数字电压表设计与仿真

文献综述
一、引言
数字仪表是把连续的被测量模拟量自动地变成断续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。

这是一种新型仪表，它把电子技术、计算机技术、自动化技术与精密电测量技术密切得结合在一起，成为仪器仪表领域中一个独立的分支。

数字仪表的种类很多，应用场合各不相同，其内部结构也相差很大。

根据仪表的用途（即被测量的性质）分为：数字电压表、数字电阻表、数字电流表、数字功率表、数字Q（品质因素）表、数字静电计、数字电桥及电子计数器等。

经过适当变换，还可以制成测量多种非电量的仪表，如数字温度表、数字转速表、数字位移表、数字钟、数字秤、数字测厚仪及数字高斯计等，还有许多其他数字式测量仪器和测量装置。

在各种数字仪表中，数字电压表的用途居于较为突出的地位，它不但用来测量各种电量，而且还广泛用来进行各种非电量的电测量，同时在实现工业自动化，生产过程的自动控制以及测量本身的自动化等方面，都起着很重要的作用。

数字电压表(DVM)是一个具有数字显示功能的多量程仪表，它是测量仪表(可测量电压、电流和电阻)中最常用的一个测试功能项、一旦测量仪表的范围和方式选定，即可测量直流信号(DC)也可测量交流信号(AC)的参数。

有些数字表的设计是由电池驱动且可携带，而另外一些是基于主机（计算机）驱动且由磁盘安装的。

数字式仪表与模拟式仪表相比，使用零件少，集成度高，稳定性和可靠性相对较高，输入阻抗高，提高了测量精度。

数字电压表的设计通常以ASIC芯片为控制核心，在A/D转换器、显示器等外围器件的配合下工作。

A/D转换器在控制核心ASIC所提供的时序信号作用下，对输入模拟信号进行转换，制核心再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。

这种设计方法的缺陷是：控制核心的灵活性不高，系统功能难以更新和扩展。

如果用可编程逻辑器件FPGA代替ASIC芯片，用硬件描述语言决定系统功能，就可在硬件不变的情况下修改程序以更新和扩展功能，使其灵活性和适应性显著提高。

本文基于此考虑，用FPGA代替ASIC设计了一个简易数字电压表控制电路，旨在研究可编程逻辑器件在仪器仪表设计领域的应
用。

在硬件电子电路设计领域中。

电子设计自动化(EDA)工具已成为主要的设计手段，而VHDL语言则是EDA的关键技术之一，它采用“自顶向下”的设计方法，即从系统总体要求出发，自上至下地将设计任务分解为不同的功能模块，最后将各功能模块连接形成顶层模块，完成系统硬件的整体设计。

本文用FPGA芯片和VHDL语言设计了一个数字电压表，举例说明了利用VHDL语言实现数字系统的过程。

二、EDA技术的概念
EDA是电子设计自动化(E1echonics Design Autoumation)的缩写。

由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。

但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA 技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。

可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。

完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。

EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。

大致可以分为三个发展阶段。

20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。

20世纪80年代的QtE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计而能在产品制作之前预知产品的功能与性能。

20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。

EDA 是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。

该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。

在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电
路板设计阶段，可以使用EDA 中电路板设计工具设计多层电路板。

特别是支持
硬件描述语言的EDA 工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要
用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计
与制造。

