数字万用表

U s dt Us
T2 RC
Us
U
N 2T 0 RC
N2 N1
Us
T2 T1 Us
UX
T2 RC
x
Us
四、双积分式A/D转换器
• 如果被测电压为正Ux，在比较开始时，逻辑控制将断 开S1，闭合S3，将基准电压-Us接入即可。 • 双积分式数字电压表具有如下优点：
被测电压正比于计数器对同一时钟脉冲发生器的二次 计数之比N2 ／N1 ，因此，对时钟脉冲频率的精确度及 长期稳定度要求不高，只要求在二次积分时间内频率 足够稳定。
二、主要性能指标
• 分辨力
–指DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反映了DVM灵 敏度。 –用每个字对应的电压值来表示，即V/字。 –不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显 然，在最小量程上具有最高分辨力。 –例如，3位半的DVM，在200mV最小量程上，可以测量 的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字（即 当输入电压变化0.1mV时，显示的末尾数字将变化“1 个字” ）。
六、电流、电压、阻抗变换技术
–I/V变换
• 基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样 电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测 电流。 • 为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取 样电阻。 • 如下图。
六、电流、电压、阻抗变换技 术
• 如图，假如变换后 采用的电压量程为200mV， 则通过量程开关选择取样 电阻分别为1kΩ、100Ω、 10Ω、1Ω、0.1Ω，便可 测量200μA、2mA、20mA、 200mA、2A的满量程电流。
数字万用表
复习
• 模拟交流电压表的结构 • 数字万用表是建立在直流电压的测量基 础之上的。
一、数字电压表的组成
• DVM（digital voltage meter） • DMM（ digital multimeter）
模拟部分 输入 电路 数字部分
输入
A-D 转换器
计数器
显示器 电源
辑电路 控制逻
二、主要性能指标
• 1、显示位数 通常为3½位～8½位。
–完整显示位（满位）：能够显示0~9的数字。 –非完整显示位(俗称半位)：只能显示0和1（在最高位 上）。 –如4位DVM，具有4位完整显示位，其最大显示数字为 1 4 9999 。 2 –而 位（4位半）DVM，具有4位完整显示位，1位非完 整显示位，其最大显示数字为19999 。
V r 5V 2 .5V 1 .2 5V 0 .6 2 5V 9 .3 7 5V
五、逐次逼近比较式ADC
Y1 Y2 Y3 Y4
SAR（逐次逼近寄存器）
五、逐次逼近比较式ADC
• 现假设有一被测电压Ux＝8.5V，用4位 SAR来逼近，过程如下： • 起始，SAR清零 Y1Y2Y3Y4=0000 • 第一个CP脉冲，SAR最高位（Y1）先置1， 输出为（1000）2，经过D/A转换，US＝5V， 与Ux比较，5V<8.5V，则比较器输出为1， 使SAR最高位（Y1）保持1。
二、主要性能指标
• 量程
–基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/D 转换器动态范围确定。 –通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其他 量程。 –如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、 100V、1000V等五档量程； –基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、 200V、1000V等五档量程。
n
Vr
逐次逼近，只能逼近，不能完全与被测电压相等。 若要减小误差，只有增加位数。
• 这种转换的原理和过程犹如以天平测重物。如有一架 天平，设有五种砝码： 8g、4g、2g、1g、0.5g砝码的 重量即它的“权”。例如有一重物，w=10.55g，重物 放左盘，砝码放右盘上，右盘抬高，说明右盘砝码不 足，，要留下此砝码(称“留码”)，可记作“1”，如天 平右盘下沉，说明总砝码过重，取走砝码(称“去码”)， 记作“0”。这样从大到小放砝码，直到最后一个砝码 并计数，经各次比较、判断，最后右盘留下的砝码总 重量渐接近W值，如以代码表示W，可写成"10101"， 它表示砝码总重为：8+0十2十0十0.5=10.5g，与被测重 W，相差0.05g，此为测量误差；如有更小的砝码可供 使用，测量还可继续逐次进行，砝码分级愈多，分得 愈细，测量误差愈小。
测量的结果与积分元件R、C的数值无关，不用精密的 积分元件也可制出高精度的数字电压表。
五、逐次逼近比较式ADC
• 基本原理：将被测电压和一可变的基准 电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。
• 假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将 其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 Vr可分解为：
• 1. 按结构形式分 • 台式：通常5位半以上 • 便携式 ：通常3位半以上
三、数字电压表的分类
• 2.按A/D转换器原理
双斜式、多斜式 积分式 A/D变换 反馈比较式 比较式 直接比较式 并联比较式 分级式（流水线式） 脉冲调宽式 电压反馈型V-F变换式 逐次比较式 余数循环比较式
四、双积分式A/D转换器
V ( % V x % V m )
Ux为示值，Um为量程的满度值。α％×Ux称 为读数误差，是相对项，其值随读数而变化。 β％Um称为满度误差，是固定项其值是恒定 的。
二、主要性能指标
V ( % V x n 字 )
N字=满度误差/分辨力
二、主要性能指标
• 例：某5位DVM在5V量程上测得电压 2.5V，说明书上给出5V量程上固有误差 的计算式为（ 0 .006 % U 0 .004 % U ），求 DVM的读数误差、满度误差和固有误差？ 满度误差相当于几个字？
Vr 1 2 Vr 1 4 Vr 1 8 Vr 1 16 Vr 1 2
n
Vr
5 V + 2 .5 V + 1 .2 5 V + 0 .6 2 5 V + + = 1 0 V
五、逐次逼近比较式ADC
• 上式表示，若把Vr不断细分（每次取上一次的 一半）足够小的量，便可无限逼近，当只取有 限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取 前4项，则
四、双积分式A/D转换器
• t2时刻，积分器的输出：
U 01 1 RC T1 RC N 1T 0 RC

