dvm智能仪器仪表

智能仪器仪表课程设计论文智能DVM组成与主要电性能技术指标分析院（系、部）名称：专业名称：学号姓名：2014年12月20日学院教务处制摘要智能仪器是一种典型的微机（大多数为单片机）应用系统，它是计算机技术、通信技术以及网络技术相结合的产物。

无论在测速、精确度、灵敏度、自动化程度和性能价格比等方面，都是传统仪器所不能比拟的。

它已成为仪器、仪表的发展的方向。

智能型DVM是指以微处理器为核心的的数字电压表，其中，专用微机部分包括微处理器芯片、存放仪器监控程序的存储器ROM和存放测量及运算数据的存储器RAM等。

用于测量的输入输设备有：输入电路、A/D转换器、键盘、显示器及标准仪器用借口等。

仪器内部采用总线结构，外部设备与总线相连。

关键字: DVM；单片机概述（一）组成智能DVM的测量过程大致分为三个主要阶段：１、在微处理器的控制下，被测电压通过输入电路、A/D转换器的处理转变为相应的数字量，然后存入到数据存储器中；２、微处理器对采集的测量数据进行必要的处理，例如计算平均值、减去零点漂移等；３、显示处理结果。

上述整个工作过程都是在存放在ROM中监控程序的控制下进行的。

（二）智能DVM的功能及主要技术指标a.数据处理功能：1．标定(AX+B)R＝Ax+B式中：R——最后的显示结果；x——实际测量值；A，B——由面板键盘输入的常数。

利用这一功能，可将传感器输出的测量值，直接用实际的单位来显示，实现标度变换。

2．相对误差(Δ％)式中：n 为由面板键盘输入的标称值。

利用这一功能，可把测量结果与标称值的差值以百分率偏差的形式显示出来，适用于元件容差校验。

3．极限(LMT)即上下限报警功能。

利用这一功能可以了解被测量是否超越预置极限的情况。

使用前，应先通过面板键盘输入上极限值H 和下极限值L。

测量时，在显示测量值x 的同时，还将显示标志字H，L 或P，表明测量结果超上限、超下限或通过。

4．最大/最小利用此项功能能对一组测量值进行处理，求出其中的最大值和最小值并存储起来。

在程序运行过程中一般只显示现行测量值，在设定的一组测量进行完毕之后，再显示这组数据中的最大值和最小值。

5．比例指测量值与某参考值之间的关系，有三种表达形式。

R＝x／rR＝20 log（x／r）R＝x2 ／r式中: r 为由面板输入的参考量。

第一种表达形式为简单比例；第二种为对数比，单位为dB，这是电学、声学常用的单位；第三种是将测量值平方后除以r，其用途之一就是用瓦或毫瓦为单位直接显示负载电阻r上的功率。

6．统计利用此项功能，直接显示多次测量值的统计运算结果，常见的统计有：平均值、方差值、标准差值、均方值等。

b.自动测量等功能智能DVM一般都具有自动量程转换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等功能，并配有标准接口。

这些功能在第4章和第5章中已做过讨论。

c.普通DVM的各项技术指标(1)量程为扩大测量范围，智能DVM借助于分压器和输入放大器分为若干个量程，其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。

(2)位数智能DVM的位数是以完整的显示位（能够显示0～9十个数码的显示位）来定义的。

例如最大显示数为9999，19999，11999的DVM称四位表。

为区别起见，常常也把最大显示数为19999，11999的DVM称为4 位半数字电压表。

位数是表征DVM性能的一个最基本的参量。

通常将高于五位数字的DVM 称为高精度DVM。

(3)测量准确度测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为Δ＝±a％UX±b％Um式中：a——误差的相对项系数；b——误差的固定项系数；UX——测量电压的指示值；Um ——测量电压的满度值。

DVM的测量准确度与量程有关，其中基本量程的测量准确度最高。

(4)分辨率分辨率即能显示输入电压最小增量的能力，通常以使显示器末位跳一个字所需输入的最小电压值来表示。

分辨率与量程及位数有关，量程愈小位数愈多，分辨率就愈高。

DVM 通常以仪器最小量程的分辨率来代表仪器的分辨率，例如最小量程为1V的4 位DVM的分辨率为100μV。

(5)输入阻抗Zi输入阻抗Zi 是指从DVM两个输入端子看进去的等效电阻。

输入阻抗愈高，由仪表引入的误差就愈小。

同时仪器对被测电路的影响也就愈小。

(6)输入电流I0输入电流I0 是指仪器内部产生并表现于输入端的电流，它的大小随温度和湿度的不同而变化，而与被测信号的大小无关，其方向是随机的。

这个电流将会通过信号源内阻建立一个附加的电压，而形成误差电压，所以输入电流愈小愈好。

(7)测量速率以每秒的测量次数来表示，或者以每次测量所需的时间来表示。

(8)测量准确度测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为Δ＝±a％UX±b％Um式中：a——误差的相对项系数；b——误差的固定项系数；UX ——测量电压的指示值；Um ——测量电压的满度值。