有专家认为，21世纪将是EDA 技术的高速发展期，EDA 技术将是对
21世纪产生重大影响的十大技术之一。

三、 数字电压表的分类
随着数字技术的迅速发展，直流数字电压表、数字多用表、数字面板表
（DPM ），以传统指示仪表所无法比拟的卓越性能，正被广泛采用。

把直流模
拟电压转换成数字量的DC-DVM 是数字电压表乃至整个数字仪表的基本组成部
分，而DC-DVM 的核心又是A/D 转换器。

所以A/D 转换器往往决定着数字电压
表的技术性能。

就DC-DVM 而言，虽然都是用来测量直流电压，但由于A/D 转换器型式不
同，工作原理和内部结构也不同，因而出现了各种型式的数字电压表。

所以，若
按A/D 转换器的原理进行分类，更能区分其性质。

这种分类方法也比较普遍，
大体情况如下。

(1)比较型：①逐次逼近比较式；②跟踪比较式；③剩余电压再循环比较式。

(2)电压时间转换型（V/T ）：①阶梯波式；②斜波式（锯齿波式）。

(3)积分型：①电压/频率转换式（V/F ）；②双积分式（双斜式）；③脉冲调
宽式；④三斜积分式、四斜积分式等。

(4)复合型：①两次采样电阻分压比较式；②两次采样电感分压比较式；③
三次采样积分式；④动态量程扩展式（D.S.S.）；⑤扩展电流比较式（S.C.C.）。

(5)特殊型：①机械编码式；②光电式；③数学运算式（乘、除、开方等）。

除按A/D 转换器的原理分类外，还可以按使用场合分为以下几种：
(1)实验室型：准确度高、环境条件要求严格。

(2)通用型：准确度一般，环境条件要求比较宽。

(3)面板型：准确度低，多安装在面板上作为指示电表之用，也称作数字表
头。

主要用于自动检测及控制系统中，其作用是进行信号变换和测量指示。

按显示位数来分，过去一般分为4位、5位…9位；现在通常为3 位、4 位…
8 位等位数。

按测量速度分类，则可分成低速型（1次/几十秒至几次/秒）、中速型（几121212
十次至几百次/秒）、高速型（几百次至几万次/秒）。

按测量准确度分类，又分为低准确度（低档型）、中准确度（中档型）、高准确度（高档型）等。

还可以按使用方法或重量进行分类。

如手持式（袖珍式），便携式、台式、系统式及计量标准式等几大类。

目前，国际上一些著名的测量仪器厂商已相继制造出了多功能组合式数字测量仪表，把几种不同的测试单元集中为一台仪表，其优点超过把几台单独的仪表简单得连接在一起使用时的性能。

