智能型电压测量仪.ppt

第5章 智能型电压测量仪,5.1 智能型DVM的功能、技术指标及特点5.2 智能型DVM的原理5.3 智能型DMM的原理及应用 5.4 电压表的使用 思考题与习题,5.1 智能型DVM的功能、技术指标及特点,5.1.1 智能型DVM的结构智能型DVM是指以微处理器为核心的数字电压表,典型结构如图5-1所示。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。用于测量的输入输出设备有：输入电路、A/D转换器、键盘、显示器及标准仪用接口等。仪器内部采用总线结构,外部设备与总线相连。,图 5-1 智能DVM的典型结构,智能型DVM的测量大致分为三个主要阶段：首先,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存入到数据存储器；其次,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；最后,显示最终处理结果。上述整个工作过程都是在存放于ROM中的监控程序的控制下进行的。,5.1.2 智能型DVM的功能及主要技术指标采用微处理器后,仪器在外观、内部结构以及设计思想等方面都发生了重大的变化。智能型DVM不但具有测量功能,同时还具有很强的数据处理功能,这些数据处理功能是通过按不同的按键,输入相应的常数以及调用相应的处理程序来实现的。不同型号的智能型DVM设置的处理功能有所不同,相同的处理功能其表达方式也不一定相同,但一般可以用下列方式来表示。,1.标定（AxB）RAxB(5-1)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,实现了标度变换。2.相对误差（%）(5-2),式中:n 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）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/最小利用此项功能可以对一组测量值进行比较,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和最小值。5.比例,式中:r 由面板键盘输入的参考量。比例是指一个量与另一个量之间的相互关系,这里提供有三种形式。第一种为简单比例；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W或mW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,可以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。智能型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。这些功能在前几章中已作过讨论,这里不再赘述。智能型DVM除具有上述的数据处理能力和一些独特的功能以外,还具有普通的DVM的各项技术指标,其中主要技术指标有7项：,（1）量程。为扩大测量范围,智能型DVM借助分压器和输入放大器分为若干个测量量程,其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。（2）位数。智能型DVM的位数是以完整的显示位（能够显示09这10个数码的显示位）来定义的。例如,最大显示数为9999、19 999、11 999的DVM称四位表。为区别起见,常常也把最大显示数为19 999、11 999的DVM称为 位数字电压表。位数是表征DVM性能的一个最基本的参量。通常将高于5位数字的DVM称为高精度DVM。,（3）测量准确度。智能型DVM的测量准确度常用绝对误差的形式来表示,其表达式为=a%Ux b%Um（5-6）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。分辨率即显示输入电压最小增量的能力,通常以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,分辨率就愈强。DVM通常以其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100 V。（5）输入阻抗Zi。输入阻抗Zi是指从DVM两个输入端看进去的等效电阻。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是指以其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,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,以形成误差电压,所以输入电流愈小愈好。