DVM 在一個測量周期內用同一個積分器進行兩次積在一個測量周期內用同一個積分器進行兩次積分，將被測電壓分，將被測電壓Ux轉換成與其成正比的時間間轉換成與其成正比的時間間隔，在此間隔內填充標準頻率的時鐘脈沖，用儀隔，在此間隔內填充標準頻

7、率的時鐘脈沖，用儀器記錄的脈沖個數來反映器記錄的脈沖個數來反映Ux的值。的值。(與雙積分式與雙積分式ADC原理相同原理相同)準備階段準備階段(S4)：放電：放電采樣階段采樣階段(S1)：定時積分：定時積分(計數器溢出斷開計數器溢出斷開S1)設時鐘脈沖的周期設時鐘脈沖的周期T0=10s比較階段比較階段(S2)：定值積分，使積分器輸出為：定值積分，使積分器輸出為0.2121d1d1111ttxttxotUTRCTtURCuxomoURCTUu11ms60101060006011TNT32d12ttNomotURCUuNNNxUNNUTNTNUTTU12010212xomNURCTUURCT12特點

8、：特點：(1) 準確度主要取決于基準電壓準確度主要取決于基準電壓UN的準確度和穩定度，的準確度和穩定度，與積分參數基本無關。與積分參數基本無關。(2) 由于兩次積分都是對同一時鐘源進行計數，從而由于兩次積分都是對同一時鐘源進行計數，從而降低了對脈沖源頻率準確度的要求。降低了對脈沖源頻率準確度的要求。(3) 由于測量結果反映的是被測電壓在采樣時間由于測量結果反映的是被測電壓在采樣時間T1內內的平均值，故串入被測電壓信號中的各種干擾成分將的平均值，故串入被測電壓信號中的各種干擾成分將通過積分過程而減弱。通過積分過程而減弱。(2) U-F積分型積分型DVM工作原理工作原理被測電壓被測電壓Ux通過積分

9、以后輸出一線性變化的電壓通過積分以后輸出一線性變化的電壓,控控制一個振蕩器制一個振蕩器,產生于被測電壓成正比的頻率值產生于被測電壓成正比的頻率值,再用再用數字頻率計測量出頻率值數字頻率計測量出頻率值,從而表示被測電壓大小。從而表示被測電壓大小。fkUxfUTRRRSfRRRURRRUNFF0211211211xNFUKUTURRRf0121特點：特點： U/F轉換器的轉換準確度主要取決于基準電壓轉換器的轉換準確度主要取決于基準電壓UN及及F/U轉換器的準確度，而轉換器的準確度，而F/U轉換器具有較高轉換器具有較高的轉換準確度，因此，能夠確保的轉換準確度，因此，能夠確保U/F徹底轉換。只徹底轉換

10、。只要要UN，R1，R2的值準確穩定，則的值準確穩定，則f與與Ux嚴格成正比。嚴格成正比。除二重積分外，還有三重積分、四重積分、甚至五除二重積分外，還有三重積分、四重積分、甚至五重積分的轉換器，效果更佳理想。重積分的轉換器，效果更佳理想。3. U-F轉換器實用電路轉換器實用電路(1) 恢復型恢復型U-F轉換器轉換器(2) 由單片集成電路構成的由單片集成電路構成的10kHz U-F 轉換器轉換器4.1.3 DVM4.1.3 DVM的測量誤差的測量誤差a%Ux用示值相對誤差表示，與讀數成正比，稱為用示值相對誤差表示，與讀數成正比，稱為讀數誤差；讀數誤差；bUm稱為滿度誤差，與被測電壓大小無關，而稱

11、為滿度誤差，與被測電壓大小無關，而與所取量程有關，常用正負幾個字來表示。與所取量程有關，常用正負幾個字來表示。當不在接近滿量程顯示時，誤差是很大的，為此，當不在接近滿量程顯示時，誤差是很大的，為此，當測量小電壓時，應當用較小的量程。當測量小電壓時，應當用較小的量程。幾個字xmxUaUUbUaU%DVM的固有誤差通常表示為：的固有誤差通常表示為：【例例5.1.1】用一只用一只4位位DVM的的5V量程分別測量量程分別測量5V和和0.1V電壓，已知該儀表的準確度為電壓，已知該儀表的準確度為0.01%Ux1個個字，求由儀表的固有誤差所引起的測量誤差的大小。字，求由儀表的固有誤差所引起的測量誤差的大小。

