5.4

數字式多用表數字式電壓表（DVM）是利用模/數（A/D）轉換器，將模擬的被測電壓量轉換成數字量，然后利用十進制數字顯示方式顯示被測量數值的電壓表。數字多用表的框圖如圖5.13所示。Evaluation

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Ltd.圖5.13數字多用表的框圖5.4.1

數字電壓表的分類與被測電壓進行比較，把被測電壓轉換成與其瞬時值目前數字電壓表的品種很多，按其模/數轉換器（A/D）原理來區分，可分為斜坡式、雙積分式、比較式和復合式等四類。斜坡式數字電壓E表valuation

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斜wi坡th式A數sp字os電e壓.S表li是d利es用f積or分.器NE產T生3.的5線Cl性i斜en坡t

電Pr壓ofi成比例的Co時py間r間ig隔htT，20即0采4-用20的11是AUs-Tp（os電e

壓Pt-y時L間td）.變換式，并在T時間內，用時鐘脈沖進行計數，計數的結果即為被測電壓值。2．雙積分式數字電壓表利用積分器對被測電壓進行正向和反向兩次積分，得到與輸入電壓平均值成正比的時間間隔T，并在T的時間間隔內對時鐘脈沖進行計數，最后用數字顯示被測電壓值。模擬量直接轉換成數字量的電壓表。4．復合式數字電壓表復合式數字電壓表是將積分式與比較式結合起來，取長補短發展起來的一種測速快、抗干擾能力強的高精度DVM。Evaluation

only.ed?w3i．th比A較sp式o數se字.S電l壓id表es

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Profi利用輸C入o的py模ri擬gh電t壓2與00基4-準20電1壓1

進As行po比se較P的ty方L法t，d.把1．測量范圍測量范圍包括顯示的位數、量程的范圍和是否具有超量程能力等。顯示位數位數是指能顯示0E~9v共al十ua個t完io整n

數on碼ly的.顯示器的位ed數w。it其h

中As1p/o2s位e，.S指li的de是s最f高or位.只NE能T

取3.“51C”li或e“nt0”Pr，ofi不能將0~C9o十py個r數ig碼ht全2部00顯4示-2的01位1。Aspose

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Ltd.量程的范圍DVM的量程范圍包括基本量程和擴展量程。基本量程是測量誤差最小的量程，它不經過衰減和放大器；擴展量程是采用輸入衰減器和放大器來完成的，它的測量精度比基本量程的測量精度降低。5.4.2

數字電壓表的主要技術指標（3）超量程能力1/2位和基本量程結合起來，說明DVM是否具有超量程能力。2．分辨率Evaluation

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w分it辨h

率As是po指sDeV.MS能li夠d顯es示f的or被.測NE電T壓3.的5最Cl小i變en化t

值Pr，ofi即顯示器C末op位yr跳i動gh一t個20數04字-所20需11的A電sp壓o值se。P在ty不L同td的.量程上DVM的分辨率是不同的，在最小量程上，DVM具有最高分辨率。

3．測量速率測量速率是指每秒對被測電壓的測量次數，或一次測量全過程所需的時間。4．輸入特性輸入特性包括輸入阻抗和零電流兩個指標。直流測量時，DVM輸入阻抗用Ri表示。量程不同，Ri也有差別，一般在E1v0a～lu1a00t0iMoWn之o間nl。y.ed

wi交th流A測sp量os時e，.SDlViMd輸e入s

f阻o抗r.用NREiT和3輸.5入C電li容eCnit的P并rofi聯值表示C，op一yr般igCih在t

2幾0十04至-2幾0百11皮A法sp之os間e。Pty

Ltd.制比為50～90dB。5．抗干擾能力DVM的干擾分為共模干擾和串模干擾兩種。儀器中采用共模抑制比和串模抑制比來表示DVM的抗干擾能力。一般共模干E擾va抑lu制at比i為on80o～nl1y5.0dB；串模抑ed