例如，美国数字仪表公司制造的PS型将数字多用表和计数器与小型示波器组合在一起，就是一台综合性的测试装置，折实测试新技术实际应用的典型。

它们运用组合的方式将数字多用表、频率计数器和示波器装配在一个机箱里，所测定的每个参数都有各自的显示，可单独或同时使用，也可组合起来使用，具体功能如下。

(1)自动转换量程的数字多用表。

它用数字发光二极管在面板上读出所测得的交直流电压、电流和电阻。

(2)915型示波器。

其带宽为20MHz，垂直灵敏度为10mV/div，最高扫描速度为10div/us，可直接显示各种信号波形。

(3)频率计数器。

用示波器的触发脉冲出发工作，同时在示波器荧光屏上显示信号的频率数值。

当用它们来测量交流电压时，所给出的是显示在示波器上的正弦波有效值，无需用眼睛观察示波器上的峰—峰值，更不必用通常的计算方法变成有效值。

四、数字电压表的性能特点
DVM广泛应用在各个领域。

它与指针式电表、电工仪器仪表及电子测量仪器相比较，归纳起来有如下特点。

(1)准确度高
目前DC-DVM的测量准确度最高可达到10-6量级。

一般的DVM均能达到±0.01﹪，而直接读模拟式电压表只达到±0.1﹪。

所以，DVM的测量准确度比传统指针式仪表要提高2～3个数量级以上。

(2)测量范围宽、灵敏度高
高灵敏度的数字表可达到0.1～0.01μV，最高灵敏度可达1μV，一般均能达到10μV，1μV。

电压灵敏度高，仪表的内阻也高，对被测电路工作状态的影响
越小，从而减小了测量误差。

DVM最高测量上限可达到1500V（配上高压探头可达上万伏），几乎覆盖了直流电位差计、分压箱和指示电表的所有量程范围。

(3)测量速度快
由于DVM实现了测量自动化，也加快了测量速率，易与其他仪器组成一个完整的测试系统。

它的测量速度可通过取样时间灵活控制，可从1次/10s到几万次/s，一般为几次/s或几十次/s。

这样，便给自动化测量提供了一种测量速度可变可控的仪器。

同时，DVM也可进行人工控制、单次取样、保持取样和手动操作等。

(4)输入阻抗高
DC-DVM利用电子反馈技术，输入阻抗相当高，在测量时就大大减小了由于信号源内阻带来的附加误差。

一般基本量程可做到1000MΩ以上，而做到兆欧级很容易，这是模拟电表极难做到的。

但它不是理想中的无源器件，工作时要产生零电流，高准确度DVM的零电流可小到10-12A。

由于有这样高的输入电阻和这样小的零电流，所以可用DVM来测量像标准电池这样一些只准许极小电流通过的被测对象的电动势（或电压）。

(5)使用方便、操作简单
数字电压表使用很方便，开机预热预调整之后就可进行测试。

他操作简便，不必进行线路平衡就可以读数，不需要像电位计那样反复得调节工作电流。

它具有编码信息输出，可配接打印机、记录仪等进行自动记录，也可配上相应的转换器，对各种物理量进行数字化遥控测量。

(6)抗干扰能力强
由于DVM在线路中广泛采用了滤波技术和积分技术，从结构上采用了浮地保护和双层浮地保护技术，使DVM对串模干扰和共模干扰有很强的抑制能力。

高性能DVM的串模干扰抑制能力（SMRR）可做到80～120dB，其共模干扰抑制能力（CMRR）可达163dB或更高。

这样，即使在微小信号存在干扰噪声的情况下，也能进行高准确度、高分辨率的测量。

(7)自动化程度高
仪器仪表的数字化和自动化是密切相关的。

事实上，数字化过程中也伴随着自动化。

DVM利用数字电路的各种逻辑功能，很容易实现自动化重复测量、自动极性转换、自动量程转换、各种自动调节、自动校准、自动显示测量结果、自动记录和数据处理。

微处理器式DVM还可以进行程控、故障自诊断。

DVM配
上标准接口总线，可以和其他仪器仪表组成自动测试系统。

(8)读数清晰、直观方便
采用数字显示能准确迅速读数，不存在直读式电压表那样庇佑的视差，克服了人为误差。

数字显示减轻了使用者眼睛的疲劳，也可以多人同时进行现场观测。

DVM不仅有数字显示，还有符号、单位、极性、小数点等显示，有利于直读，从而摆脱了模拟式仪表中的指针表头、标尺、度盘等读数装置的分辨率对测量准确度的限制。

DVM的主要缺点是线路复杂，元器件繁多，工艺技术要求较高，可靠性不保证，容易出现故障。

DVM与模拟式电表相比，目前价格还比较贵；有些DVM还没有做到小型、轻便；高档的DVM使用条件要求比较严格。

随着大规模、超大规模集成电路技术和计算机校准技术的发展，这些问题已逐步得到解决。

以上是DVM一般所共有的技术特点，但对于不同原理的DVM，又有各自的优缺点。

现将前面介绍过的DVM的工作原理及性能概括于表1，供选择和使用DVM时参考。

表1 不同工作原理的DVM的性能比较
早期的数字电压表多是单功能的直流数字电压表的数字电阻表。

今天，除了广泛使用的数字面板表外，各种精确度登记的数字电压表都实现了多功能化。

经过电子管、晶体管、集成电路几个发展阶段，目前已普遍采用了微处理器、单片微型计算机（μC）以及专用集成电路（ASIC），并已开始使用高密度的表面安装技术。

由于微计算机技术的运用，中、高档的数字多用表已普遍具有很强的数据存储、计算、自检、自诊、自校等功能。

五、数字电压表的特点
1.读数直观、准确
电压表的数字化，是将连续的模拟量(如直流电压)转换成不连续的离散的数
字形式并加以显示。

这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

2.显示范围宽、分辨力高
指针表的分辨力，是由刻度盘的细度表达的，刻度盘在一定条件下无法分得
很细．太细了视觉分辨也很困难，而数字显示的电压表，目前可以做到从21
2
到
101
2。

由于数字化的特点（二进制计数)，测量特点(欠量程、过量程)及充分利用仪
表的量限(准确度、分辨力)，数字表的首位(最高位)往往不是整数位(0～9)。

若以首位显示的最大数字为分子，而以首位满量程时的数字为分母，以分数形式表示首位显示。

例如：仪表最大显示值为19999，满量程为20000，这时仪表有4个整
数位．首位分子为1，分母为2，即是41
2
位(也叫4位半)。

同样，最大显示值为
29999（满量程为30000)的表，是42
3
位；最大显示值为39999(满量程为40000)的
表，是42
3
位。

从量限上讲：4
2
3
位表是4
1
2
位表的1.5倍，4
3
4
位表是4
1
2
位表的2
倍。

指针电压表的准确度由0.1～5.0分为7个等级，数字电压表由0．0005～1.0分为11个等级，可见数字表的准确度要高得多，显示范围宽得多。

数字电压表最低电压量程的末位数字的一个字所对应的电压值，即是仪表的分辨力，是仪表灵敏度的反映。

仪表的显示位数多，其分辨力就高。

应该注意的是分辨力与准确度是两个概念。

分辨力高的表不一定准确度就高，而准确度高的表则须有相应的分辨力。

3.转入阻抗（转入电阻)
数字电压表的转入阻抗可高达(1～4
10)M 。

转入阻抗越高，所吸收被测信号的电流就越小，所带来的附加误差极小，可以忽略。

4.集成度高、功耗小、抗干扰能力强
由于CMOS技术的发展，集成电路的功耗变得很小，即发热量很小，这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件，形成大规模或超大规模集成电路。

这给制造业带来了飞跃，不仅仪表小巧而功能齐全，其他如手机、袖珍电脑等也得以诞生。

目前双积分或多重积分的A/D转换器构成的数字电压表，由于在积分过程中可将干扰信号部分或全部抵消掉，其串模抑制比可达100分贝，共模抑制比可达120分贝。

5.可扩展能力强
直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等，还可以附加智能化。

例如：计算、保持、比较数字、设定时间，设定上、下量限及自动控制等多种功能。

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