12、(1)測量測量5V電壓電壓5V量程時，量程時，1個字相當于個字相當于0.001V，所以絕對誤差，所以絕對誤差 U= 0.01%51個字個字 = 0.0005 0.001= 0.0015V示值相對誤差示值相對誤差U= 0.0015 /5=0.03%(2)測量測量0.1V電壓電壓 U= 0.01%0.11個字個字 = 0.00001 0.001= 0.001V示值相對誤差示值相對誤差U= 0.001 /0.1=1%5.2 5.2 直流數字電壓表直流數字電壓表1.單片CMOS雙積分式A/D轉換器 7106, 7107, 7116, MC14433, 71352.由A/D轉換器為主體構成的數字電壓表邏

13、輯電路邏輯電路邏輯及驅動電路邏輯及驅動電路5.3 5.3 多用型數字電壓表多用型數字電壓表 以測量直流電壓的以測量直流電壓的DVM為基礎，通過各種參數為基礎，通過各種參數變換器將其他參數變換為等效的直流電壓變換器將其他參數變換為等效的直流電壓U，通過，通過測量測量U值來獲得所測參數的數值。值來獲得所測參數的數值。1.交流電壓交流電壓-直流電壓直流電壓(AC-DC)轉換器轉換器2.2.精密全波檢波電路精密全波檢波電路輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，而與輸入電壓的輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，而與輸入電壓的極性無關，即輸出電壓與輸入電壓的絕對值成比例。極性無關，即輸出電壓與輸入電壓的絕對值成比例

14、。當輸入信號為正時，當輸入信號為正時，VD1截止，截止，VD2導通導通 uo1=(-R2/R1)ui；uo=ui當輸入信號為負時，當輸入信號為負時，VD2截止，截止，VD1導通導通 uo=(-R5/R3)ui=-ui若在若在R5上并聯一只電容，則其輸出電壓與輸入電上并聯一只電容，則其輸出電壓與輸入電壓絕對值的平均值成比例。壓絕對值的平均值成比例。3.電阻電阻-直流電壓直流電壓(R-U)轉換器轉換器被測電阻被測電阻Rx接在反饋回路，標準電阻接在反饋回路，標準電阻RN接在輸入回接在輸入回路，路，UN是基準電壓。是基準電壓。NNRUI xNNxoRRUIRU不適合測量小電阻。不適合測量小電阻。NNN

15、NRERRRRUI211與被測電阻無關。與被測電阻無關。(a)(b) 與雙積分型與雙積分型DVM配合配合,對對Ux定時積分定時積分(S1接通接通)xNNxxRRUIRU對對UN定值積分定值積分(S2接通接通)21TTRRNx4.直流電流直流電流-直流電壓直流電壓(I-U)轉換器轉換器采樣電阻串聯到被測電采樣電阻串聯到被測電路中，適于路中，適于Ix較大時。較大時。并聯電壓負反饋放大電并聯電壓負反饋放大電路，適于路，適于Ix較小時。較小時。NxRIU iNxoRIRRU32-NxRIU o5.5.用數字面板表測直流電流用數字面板表測直流電流電流測量是通過測試取樣電阻電流測量是通過測試取樣電阻RsR

16、s的壓降來完成的。的壓降來完成的。多用型數字電壓表原理框圖多用型數字電壓表原理框圖5.4 5.4 頻率的測量頻率的測量5.4.1 5.4.1 標準頻率源標準頻率源1.1.原子頻標的基本原理原子頻標的基本原理原子秒：與銫原子秒：與銫-133-133原子基態的兩個超精細能級間躍遷相對應原子基態的兩個超精細能級間躍遷相對應的的91926317709192631770個周期的持續時間。個周期的持續時間。精度：精度：1010-13-13-10-10-14-14。 冷銫原子噴泉鐘冷銫原子噴泉鐘( (我國研制我國研制) )：1s/3501s/350萬年萬年2.2.氫原子鐘：氫原子鐘：精度：精度：1010-1

