电子测量原理第2版詹惠琴古天祥电子课件第4章节.ppt

4.3.4 数字电压表的误差分析及自动校准技术 数字电压表（DVM）和数字多用表（DMM）是常用的电压测量仪器，因此，了解DVM在电压测量中的误差形成、误差表示，并寻求减小测量误差、根据需要合理选择测量仪器等非常重要。 本节将在DVM的误差分析基础上，阐述DVM的自动校准和自动量程转换技术，其分析方法和技术原理不仅对深入了解DVM的工作特性有益，而且在DVM的设计及工程应用中有较大的参考价值。 1） DVM的误差分析 DVM误差来源 DVM的误差表达式 2）DVM中的自动校正技术 自动校零技术 DVM的软件校准技术 3）DVM中的自动量程技术 满度误差与量程选择的关系 量程自动选择实现原理 * 1） DVM的误差分析 DVM误差来源 DVM主要由输入通道电路（包括模拟开关、输入衰减/放大器）和A/D转换器及计数器和相应的控制电路组成（见图4-14），以双斜式A/D转换器构成的DVM为例，这里，通常可以不考虑计数器和控制电路引入的误差，只需考虑由输入通道电路和A/D转换器各组成部件的非理想而引入的误差。这些误差来源于： 积分器误差 比较器误差 基准电压源误差 模拟开关误差 输入衰减/放大器误差 A/D转换器的量化误差 DVM的误差表达式 DVM的整体误差可分为固有误差和附加误差。固有误差表示在一定测量条件下DVM本身所固有的误差，它反映了DVM的性能指标；附加误差指测量环境的变化（如温度漂移）和测量条件（如被测电压的等效信号源内阻）所引起的测量误差。 固有误差 附加误差 * 积分器误差 首先，考虑积分器的输入失调电压Uos和输入偏置电流IB引起的误差。分析表明，Uos和IB使实际积分器的输出偏离零点，并改变了积分器输出斜率。 为了补偿输入偏置电流IB的影响，一个简单的办法是在积分器的同相端接入与积分电阻R相等的平衡电阻。而消除Uos和IB影响的最有效的方法是采用积分器动态校零技术。 * 比较器误差 如前面双积分式A/D转换器原理所述，基于比较测量原理的比较器的灵敏度（电压分辨力）和响应带宽（时间分辨力）不足将直接对A/D转换结果产生影响。 * 基准电压源误差 实现A/D转换的基本原理仍是基于比较测量方法，因此，基准电压（参考电压）的精度和稳定性也将直接影响到A/D转换结果，引起测量误差。 * 模拟开关误差 实际的模拟开关（电子开关）并不具有理想的开关特性（导通电阻为零，断开电阻为无穷大或漏电流为零），它总存在一定的导通电阻（接通时）及漏电流（断开时），因此，对后续电路产生影响。 为减小模拟开关误差，可在模拟开关到积分器的积分电阻之间加入一级跟随器。 * 输入衰减/放大器误差 DVM为扩大测量范围，输入端都有衰减器和放大器，其衰减或放大倍数与量程对应，一般按10倍变化（当不进行衰减或放大时的量程为基本量程）。 非理想的输入衰减/放大器的零点漂移、增益误差、响应带宽的影响，以及输入阻抗与输入信号源的等效内阻对输入信号的影响，输出阻抗对后续电路的影响等，都将引入DVM的测量误差。 * A/D转换器的量化误差 A/D转换器用有限位数的输出数字量来表示模拟电压信号，因而无可避免的存在“截断误差”，称为A/D转换器的量化误差。 量化误差最大为1LSB，相当于一个量化阶梯，显然，A/D转换器的位数愈多，量化误差愈小。 * DVM的误差表达式 固有误差 如前所述，DVM的固有误差由读数误差和满度误差两部分构成。如式(4-22)和式(4-24)所示。它也是DVM说明书用于表示DVM性能指标的常用形式。 固有误差中的读数误差与被测电压大小有关，它包括转换误差（或称为刻度误差）和非线性误差；满度误差与被测电压大小无关，主要由系统漂移引起。 转换误差表示了从输入衰减/放大器（设传递系数分别为k1和k2）、模拟开关（设传递系数k3）到A/D转换器（设传递系数k4）的转换特性，将DVM的输入Ux到最终转换结果N视为一个由k1~k4的多级级连系统，则 式中， 即表示了DVM的“转换系数”，它是刻度系数e（V/字）的倒数。 * 理论上，转换系数k应为固定的数值，但由于各部件的非理想特性，引入了测量误差。k的相对误差为各部件传递系数k1~k4的相对误差之和，即 满度误差是由上述级连系统中各部件的漂移引起，与输入电压无关。设上述各部件的输出电压分别为Uo1、Uo2、Uo3和Uo4，输出电压的误差量分别为ΔUo1、ΔUo2、ΔUo3、ΔUo4，则折合到总输入端（相对于被测量）的误差量为 假设式(4-38)的数字量N的最小量化单位（1LSB）为Us，则对式(4-28)的N取整后的输出为 考虑到读数误差和满度误差，对式(4-41)做误差合成，则 * 上式N取整后，得 比较式(4-42)与式(4-41)，可得DVM的绝对误差和相对