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Profi在DVM中抑制串模干擾的措施有兩種，一是在DVM的輸入Co端p設yr置ig濾ht波2器0；04二-2是01從1AA/Ds轉po換se原P理ty上L采td用.雙積分電路來消除干擾。在DVM中抑制共模干擾主要采用輸出端浮置的辦法。6．固有誤差和工作誤差DVM的固有測量誤差主要是讀數誤差和滿度誤差，通常用測量的絕對誤差表示。△U＝±（α％·U

x

+

β%

·

Um）Evaluation

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式wi中thαA—sp—os誤e.差Sl的i相de對s

項fo系r

數.N；ET

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Profiβ—C—opy誤ri差g的ht固2定00項4-系2數01；1

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Ltd.Ux

——被測電壓讀數；

Um

——該量程的滿度值。工作誤差指在額定條件下的誤差，通常也以絕對值形式給出。1．數字電壓表的組成數字電壓表的組成如圖5.14所示。5.4.3

數字電壓表的工作原理Evaluation

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ProfiCopyrig圖h5t.142數0字04電-壓2表0的1組1成A框s圖pose

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Ltd.整個框圖包括兩大部分，模擬部分包括輸入電路（如阻抗變換電路、放大和擴展量程電路）和A/D轉換器。A/D轉換器是數字電壓表的核心，完成模擬量到數字量的轉換。數字部分主要完成邏輯控制、譯碼和顯示功能。2．逐次逼近比較式DVM的基本原理（1）電路組成框圖。如圖5.15所示，逐次逼近比較式

A/D轉換器由電壓比較器、D/A轉換器、逐次逼近寄存器（SAR）、邏輯控制電路和輸出緩沖器等部分組成。Evaluation

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Ltd.圖5.15逐次逼近比較式A/D轉換框圖(2)工作原理逐次逼近比較式A/D變換是屬于直接式A/D變換。其基本原理是用被測電壓和一個可變的已知的電壓（基準電壓）進行比較，直至比較結果相等。達到測出被測電壓值的目的。Evaluation

only.ed(w3i)t工h作As特p點ose.Slides

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Profi①測量C速op度yr快i。ght

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Ltd.②測量精度取決于標準電阻和基準電壓源的精度，還與D/A轉換器的位數有關。③由于測量值對應于瞬時值，而不是平均值，所以抗串模干擾能力差。3．雙積分式DVM的基本原理V-T變換原理是用積分器將被測電壓轉換為時間間隔，然后用電子計數器在此間隔內累計脈沖數，數字顯示測量結果，計數的結果就是正比于輸入模擬電壓的數字信號。Evaluation

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Profi(1)電路C模o型pyright

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Ltd.電路模型如圖5.16所示，雙積分器的電路模型實際上是一個線性的積分器，它利用電容和運算放大器獲得線性的充放電電壓。Evaluation

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Ltd.圖5.16雙積分器的電路模型(2)工作原理在一個測量周期內，借助于積分器的兩次積分過程，獲得與積分電壓成比例的時間間隔。如圖5.17所示，首先將被測電壓U

x加到積分器的輸入端，在確定的時間第一次積分E，va對luUax定ti時on積o分nl，y.定時時間為edtw1~itt2段h

A，s記po為seT.1，Sl積id分e輸s

f出or

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Ltd.第二次積分，對標準電壓定值積分，積分時間段為t2~t3，記為T2，積分輸出兩次積分后輸出電壓為U

o=Uo1

+Uo2

=0，則——

u

x

=

——

U

ref解得沖周期為T0，計數值分別為N1、N2，則RCT1

T2RCEvaluation

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Profi若用C計o數py器ri在gTh1t、2T020時4-間2間01隔1

內As計po數s，e

P計t數y

脈Ltd.通過以上分析，我們可以設計出雙積分型A/D轉換器的原理框圖，如圖5.18所示，包括積分器、比較器、計數器、邏輯控制和時鐘信號源等幾部分。圖5.18雙積分型A/D轉換器的原理框圖Evaluation

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Ltd.5.5

電壓測量的應用5.5.1

直流電壓的測量電子電路中的直流電壓一般分為兩大類，一類為直流電源電壓，它具有一定的直流電動勢E和等效內阻R；另一類是直流電路中某元器件兩端之間的電壓差或各點對地的電位E。valuation

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Profi1．用數C字o式py萬ri用g表ht測2量00直4-流20電1壓1

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Ltd.用數字式萬用表測量直流電壓時，要選擇合適的量程，當超出量程時會有溢出顯示。2．用模擬式萬用表測量直流電壓

