数字电压表

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A 、复习

掌握三种模拟式交流电压表工作原理。

B 、新课

数字电压表DVM

数字电压表：直流数字电压表、交流数字电压表、数字万用表等（本章主要介绍直流数字电压表） 优点（与模拟相比）：精度高、测量速度快、输入阻抗高、读数准确、

抗干扰能力和抗过载能力强、便于实现测量过程自动化等。

2.3.1 DVM 的主要技术指标

1．测量范围（量程、显示位数和超量程能力）

（1）量程 表示电压表所能测量的最小和最大电压范围。

基本量程：不经衰减器和输入放大器的量程（测量误差最小的量程）。通常为1V 或10 V ，也有的为2 V 或5 V 。

（2）位数 表示数字电压表精密程度的参数。 完整位：能够显示0 ~ 9这十个数码的位。

四位数字电压表：最大显示数字为9 999和19 999的数字电压表。为

了区别把19 999的数字电压表称为2

1

4

位数字电压表。 （3）超量程能力 指DVM 所能测量的最大电压超过量值的能力，它是数字电压表的一个重要指标。是否有超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。

典型例子

无超量程能力：

① 显示位数全是完整位的数字电压表。 ② 带有

2

1

位的数字电压表，按2 V 、20 V 、200 V 分挡。 有超量程能力： ① 带有2

1

位并以1V 、10 V 、100 V 分挡的数字电压表。

② 21

5位的数字电压表，在10 V 量程上，最大显示 9 V 电压，允许有

100%的超量程。

提问

讲解

重点强调

新授课

③如果数字电压表最大显示为59 999，称为4

3

4

位的数字电压表。如量程按5 V 、50 V 、500 V 分挡，则允许有20超量程。

2．分辨力

数字电压表能够显示输入电压最小变化值的能力，即显示器末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。

不同量程，分辨力不同。量程越小，分辨力越高。 3．测量误差（只讨论固有误差） 在基准条件下的误差：

)%%(m x U U U βα+±=∆

式中 U x ——被测电压读数； U m ——该量程的满度值； α——误差的相对项系数； αU x ——读数误差，随被测电压而变化； β——误差的固定项系数； βU m ——满度误差，对于给定的量程，β U m 是不变的。 有时满度误差又用与之相当的末位数字的跳变个数来表示，记为n ±个字，即在该量程上能够末位跳n 个单位时的电压值恰好等于βU m 。 ４．输入电阻和输入偏置电流

输入电阻：比较高，一般不小于10 M ，通常在基本量程时具有最大的输入电阻。

输入偏置电流：仪器内部产生的表现于输入端的电流，应尽力使该电流减小。

5．抗干扰特性

按干扰作用在仪器输入端的方式分为串模干扰和共模干扰。一般串模干扰抑制比可达50 ~ 90 dB,共模干扰抑制比可达80 ~ 150 dB 。

6．测量速率

表示数字电压表每秒钟对被测电压的测量次数或一次测量所需要的时间。测量速度主要取决于所使用的A/D 转换器的转换速度。积分型速度低，而比较型速度较快（测量速度越快，测量误差越大）。

2.3.2 A/D 转换器原理

1．逐次比较式数字电压表 核心部件：逐次比较式A/D 转换器（反馈比较式），其原理框图如下图所示。

工作原理：用被测电压与标准电压（D/A 转换器输出电压）进行比较，

并用比较结果控制D/A 转换器的输入，使其输出电压大小向被测电压靠近，直到两者趋于相等为止。此时D/A 转换器的输入量即为A/D 转换输出数字

量。

当U x = V ，E r = 16 V 时，转换过程如下：

（1）第一个时钟脉冲：比较寄存器最高位置“1”，即Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 = 1000，

X r 0V 82

1

U E U >==

（2）第二个时钟脉冲：比较寄存器最高位复位。其下一位（次高位）

被置“1”， Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 =0100 ，，V 44

1

r 0==E U 这时，由于X 0 U U ＜，比

较器输出为高电平。

（3）第三个时钟脉冲：比较寄存器的第三位被置“1”，Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 = 0110，

V 6)8

1

41(r 0=+=E U

由于U 0＞U x ，比较器输出又为低电平。

（4）根据同样分析，可得比较寄存器最低位为“1”。最后比较器为0101，

此即为A/D 转换器输出的数字量。

量化误差：由于D/A 转换器输出的标准电压是量化的，因此最后转换

得结果为5 V ，比实际值低 V ，这就是A/D 转换的量化误差，减小量化误差的方法是增加比较次数，即增加逐次比较式A/D 转换器的位数。

逐次比较式A/D 转换器的准确度与基准电压、D/A 转换器和比较器的漂移有关。测量速度由时钟和转换器的位数决定，与输入电压的大小无关。

2．双积分式数字电压表

核心部件：双积分式A/D 转换器（间接式）。

转换原理：在一个测量周期内，先对U x 定时积分，再对E r 定值积分。

结合图讲解

通过两次积分的比较，将U x 变换成与之成正比的时间间隔，然后在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数。故这种A/D 转换属U —T 转换。

双积分式A/D 转换器原理框图如下图所示。它主要由基准电压、模拟开关（S1、S2、S3、S4）、积分器、零电平比较器、控制逻辑电路、时钟脉冲发生器和计数、寄存、译码、显示器等部分组成。

（1）准备阶段（t 0 ~ t 1）：在t 0时刻，将S4接通，S1~S3断开。积分器输入电压为零，输出也为零。计数器复零，电路处于休止状态。

（2）采样阶段（t 1 ~ t 2）：在t 1时刻，S1接通，S2 ~ S4 断开。积分器对U x 积分。经过一个固定时间T 1（T 1= t 2－t 1）后，积分器的输出电压为

t U RC

U t t d 12

1x 01⎰-

= x 1t 1x 1d 12U RC

T

t U T RC T -=⋅-

=⎰ （） 可见，在t 2时刻积分器的输出电压与U x 在T 1时间内的平均值成正比。

（3）比较阶段（t 2 ~ t 3）在t 2时刻，S1断开，S2（或S3）接通。积分器对E r 进行定值反向积分，积分器从U o1逐渐趋于零。在t 3时刻，积分器

输出电压U 0 = 0，零电平比较器发生翻转，该翻转信号经控制逻辑电路使S2（或S3）断开，积分器停止积分。此时有

⎰--=3

2

t t x o1d )(10t E RC U

)(23r

o1t t RC

E U --= （）

令T 2 = t 3－t 2将（）代入（）式，得

x r 12U E T

T = 上式表明T 2与x U 成正比。

结合图讲解