17、2-123.3.銣原子鐘：銣原子鐘：精度：精度：1010- -11114.4.離子儲存頻標：離子儲存頻標：精度：精度：1010-15-15-10-10-16-16 未來時間標準未來時間標準。國家授時中心國家授時中心：陜西天文臺：陜西天文臺 利用電臺、電視臺、因特網或電話網絡發布不同利用電臺、電視臺、因特網或電話網絡發布不同準確度的標準時間頻率信號。準確度的標準時間頻率信號。5.5.頻段的劃分頻段的劃分 國際上規定國際上規定30kHz30kHz以下為甚低頻、超低頻；以下為甚低頻、超低頻；30kHz30kHz以上每以上每1010倍頻依次劃分為低、中、高、甚高、特高、倍頻依次劃分為低、中、高、甚高、

18、特高、超高等頻段。微波技術中，按波長劃分為米波、分米超高等頻段。微波技術中，按波長劃分為米波、分米波、厘米波、毫米波等。波、厘米波、毫米波等。5.4.2 5.4.2 電子計數式頻率計的原理電子計數式頻率計的原理1.1.時間基準的產生時間基準的產生 一般選用頻率一般選用頻率穩定度良好的石英穩定度良好的石英晶體振蕩器來產生晶體振蕩器來產生時間基準，它的短時間基準，它的短時穩定度可達時穩定度可達10-9量級。量級。2.2.計數式頻率計的測頻原理計數式頻率計的測頻原理TNfxBABAABffTfTTN5.4.3 5.4.3 頻率計數器的組成頻率計數器的組成5.4.4 高精度高精度10MHz頻率計頻率計

19、放大及限幅電路放大及限幅電路定時定時/計數器芯片計數器芯片5.4.5 5.4.5 脈沖累計的測量脈沖累計的測量 與測頻原理相同，需要主門開放時間較長，門與測頻原理相同，需要主門開放時間較長，門控電路的輸入端改用人工控制。控電路的輸入端改用人工控制。5.4.6 5.4.6 用計數式頻率計測量頻率比用計數式頻率計測量頻率比頻率高的信號接頻率高的信號接A A，作為計時脈沖；頻率低的信號接，作為計時脈沖；頻率低的信號接B B，作為，作為門控信號。門控信號。NTTffABBA為了提高測量為了提高測量準確度，可將準確度，可將頻率信號頻率信號B B的周的周期擴大，使主期擴大，使主門的開方時間門的開方時間增加

20、。增加。5.4.7 5.4.7 誤差分析誤差分析 閘門時間閘門時間T T是否準確？計數器計數是否準確？是否準確？計數器計數是否準確？按誤差合成原理：按誤差合成原理：1.1.量化誤差量化誤差1 1誤差誤差 N/N稱為量化誤差，是數字化儀器特有的誤稱為量化誤差，是數字化儀器特有的誤差。其差。其特點是：不管計數值特點是：不管計數值N為多少，其最大誤為多少，其最大誤差總是差總是1 1個量化單位。個量化單位。 最大量化誤差相對值：最大量化誤差相對值：TTNNffxxxTfNNN11選擇閘門時間的選擇閘門時間的原則原則：既不使計數器溢出，又使測量的準確度：既不使計數器溢出，又使測量的準確度最高。最高。2.

21、2.標準頻率誤差標準頻率誤差ccxxxffTfff1在在fx一定時，閘門時間一定時，閘門時間越長，測量精度越高；越長，測量精度越高；當當T一定時，一定時，fx越高，則越高，則1誤差對測量結果的誤差對測量結果的影響越小，從而提高測影響越小，從而提高測量精度。量精度。低頻時應測周低頻時應測周期。期。ccffTT5.5 5.5 時間的測量時間的測量1.1.周期的測量周期的測量(1)(1)測量原理：將被測周期與時標比較，若在測量原理：將被測周期與時標比較，若在TxTx期間期間計數值為計數值為N N：sxNTT “周期倍乘周期倍乘”的方法減小的方法減小1誤差。誤差。(2)(2)誤差分析誤差分析ssxxTT