模擬式萬用表的直流電壓檔由表頭串聯分壓電阻組成，其輸入電阻一般不太大，而且各量程檔的內阻不同，同一塊表，量程越大內阻越大。在用模擬式萬用表測量直流電壓時，一定要注意表的內阻對Evaluation

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w被it測h電As路p的os影e.響Sl，i否de則s將fo可r能.N產E生T

3較.大5

C的l測ie量nt誤P差ro。fiCopyright

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Ltd.3．用零示法測量直流電壓為了減小由于模擬式萬用表內阻不夠大而引起的測量誤差，可用如圖5.20所示的零示法。Evaluation

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Ltd.圖5.20零示法測量直流電壓4．用電子電壓表測量直流電壓一般在放大-檢波式的電子電壓表中，為了提高電壓表的內阻，都采用跟隨器和放大器等電路提高電壓表的輸入阻抗和測量靈敏度。5．用示波器測量直流E電va壓luation

only.ed6．wi微th安A法sp測o量se直.S流l電id壓es

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Profi為了準C確op地yr測i量gh大t

電20壓04中-2的0微11小A變sp化os量e，P可ty以L用td微.差法來測量。微差法和零示法都是減小系統誤差的典型技術。7．含交流成分的直流電壓的測量對于含交流成分的直流電壓的測量一般采用模擬式電壓表的直流擋測量。交流電壓的測量一般可分為兩大類，一類是具有一定內阻的交流信號源，另一類是電路中任意一點對地的交流電壓。交流電壓的常用測量方法有電壓表法和示波器法。交流電壓表分為模擬式與數字式兩大類。Evaluation

only.ed（wi1t）h模As擬p式os萬e.用S表li測de量s交fo流r電.N壓E。T

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Profi測量交C流op電yr壓i的gh頻t

率20范04圍-較20小11，A一sp般o只se能P測ty量L頻td.率在1kHz以下的交流電壓。可以用它直接測量兩點之間的交流電壓。5.5.2

交流電壓的測量（2）示波器測量交流電壓。用示波器法測量交流電壓與電壓表法相比具有如下優點：①速度快②能測量各種波形的電壓。Evaluation

only.ed③wi能th測A量sp瞬os時e電.S壓li。des

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Profi④能同時Co測py量r直ig流ht電2壓00和4交-2流01電1壓As。pose

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Ltd.1．電平的概念電平是指兩功率或電壓之比的對數，有時也表示兩

電流之比的對數，單位為貝爾（Bel）。在實際應用時，表示。常用貝爾的十分之一作為單位，稱為分貝，用“dB”Evaluation

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wi常th用A的sp電o平se有.S功li率d電es平f和or電.壓NE電T平3.兩5類Cl，i它en們t

各Pr自ofi又可分為C絕op對yr電i平gh和t相20對04電-平20兩11種A。spose

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Ltd.（1）絕對功率電平LP。以600W電阻上消耗1mW的功率作為基準功率，任意功率與之相比的對數稱為絕對功率電平。5.5.3

分貝的測量（4）絕對電壓電平LU。當600W電阻上消耗1mW的功率時，600W電阻兩端的電位差為0.775V，此電位差稱為基準電壓。任意兩點電壓與基準電壓之比的對數稱為該電壓的絕對電壓電平.相對功率電平

。任意兩功率之比的對數稱為相對功率電平。相對功率電平與絕對功率電平之間的關系為Evaluation

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Ltd.。任意兩電壓之比的對數稱（5）相對電壓電平為相對電壓電平。絕對電壓電平與相對電壓電平的關系為Evaluation

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Profi絕C對op電y壓ri電gh平t與20絕0對4-功20率11電A平s的po關se系P為ty

Ltd.表5.2顯示了分貝、絕對功率電平和絕對電壓電平之間數值的對應關系。表5.2dB

40

20

6 -40LP100001004211/21/41/1001/10000LU1001021.41/21/1.41/21/101/100E3valu0

ati-o3no-n6ly.-202．采用電平概念的意義ed

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Ltd.取零刻度的基準阻為Z0

=600Ω

，即0dB刻度相當于阻抗兩端電壓等于0.775V。當Ux>0.775V時，測量所得dB值為正；當U

x<0.775V時，測量所得dB值為負。3．電平與電壓的關系電平的測量實際上也是電壓的測量。電平刻度是以1mW功率消耗于600Ω電阻為零分貝進行計算的，即0dB＝0.775V。電平量程的擴大實質上也是電壓量程的擴大，電壓量程擴大N倍時E，va電l平ua增ti加on20olngNl。y.ed

