电子测量 技术 第4章 数字测量方法.ppt

第4章 数字测量方法 电压测量的数字化方法 数字电压表的实现 频率测量 时间测量 相位测量 §4.1 电压测量的数字化方法 电压的数字化测量，其基本特点是：将模拟电压通过各种变换器（电路或电路模块）转换成数字量，并以数字形式显示。 一、数字式仪器的一般结构 §4.1 电压测量的数字化方法 §4.1 电压测量的数字化方法 二、数字式电压表分类 （DVM） 各类DVM的主要区别在于A/D转换的方式不同，按其工作原理主要分为：比较型和积分型两大类。 1。逐次比较型DVM的工作原理 比较型A/D转换器将输入模拟电压与标准电压进行的一种直接转换形式的A/D转换器。有反馈式和无反馈式两种。使用最多的是具有反馈的逐次比较式。 §4.1 电压测量的数字化方法 逐次比较型DVM的工作原理 §4.1 电压测量的数字化方法 2。积分型DVM的工作原理 积分型A/D转换器是一种间接转换器。 首先对输入的模拟电压通过积分器变成时间（T）或频率（F）等中间量，再把中间量转换成数字量。根据中间量的不同分为U—T式和U—F式。 U—T式利用积分器产生与模拟电压成正比的时间量，随后在此时间的控制下完成数字量计数。 U—F式利用积分器产生与模拟电压成正比的频率量，通过对频率的测量获得模拟电压的数字量。 （1）U—T积分型DMV的工作原理 §4.1 电压测量的数字化方法 U—T双积分型DVM原理 §4.1 电压测量的数字化方法 时序图 §4.1 电压测量的数字化方法 工作过程分三个阶段： 准备阶段（t0～t1）：电子开关与0电平接通（S4位），积分器清零； 采样阶段（t1～t2）：电子开关与输入信号接通（S1位），进行定时积分。此时： §4.1 电压测量的数字化方法 此种方法构成的仪表的准确度主要取决于基准电压UN的准确度和稳定度，而与积分器的参数基本无关。且两次积分对同一脉冲源(T0)计数，从而降低了对脉冲源稳定性的要求。此外，积分可以有效消除各种干扰电压的影响，尤其是工频干扰（由于积分时间为工频周期20ms的整倍数），所以具有良好的抗干扰能力。 但其测量速度较低，一个测量周期约为几十～一百毫秒。 总之：U—T双积分DVM具有抗干扰能力强、稳定性好、测量准确度高、成本较低等优点，是目前较多使用的方法。 （2）U—F积分型DVM工作原理 §4.1 电压测量的数字化方法 此种转换方法的核心部件为VFC器件。目前市场上可供选用的单片集成VFC器件很多，如通用型的有：LM131、LM231、LM331、RC4151等；高精度型：AD650、AD651、VFC32等。 三、DVM的构成方式 以A/D转换器为核心构成DVM的方式很多，目前主要有两类： A/D转换器+计数器+编码器+数码显示器； A/D转换器+单片机系统+显示器。 四、DVM的测量误差 DVM的固有误差通常有两种表示方式： §4.1 电压测量的数字化方法 其中，Ux是被测电压读数，Um是该量程的满刻度。 a%Ux称为读数误差，由构成仪器的各单元电路的不稳定性造成的固有误差，它随读数大小而变化； b%Um称为满度误差，由量化误差（即A/D转换误差）和0点误差组成，它不随读数变化，仅与量程有关。 有关数字电压表术语的说明： 显示位数：DVM的显示分为完整显示位和非完整显示位。 完整显示位每位均能显示0～9的数字。如4位显示的DVM，最大显示数字为9999。根据量程不同，小数点位置和误差也不同。如10V量程，指示值为0.000～9.999，指示误差为0.001V。 非完整显示在最高位上只能显示0和1，称为半位。如4位半 的DVM，其指示范围为00000～19999。 §4.2 电压测量的数字化方法 分辨力：分辨力指DVM能够分辨最小电压变化量的能力，通常用每个字对应的电压值表示。它取决于DVM所选用A/D转换器的位数和量程。 如3位半的DVM，在200mV量程上，可以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为0.1mV/字。 例题：一台3位半的DVM说明书给出的精度为±（0.1%读数+1字），如用该表的0～20V DC档分别测量5.00V和15.00V的电压，试计算DVM测量的固有误差。 §4.2 电压测量的数字化方法 输入为15.00V时，固有误差为： △U= ±（0.1%×15V+0.01V）= ±0.025V 相对误差为： §4.3数字电压表的实现 一、数字电压表的实现方法 目前数字电压表有两种基本的实现方法： 数字电路法 单片机法（智能DVM） 1。单片机法 总体结构 此表以80C51单片机为核心，采用软硬件结合的方式，实现对各种波形的电压信号有效值的测量。其总体结构见下图。 §4.3数字电压表的实现 2。