（7）测量速率。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。,5.1.3 智能型DVM的特点与常规的数字电压表相比,智能型数字电压表具有以下特点。1.准确度高 由于DVM的测量准确度与量程有关,而智能型DVM能够根据被测信号的大小很容易地实现测量量程的转换,因而具有较高的测量准确度。此外,由于智能型DVM通常采用数字显示,其显示的位数较多,因此可使相对误差达到很小。加之智能型DVM的灵敏度也比较高,最高分辨率可达1 V,这些显然都是常规仪表无法达到的,所以智能型DVM在精密测量中是不可缺少的。,2.数字显示 智能型DVM将测量结果以数字量形式直接显示,能保证读数清晰准确,从而消除了指针仪表的视觉误差。智能型DVM的位数是以完整的显示位（能够显示09这10个数码的显示位）来定义的。当需要进行高精度测量时,可方便地采用多位数字显示。3.测量速度快 由于没有指针惯性,因此智能型DVM完成一次测量的时间只需几到几十毫秒,甚至快达几十微秒。高质量的DVM具有自动判断极性、自动转换量程、自动校准、自动调零、自动处理数据等功能,特别适用于自动检测。,4.输入阻抗高一般智能型DVM的输入阻抗为10 M左右,最高可达104 M,对被测电路的影响极小。5.便于实现测量自动化由于智能型DVM通常以单片机作为仪表的核心控制部件,而且大多数单片机都具有双向可通信的串行口。因而,智能型DVM可以很方便地与其他仪器进行数据通信,以实现测量过程的自动化。,5.1.4 智能型DVM的分类智能型DVM是利用模/数（A/D）转换原理,将被测的模拟量转换成数字量,并将转换结果送入单片机进行分析、运算和处理,最终以数字形式显示出来的一种测量仪表。而各类智能型DVM的区别主要是模/数（A/D）转换方式。A/D转换包括对模拟量采样,再将采样值进行量化处理,然后通过编码实现转换的过程。因而,根据仪表内部使用A/D转换器的转换原理的不同,可构成以下几种不同类型的智能型DVM。1.比较型DVM 比较型DVM把被测电压与基准电压进行比较,以获得被测电压的量值,这是一种直接转换方式。这种数字电压表的特点是测量精确度高、速度快,但抗干扰能力差。根据比较方式的不同,又分为反馈比较式和无反馈比较式。,2.积分型DVM 积分型DVM是利用积分原理,首先把被测电压转换为与之成正比的中间量时间或频率，再利用计数器测量该中间量,这是一种间接转换方式。根据中间量的不同,积分型DVM又分为电压时间（U-t）式和电压频率（U-f）式。这类数字电压表的特点是抗干扰能力强,成本低,但测量速度慢。3.复合型DVM 复合型DVM是将比较型和积分型结合起来的一类智能型DVM,它取上述两种类型的优点,兼顾精确度、速度和抗干扰能力,从而适用于高精确度的测量。,5.2 智能型DVM的原理,5.2.1 输入电路在图5-1所示的智能型DVM典型结构框图中,常常将输入电路和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。无论一台智能型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。本节先讨论输入电路。输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程的转换。下面以图5-2所示的DATRON公司的1071智能型DVM输入电路为例,对输入电路的组成原理进行讨论。,输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程的转换。下面以图5-2所示的DATRON公司的1071智能型DVM输入电路为例,对输入电路的组成原理进行讨论。,图 5-2 1071智能型DVM的输入电路,1071智能型DVM输入电路主要由输入衰减器、输入放大器A1、有源滤波器、输入电流补偿以及自举电源等部分组成。有源滤波器是否接入由微处理器通过I/O接口电路进行控制,该滤波器对50 Hz的干扰有54 dB的衰减。自举电源的参考点不是地,而是输入信号。从图5-2中可以看出,M32高阻抗缓冲放大器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,从而控制M32的输出。M32的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的输出端,产生一个浮动的12 V电压作为输入放大器的电源电压。,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。例如,输入电路通常采用二极管作过载保护,二极管跨接在输入端与零电位之间,其漏电流对输入阻抗有很大影响。