t1
( U
t2
X
) dt
U
x

U
X
U • t3时刻，积分器的输出： 02
U 01 (
1 RC

t3
t2
U s dt ) 0
U 01 T1 RCt2
二、主要性能指标
分辨率 分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。 如上述的DVM在最小量程200mV上分辨力为0.1mV， 则分辨率为：
0 .1 m V 200m V 1 0 0 % 0 .0 5 %
分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如3 位半的DVM，可显示出1999（共2000个字），则分辨率 为
图5.24 直流数字电压表的基本方框图
• 数字电压表（DVM）是采用模—数 （A/D）转换原理，将被测模拟电压转换 成数字量，并将转换结果以数字形式显 示出来的一种电子测量仪器。
一、数字电压表的组成
• 包括模拟和数字两部分。 • 输入电路：对输入电压衰减/放大、变换等。 • 核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），实现模拟电压到数字量 的转换。 • 数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。 • 逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电 路的协调有序工作。
四、双积分式A/D转换器
• （3）比较阶段(t2~t3)：控制逻辑断开S1，S2闭 合接通正基准电压Us（与-Ux 极性相反），Us 定 接到积分器进行反向积分，输出U0线性下降。 值 不 与此同时，闸门打开，计数器从零开始加法计 定 数。到达t3时刻，积分器输出U0=0，零比较器 时 由高电平跳到低电平，闸门关闭，停止计数， 积 设此时计数器值为N ，则反向积分时间T =t -t 2 2 3 2 分 ＝N2T0。
Ix (2 0 0 m V ) 200μ A 900Ω 90Ω 9Ω 0 .9 Ω 0 .1 Ω (2 0 0 m V ) 2m A (2 0 0 m V ) 20m A (2 0 0 m V ) 200m A (2 0 0 m V ) 2A
六、电流、电压、阻抗变换技 术
–Z/V变换
• 同样基于欧姆定律。 • 对于纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被 测电阻两端的电压，即可得到被测电阻阻值。 • 电阻-电压（R/V）变换原理图。
X M
二、主要性能指标
• 输入阻抗
–输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。 –输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 –对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在 10MΩ~1000MΩ之间。 –对于交流DVM，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示， 电容值一般在几十~几百pF之间。
三、数字电压表的分类
1 2000 1 0 0 % 0 .0 5 %
二、主要性能指标
•测量速度
–每秒钟完成的测量次数。它主要取决 于A/D转换器的转换速度。 –一般低速高精度的DVM测量速度在几 次/秒~几十次/秒。
二、主要性能指标
• 测量精度 固有误差是指在基准条件下测定的误差。 固有误差常用绝对误差的型式给出，即
五、逐次逼近比较式ADC
• 第4个CP脉冲到来时，SAR第四位（Y4） 置1，输出为（1101）2，经过D/A转换，US ＝5V+2.5V+0.625V=8.125V<8.5V,则比较 器输出为1， 使SAR第四位（Y4）保持1。 • SAR输出1101，经译码显示8.125V（量 化误差）