DVM的测量准确度与量程有关，其中基本量程的测量准确度最高。

输入电路输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路等部分组成。

输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程转换。

常常将DVM的输入电路和A/D转换器两部分电路合称为模拟部分。

DVM 的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。

无论一台智能DVM的功能有多么强大，其基本测量水平主要由模拟部分来决定。

下面以DATRON公司1071型智能DVM输入电路为例对输入电路的组成原理进行讨论。

1071 型DVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。

1071 型DVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。

有源滤波器是否接入由微处理器通过I/O接口电路实施控制，该滤波器对50Hz 的干扰有54dB的衰减。

输入放大器由直流自举电路供电，以使放大器的地线电压和电源电压跟随输入信号而变化，即所谓“浮动”的电源。

图中，M32是高阻抗电压跟随器，它接在输入放大器的反相输入端，因此M32能精确地跟踪输入信号变化。

M32输出接另两个放大器的输入端，从而达到随输入信号变化而控制自举电源输出端，产生一个浮动的±12V电源。

这样，输入放大器工作点基本上不随输入信号的变化而变化，这对提高放大器的稳定性及抗共模干扰能力等性能是很有益处的。

输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响。

自动补偿时，在输入端接入一个10MΩ电阻，这样，输入电流+ I b在该电阻上产生的压降经A/D转换后存入到非易失性存储器内，作为输入电流的校正量。

正常测量时，微处理器根据校正量送出适当的数字到D/A转换器并经输入电流补偿电路产生一个与原来输入电流+ I b 大小相等方向相反的电流- I b ，使两者在放大器的输入端相互抵消。

这项措施可以使仪器的零输入电流减小到1pA。

输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路，如图所示。

继电器S控制100∶1衰减器是否接入。

VT5～VT10是模拟开关，控制放大器不同的增益。

它们在控制信号的作用下，形成不同的通、断组态，构成0.1V，1V，10V，100V，1000V五个量程状态及自测试状态。

各组分析如下：（1）0.1量程：VT8，VT6导通，放大电路被接成电压负反馈放大器，则放大倍数Af ＝（21.6+9+1）／1 ＝31.6最大输出电压Uomax ＝0.1×31.6 ＝3.16Ｖ（2）1V量程：VT8，VT10 导通，此时放大电路被接成串联负反馈放大器，Af ＝（21.6+9+1）／（9+1 ）＝3.16Uomax ＝1×3.16＝ 3.1６Ｖ（3）10V量程：VT7，VT9导通，放大电路被接成跟随器，放大倍数为1，然后输出又经分压，此时Uomax ＝10×（9+1）／（21.6+9+1 ）＝ 3.16V（4）100V量程：VT8，VT10导通，放大电路仍为串联负反馈放大器。

同时继电器开关S吸合，使100∶1衰减器接入，此时Uomax ＝100× 1 100 ×21.6+9+1 9+1 ＝3.16V（5）1 000V量程：继电器S吸合，100∶1衰减器接入；VT７，VT9导通，放大电路被接成跟随器，并使输出再经分压，此时Uomax ＝1000 × 1 ／100 ×(9+1) ／(21.6+9+1) ＝3.16 V由上述计算可见，送入A/D转换器的输入规范电压为0V～3.16V，由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源，0.1V，1V，10V三挡量程的输入电阻高达10000MΩ，10V和1000V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10MΩ。

当VT5，VT6，VT8导通，S吸合时，电路组态为自测试状态。

此时放大器的输出应为 3.12V。

仪器在自诊断时测量该电压，并与存储的数值相比较；若两者之差在6％内，即认为放大器工作正常。

结论通过这次对智能型DVM的设计学习，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了智能型DVM的原理和设计理念。

但是在做智能型DVM时，由于对智能型DVM 的原理和电路的不了解，在查阅资料和上网阅读时才对此设计了解了一些，但是总感觉还是没有彻底明白，只是有其中的思路。

在设计中，对芯片的了解也只限于皮毛，还需下功夫的继续深入学习，尤其是在电路的局部原理图时有许多的麻烦。

从这次的智能仪器课程设计中，我学到了很多东西，例如芯片的扩展、还有一些电路原理方面的知识，丰富了我的知识面。

通过对智能仪器的一般设计方法，熟悉系统硬件和软件的更多知识，为设计和开发智能仪器打下了坚实的基础，培养了我基于单片机应用系统的分析和设计能力，同时提高了我的分析问题能力和解决问题能力，对我以后的学习有很大的帮助。

参考文献a 普通图书：[1]李建忠《单片机原理与应用》西安电子科技大学出版社[2] 曹建平《智能化仪器原理与应用》西安电子科技大学出版社[3]季建华等《智能仪器原理，设计与调试》华东理工大学出版社[4]何立明主编《单片机应用系统设计应用》北京航空航天大学出版社[5]赵新民《智能化仪器原理与设计》哈尔滨工业大学出版社[6]赵茂泰《智能仪器原理及应用》电子工业出版社[7]《现代科学仪器》中国分析测试协会主办[8]《自动化仪表》中国仪器仪表学会上海工业自动化仪表研究所主办[9]《仪表仪器学报》中国仪器仪表学会主办仪器仪表网（< http://www.china_>）[10]仪器商城网 ( )。