若将二极管跨接在放大器输入端和自举电源公共零点上,由于公共零点随输入信号而浮动,因而消除了二极管漏电流的影响,保证了高输入阻抗。,输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响,其补偿原理可以用图5-3（a）来说明。在自动补偿时,在输入端接入了一个10 M的电阻,输入电流+Ib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。在正常测量时,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+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,如图5-3（b）所示。这项措施可以使仪器的零输入电流减小到1 pA。,图 5-3 输入电流补偿电路原理框图,图 5-4 量程标定电路原理,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5-4所示。S为继电器开关,控制1001衰减器是否接入。V5V10是场效应管模拟开关,控制放大器不同的增益。继电器开关S、V5V10在微机发出的控制信号的控制下,形成不同的通、断组合,构成0.1 V、1 V、10 V、100 V和1000 V五个量程以及自动测试状态。各种组合分析如下：(1)0.1 V量程。V8、V6导通,放大电路被接成电压负反馈放大器,其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为,(2)1 V量程。V8、V10导通,此时放大电路被接成串联负反馈放大器,其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为,(3)10 V量程。7、V9导通,放大电路被接成跟随器,放大倍数为1,然后输出经分压,此时(4)100 V量程。V8、V10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1001衰减器接入,此时,(5)1000 V 量程。继电器开关S吸合,使1001衰减器接入,同时V7、V9导通，放大电路被接成跟随器,并使输出再经分压,此时由上述计算可见,送入A/D转换器的输入规范电压为 03.16 V,同时,由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源,因此0.1 V、1 V和10 V三挡量程的输入电阻高达10 000 M。10 V和1000 V挡量程由于接入衰减器,输入阻抗降为10 M。,当V5、V6和V8导通,继电器开关S吸合时,电路组态为自测试状态。此时放大器的输出应为-3.12 V。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%以内,即认为放大器工作正常；否则视为故障,必须排除。,5.2.2 智能型DVM中的A/D转换技术常规的数字电压表所采用的各种A/D转换器的转换过程完全是靠硬件电路来实现的,精度不可能达到很高。高精度的智能型DVM一般不直接采用集成A/D转换器芯片,而是在一般A/D转换器的基础上,借助软件来形成高精度的A/D转换器。其中广为采用的有多斜积分式A/D转换器、Fluke公司提出的余数循环比较式A/D转换器、Solartron公司提出的脉冲调宽式A/D转换器等。下面通过介绍多斜积分式A/D转换器和脉冲调宽式A/D转换器来了解这类A/D转换器的工作特点。,1.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强的特点,在采用零点校准和增益校准的前提下,其转换精度也可以做得很高,但显著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转换器还存在着“零区”等问题。图5-5为多斜积分式A/D转换器的转换波形图。,图 5-5 多斜积分式A/D转换器的转换波形图(a)三斜积分式；(b)四斜积分式,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以比传统双积分式A/D转换器提高两个数量级以上。三斜积分式A/D转换器的转换波形是将双积分式A/D转换的反向积分阶段T2分为如图5-5（a）所示的T21和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,积分器改为对较小的基准电压UR/2m进行积分,放电速度较慢。在计数时,把计数器也分成两段进行计数。在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。