第六章电压测量为主的智能仪器

本节仅介绍： 一、多斜积分式A／D转换器 二、脉冲调宽式A／D
一、多斜积分式A／D转换器
多斜积分式A／D转换器是在双积分式A／D转换器的基础 上发展起来的。
双积分式A／D转换器具有抗干扰性能强的特点，在采用零 点校准和增益校准前提下其转换精度也可以做得很高，
双积分式A／D转换器的不足之处是：转换速度较慢，并且 分辨率要求愈高，其转换速度也就愈慢。由于比较器带宽有限， 因此不能简单地通过提高时钟频率来加快转换速度，如果采用 软件计数，则时钟频率的提高更是有限度的。除此之外，双积 分式A／D 采用三斜积分式A／D转换器可以较好地改善转换速度慢这 个弱点，它的转换速率分辨率乘积可比传统双积分式A／D提高 二个数量级以上。
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。
6.1.1
概述
二、 智能DVM的功能及主要技术指标
1、数据处理功能及自动测量功能等：
标定(AX+B) 、相对误差(Δ％) 、极限(LMT) 、 最大/最小 、 比例 、统计 等数据处理功能；
自动量程转换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等自动 测量功能。
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
数据处理功能：
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。
2、普通DVM的各项技术指标： 量程、位数、测量准确度、分辨率、输入阻抗、输入电流、 测量速率等。
数据处理功能：
1． 标度变换（AX+B） R＝Ax+B 式中 ： R—— x—— A，B——
利用这一功能，可将传感器输出的测量值， 直接用实际的
2． 相对误差（Δ xn R 100% n 式中： n
(1)
为， 其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。 (2)
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。
｜UX｜T1＝UR × T21 ＋(UR／ 2m) T22
其中 T21 ＝ N1 × T0
，
T22 ＝ N2 × T0
将上式加以整理得
｜UX｜T1＝UR N1 T0 ＋(UR／2m) N2 T0
U R T0 2
m
( 2 N1 N 2 )
m
U R T0 2
m
N
三斜积分式的反向积分阶段T2 分为如图所示的T21、T22 两部分： 在T21期间积分器对基准电压UR进 行积分，放电速度较快；在T22期间 积分器改对较小的基准电压UR/2m 进行积分，放电速度较慢。
二、 智能DVM的功能及主要技术指标 普通DVM的各项技术指标
(3)
Δ＝±a％UX±b％Um
上式右边第一项与读数UX成正比，称为读数误差；第二项 为不随读数变化而变化的固定数误项，称为满度误差。读数误 差包括转换系数（刻度系数）、非线性等因素而产生的误差。 满度误差包括量化、偏移等因素而产生的误差。由于满度误差 不随读数而变化，因此可折合成n个字来表示，其表达式为 Δ＝±a％UX±n
6.1.1
一、 组成
概述
6.1.1
一、 组成
概述
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。
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。
将上式进一步加以整理，可得三斜积分式A／D转换器的基本关系式
Ux
UR
T 0 N 2 m T1
(6.1)
如果取m＝7，时钟脉冲周期T０＝120μs，基准电压UR＝10V，并希望把12V 被测电压变换为N＝120 000码读数时，由上式可以计算得T1＝100ms。
传统双积分式A／D转换器在相同的条件下所需要的积分时间T1＝5.36s，可 见，三斜积分式A／D转换器可以使测量速度大幅度提高。
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，输入端在微处理器的控制下接入一个10MΩ的电阻，当输入电 流（+Ib）流过时，就会在该电阻上产生压降，该电压经输入放大器放大并经 A/D转换器转换成数字量后存入存储器，作为输入电流的校正量。在进行正常测 量时，微处理器将根据校正量送出适当的数字到D/A转换器转换成电压，并经输 入电流补偿电路产生一个与原来输入电流（+Ib）大小相等方向相反的电流（Ib），使两者在放大器的输入端相互抵消。
(7)
测量速率
以每秒的测量次数来表示，
6.1.2
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。
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。
二、 智能DVM的功能及主要技术指标 普通DVM的各项技术指标
(3) Δ＝±a％UX±b％Um
式中： a
b
——
——
UX —— 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。
数据处理功能：
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。
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。
二、 智能DVM的功能及主要技术指标 普通DVM的各项技术指标
三斜积分式的反向积分阶段T2 分为如图所示的T21、T22 两部分： 在T21期间积分器对基准电压UR进 行积分，放电速度较快；在T22期间 积分器改对较小的基准电压UR/2m 进行积分，放电速度较慢。 计数时，计数器也分两段计数：T21期间从计数器的高位(2m位)开始计数，设 其计数值为N1；在T22期间从计数器的低位(20位)开始计数，设其计数值为N2。则 N＝N1×2m＋N2 在一次测量过程中，积分器上电容器上的充电电荷与放电电荷是平衡的，则
普通DVM的各项技术指标
(4) 分辨力（分辨率） 分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力，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。 分辨力与量程及位数有关，量程愈小位数愈多，分辨力就 愈高。DVM 通常以仪器最小量程的分辨力来代表仪器的分辨力， 例如最小量程为1V的4 位DVM的分辨率为 100μV。 有时也用相对形式的分辨率来表示。用分辨率表示比较直观， 且与量程无关。 (5) 输入阻抗 Zi
（1）0.1量程： VT8，VT6导通，
放大倍数为 最大输出电压 Af ＝（21.6+9+1）／ 1 ＝31.6 Uomax ＝ 0.1×31.6 ＝ 3.16 Ｖ
（2） 1V量程 ： VT8，VT10 导通，此时放大器， Af ＝ （21.6+9+1）／（ 9+1 ） ＝3.16 Uomax ＝ 1×3.16 ＝ 3.1 （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 ＝3.16 V （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，
4． 最大值/
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。
数据处理功能：
5． 指测量值与另一个测量值或参考值之间的关系，有三种 表达形式。 R＝x／ r R＝20 log（x／ r） R＝x2 ／r 式中 : r 第一种表达形式为简单的比例关系； 第二种为对数比例关系， 显示值的单位为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