实验二数字电压表的组装及扩展应用设计.doc

电子测量实验讲义 实验二 数字电压表的组装及扩展应用设计 实验目的 掌握数字电压表的基本工作原理。 熟练掌握数字电压表的校准原理和方法，并进行数字电压表的组装和校准。 掌握数字电压表的基本扩展原理，并在此基础上设计一个数字温度计，提高学生对电子测量的综合运用能力。 数字电压表的基本工作原理 数字电压表（Digital Voltage Meter），简称DVM。其基本组成原理如图2-1所示。 图2-1数字电压表组成原理 数字电压表由模拟和数字两部分构成，其中输入电路的主要功能是：完成对输入电压衰减/放大、变换；数字电压表的核心部件是A/D转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC），它实现模拟电压到数字量的转换；数字显示器的功能是：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。目前普通的数字电压表主要使用的是双积分式A/D转换器。 2.1双积分式A/D转换器工作原理 双积分式A/D转换器是通过对被测电压进行定时积分和对参考电压进行定值积分的两个积分过程，来获得被测电压值数值的一种测量方法。它由积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路构成，基本电路原理如图2-2所示，图中Vx为被测电压、-Vr为基准电压、S1位模拟开关、R为积分电阻、C为积分电容、VO为积分器输出电压、A1为运算放大器、A2为电压比较器。 图2-2双积分式A/D转换器电路原理 双积分式A/D转换器的工作过程为：A/D转换启动后，S1首先将输入信号Vx接到积分器上，积分器输出一个负斜波电压，同时计数器开始计数。经过一定时间T1，计数器达到要求的计数值，逻辑控制电路通过S1将输入信号切换到基准电压-Vr上,积分器开始对-Vr进行反向积分，同时计数器从0开始重新计数。由于Vx与-Vr的极性相反，所以积分器输出正斜波电压。当积分器输出电压过零时，比较器输出为0，计数器停止计数。双积分式A/D转换器的工作过程波形，如图2-3所示。 图2-3双积分式A/D转换器的工作过程波形 设第一次积分开始时VO=0，那么当第一次积分完成时，积分器的输出电压为： (2.1) 同理，当第二次积分开始时，积分器输出电压从Vo(t1) 开始上升，即： (2.2) 在t2时刻，积分器输出Vo(t2)=0,即： (2.3) (2.4) (2.5) 计数器的计数值与计数时间成正比，所以： (2.6) 式中，N1、N2分别为T1、T2时间内计数器的值。 从图2-3我们可以看出，由于双积分式A/D转换器第一次积分时间固定，因此t1时刻，积分器的输出电压与被测输入电压Vx成正比，输入电压幅度越大，充电电流也越大，最终积分器的输出电压也越高；同理，由于第二次反向积分时，积分器输入电压为基准电压（固定不变），反向积分的斜率为常数，所以反向积分开始时，积分器输出电压越高，反向积分的时间也越长，反向积分时间与输入被测电压成正比。正是基于这个原理双积分式A/D转换器可以将被测输入电压，量化为计数器的计数值，从而完成A/D转换任务。 双积分式A/D转换器的特点： 1、双积分式A/D转换器，是基于V-T变换的比较测量原理。在一次测量过程中包含两个积分过程，因此其速度较低，常用于高精度慢速测量的场合。 2、积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。 3、参考电压-Vr的精度和稳定性对A/D转换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。 4、对积分器和比较器的性能要求较高，积分器和比较器的零漂是影响测量精度的主要因数。 2.2双积分式A/D转换器的自动调零原理 为了有效的降低积分器和比较器的零漂所引起得测量误差，现在的双积分式A/D转换器普遍采用在A/D转换之前，插入一个“自动调零周期”的方法来消除系统的零漂影响，提高A/D转换器的精度。双积分式A/D转换器自动调零的原理，如图2-4所示。图中V0S为系统等效零漂、VCZ为自动调零电容上的电压、CAZ为自动调零电容。 图2-4双积分式A/D转换器自动调零原理 在自动调零阶段：S1断开AZ1、AZ2导通，积分器同相输入端电压为系统的等效零漂电压:V0S，积分运算放大器开始为自动调零电容CAZ进行充电。自动调零节段结束时，CAZ上的电压为： VCZ=V0S