则计数器中最后的读数为NN1 2mN2,在一次测量过程中,积分器上电容器的充电电荷与放电电荷是平衡的,则|Ux|T1URT21 其中：T21N1T0,T22N2T0将上式加以整理,可得|Ux|T1URT21,将上式进一步整理,可得三斜积分式A/D转换器的基本关系式为 上式中,如果取m=7,时钟脉冲周期T0120 s,基准电压UR10 V,并希望把12 V 被测电压变换为N120 000码读数时,由上式可以计算出T1 100 ms,而传统的双积分式A/D转换器在相同的条件下所需要的积分时间T115.36 s,可见三斜积分式A/D转换器可以使测量速度大幅度提高。,四斜积分式A/D转换器是为了解决双积分式和三斜积分式A/D转换器存在的“零区”问题而提出的。其解决的方法是：在取样期结束时,先选用与被测电压同极性的基准电压积分一段固定的时间Tc,以产生上冲波形,避开零区,然后再按上述三斜积分式A/D转换的方法去进行反向积分,从而构成四斜积分式A/D转换器,其转换波形见图5-5（b）。由于Tc是固定的,因此该上冲使测量结果增加的数值也是固定的,这很容易用软件的方法来扣除。,图5-6示出了四斜积分式A/D转换器的原理框图。积分器的输入端经6个开关分别与被测电压、各种基准电压和模拟地相接,由6个D触发器组成的输出口实施对这些开关的控制。微处理器通过执行输出指令将不同的数据送往该输出口,就可以使不同的开关接通或断开。,图 5-6 四斜积分式A/D转换器原理框图,比较器和比较器的输出分别经三态反相器连接到数据总线的D7和D0位。这两个三态门构成了微处理器系统的一个输入口,通过向该口执行输入指令来对D7和D0位进行判别,就可以确定当时积分器的状态。计数器是由微处理器内部的8位寄存器B、C、D级联组成的,其中寄存器B为计数器的低8位,寄存器D为计数器的高8位。这里选择系数m=7,因此在T21期间将从寄存器B的最高位计数,在T22期间将从寄存器B的最低位计数。图5-7示出了四斜积分式A/D转换的控制流程图。首先接通开关S0,使积分器对被测电压Ux进行积分,接着进入延时程序,使S0接通时间达到准确的T1100 ms。这段时间为定时积分。,图 5-7 四斜积分式A/D转换控制流程图,定时积分结束后,通过输入指令将比较器的输出状态输入到微处理器,并判断出Ux的极性,以便选择与Ux极性相同的基准电压UR接入积分器,实现积分器输出波形的上冲。当Ux0（即积分器的输出Uo0时）,接通开关S1,接入 UR；当Ux 0（即Uo 0）时,则接通开关S2,接入-UR。直至经过延时程序,使 UR或-UR被积分的时间达到128 s(一个时钟周期),进入时间段Tc。经过Tc时间以后再通过输入指令将比较器的状态送入,再次判断Ux的极性,以便选择一个与Ux x极性相反的基准电压。然后判断|Uo|的大小是否超过了U,以确定是先接入UR或-UR,实现快速反向积分；还是直接接入 UR/2m或-UR/2m，实现缓慢反向积分。当|Uo|U时,本应立即接入与Ux极性相反的大基准电压,实现反向积分。,但是,由于在T21期间进行的从2m位计数是由程序给出的,除了计数子程序内循环执行的指令外,还要执行调用子程序、返回主程序以及接通或断开基准等指令。执行这些指令需要的时间为固定的22 s,这段时间与T21期间计得的数N1无关,因此必须设法补偿掉。补偿的办法是选用与被测电压极性相同的基准电压UR造成再一次上冲。上冲时间由延迟程序控制,使之正好等于反向积分时间 T21中多出的22 s。第二次上冲结束后,再选用极性相反的基准电压UR开始反向积分,这时每隔128 s就在计数器的27位计一个数,同时检查积分器输出的电压Uo的绝对值是否低于U。,如果|Uo|U,就反复计数直至|Uo|U。此时断开大基准电压,再接入小的基准电压继续进行缓慢的积分,进入时间段T22。在T22 时间段内每隔128 s 在20位计一个数,同时检查Uo的极性是否改变。若Uo极性不变就继续在20位计数,直至Uo的极性改变为止,此时一次测量即告结束。这时再将开关S5接通,使积分器输入端接地,为下一轮的A/D转换作好准备。上述即为四斜积分式A/D转换方式的工作过程。,2.脉冲调宽式A/D转换器 脉冲调宽式A/D转换器是Solartron公司的专利,它也是在双积分式A/D转换器的基础上发展起来的。脉冲调宽式A/D转换器主要克服了双积分式A/D转换器的不足之处。双积分式A/D转换器的不足之处为：积分器输出斜波电压的线性度有限,使双积分式A/D转换器的精度很难高于0.01%；积分器式A/D转换器采样是间断的,不能对被测信号进行连续监测。,脉冲调宽式A/D转换器的原理框图如图5-8所示,其中(a)是结构图,由一个积分器、两个比较器、一个可逆计数器和一些门电路组成。积分器有三个输入信号：被测信号Ux、强制方波Uf以及正负幅度相等的基准电压UR。由于强制方波的作用大于其余两者之和,因此积分器输出为正负交替的三角波。