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Ltd.4．分貝的測量方法和刻度1．非線性失真和線性失真線性失真又稱為頻率失真，是由于器件內部電抗效應和外部電抗元件的存在，使得電路對同一信號中不用的頻率分量的傳輸系數不同或相位移不同而引起的。線性失真一般采用Ev頻a率lu特at性i來on描o述nl。y.ed非w線it性h

失As真po是se由.于Sl器id件e的s

f非o線r

性.N引ET起3的.5。C兩li種e失nt真P的rofi區別在于C非op線yr性i失gh真t使20得04電-路20的11輸A出sp信o號se中P產ty生L了td不.同于輸入信號的新的頻率成分；線性失真則不會產生新的頻率成分。非線性失真一般用非線性失真系數來描述。5.5.4

失真度的測量非線性失真系數，也稱為失真度，可以衡量非線性失真的大小。定義為Evaluation

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Profi式中γ—C—opy失ri真g度ht；2004-2011

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Ltd.U1——基波分量電壓的有效值；U2、U3、Un——各次諧波分量的電壓有效值。2．非線性失真系數的定義常先求非線性失真系數γ0，再算出失真度γ。γ0定義為被測信號中各次諧波電壓有效值與被測信號電壓有效值之比的百分數。Evaluation

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Ltd.可以證明，

與 的關系為（2）失真度測量儀的組成框圖。一個簡單的失真度測試儀組成框圖如圖5.22所示。失真度測試儀由輸入電路、帶阻濾波器和電壓表組成。3．抑制基波法測量非線性失真圖5.21失真度測量儀器的連接（1）連接圖。測量信號源的失真度時，直接將信號源輸入失真度儀進行測量；測量電路或設備的失真時，需采用一個低失真的正弦信號源作為被測電路的激勵源，如圖5.21所示。Evaluation

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Ltd.Evaluation

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ProfiCopyr圖i5.g22ht簡單2的0失0真4度-2測0試1儀1框圖Aspose

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Ltd.②測量電路的非線性失真系數時，應在被測電路的通頻帶范圍內選擇多個頻率測試點進行多次測試；選擇的測試點除了應包括上、下截止頻率外，還應在中間頻率段選擇幾個測試點，然后逐一進行非線性失真系數的測試，最后取其中最大的一個非線性失真系數值作為被測電路的非線性失真系數。用失真度測量儀測量非線性失真系數時應注意以下幾點：①測量時，應最大限度地濾出基波成分。因此要反復調節帶阻濾波電路E中va的lu調at諧i、on微o調nl和y.相位旋鈕。4．測量注意事項ed

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Ltd.③如果測試用信號源輸出信號的非線性失真系數不可忽略，則被測電路的實際非線性失真系數可近似等于被測電路輸出信號的非線性失真系數減去其輸入信號的非線性失E真va系lu數a。tion

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Profi④測量Co時py，r可ig用ht示2波00器4進-2行01監1視As，p可os以e

判Pt斷y

有Lt無d.失真和有無干擾信號存在。對于一個放大器，如將其輸入端短路，即在輸入信號為零時，我們仍能從輸出端測得交流電壓，這就是噪聲電壓。噪聲電壓的測量方法主要有電壓表法和示波器法。由于噪聲電壓一般指有效值（均方值），因此可5.5.5

噪聲電壓的測量Evaluation

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w1i．th用A交sp流o電se壓.S表l測id量es噪f聲or電.壓NET

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Profi直接采用Co有p效yr值ig電ht壓2表0測04量-2噪01聲1電As壓p的os有e效Pt值y的Lt。d.2．用示波器測量噪聲電壓示波器的頻帶寬度很寬時，可以用來測量噪聲電壓，使用極其方便，尤其適合于測量噪聲電壓的峰-峰值。測量結果用峰峰值、有效值、平均值表示。通過5.6.1

項目內容擬定測量步驟，采用平均值電壓表和示波器分別對一定頻率的正弦E波va、lu方at波i和on三o角nl波y.進行測量，