当三角波的正峰和负峰超越了两个比较器的比较电平U和-U时,比较器便产生升脉冲和降脉冲。一方面,升降脉冲用来交替地把正负基准电压接入到积分器的输入端;另一方面,升降脉冲分别控制门和门,以便控制可逆计数器进行加法计数和减法计数。,由上述分析可知,当Ux 0时,积分器的输出动态地对零平衡,升降脉冲宽度相等,可逆计数器在一个周期内的计数值为零。如果有信号-Ux输入,它将使积分器的输出正向斜率增加,负向斜率减少,从而使升脉冲宽度增加,降脉冲宽度减少,则可逆计数器加法计数多于减法计数,两者之差即代表了Ux的大小。上述A/D转换器各点波形如图5-8b）所示,为简化起见,没有考虑正负基准电压对积分输入电压的影响。假定T1和T2分别代表在一个周期T内正负基准接入的时间,根据电荷平衡原理,则有,若R1R2,则,上式表明,被测电压的平均值与可逆计数器进行加法计数的时间与减法计数之差成正比,即与计数器的计数值成正比。由于脉冲调宽式A/D转换器中的积分器在每个测量周期中要往返多次,故使积分器的非线性得到了良好的补偿；由于A/D转换对Ux的采样是连续的,因此便于对Ux不间断地检测,克服了双积分式A/D转换器的不足。,图 5-8 脉冲调宽式A/D转换器原理框图,图 5-8 脉冲调宽式A/D转换器原理框图,5.2.3 典型智能DVM产品介绍HG-1850 DVM是在吸取了诸多智能型DVM某些特点的基础上,结合国内具体情况自行设计的产品。它采用了Intel 8080A CPU、多斜积分式A/D转换器,量程可以自动转换,最大显示数为112 200,可用于测量10 V1000 V的直流电压,主要性能技术指标见表5-1。,表5-1 HG-1850 DVM主要性能技术指标,该仪器在自校准方面吸取了HP3455A DVM的优点,使仪器每隔三分钟便自动进行一次自校准,从而保证了测量的准确度和长期的稳定性。在自检方面借鉴了Fluke 8500A/8502A等DVM的做法,用户可以随时按下面板上的自检键使仪器进行自检。若某一部分出现故障,显示器将显示故障代码,为仪器的维修提供了方便。在数据处理方面,本仪器又参考了 Solartron 7055/7065 DVM等仪器所采用的方法并加以改进,使用户不仅可以通过面板上的功能键对测量结果进行正常运算,还允许用户根据需要通过操作键盘编写出各种数据处理程序。,HG-1850智能型DVM具有五种工作模式,即测量模式、自检模式、用户处理模式、编程模式和自校准模式。在测量模式下,用户可通过键盘选择适当的测量方式和量程,微处理器根据键盘选定的量程送出相应的开关量（控制字）,使输入放大器组成相应的组态。在自检模式下,微处理器将按预定的程序检查模拟单元各部分的工作状态。若一切正常，显示器即显示“Pass”字样,然后返回到测量模式；否则,将显示故障代码。用户处理模式是指当按下“用户”键后,仪器即进入用户程序模式。用户程序是按使用者需要而事先编制并固化在ROM中的测量、控制或数据处理程序。,在编程模式下,用户可以利用仪器面板的键盘编制所需要的计算程序。自校准模式是由程序控制自动进入的。为了实现每隔大约3分钟就进行一次自校准,设立了一个9 bit二进制自校计数器M。程序在每进行一次测量之后,M的内容加1,并且当计数器计满时,调用一次自校准程序,则每当进行了512次测量（约3分钟）之后,便会使仪器自动校准一次。,5.3 智能型DMM的原理及应用,5.3.1 智能型DMM的工作原理数字化多用表（DMM）是指除能测量直流电压外,同时还能测量交流电压、电流和电阻等参数的数字测量仪器。其组成框图见图5-9。由图可见,智能型DMM以直流DVM为基础,通过交/直流（AC/DC）电压转换器、直流电流/电压(I/U)转换器和电阻/直流电压(R/U)转换器,分别将交流电压、直流电流和电阻转换成相应的直流电压,然后再由DVM进行电压测量而实现。因此,DMM实际上是一种以DVM为基础的电子仪器。下面简要介绍几种参数转换器的工作原理。,图 5-9 智能型DMM框图,构成线性检波器的基本原理是利用负反馈对一般的二极管检波电路进行校正,使转换特性线性化,其原理图如图5-10所示。在深度负反馈条件下,闭环放大倍数(5-9)式中,A1、A2分别是放大器和整流电路的传输系数,F是反馈网络的反馈系数。可见,当A1A2F1时,Uo与Ui的关系只取决于反馈系数F,而与检波电路的传输性质基本无关,从而实现了线性化。,图5-10 线性检波器原理,图5-11是全波线性检波器的原理框图。图中运算放大器A1是输入级,用于提高灵敏度和转换量程；A2及V1、V2组成并联负反馈；A3组成有源低通滤波器,以减小输出纹波电压。已知被测电压为正弦波,则M点的电压也是正弦波。设Um（t）=Um sint,当Um为负半周时,A2输出正电压,V2导通,V1截止,在R7上得到正半周电压,并通过R8送入A3滤波器的入口P点,同时经R5反馈至A2的输入端；当Um为正半周时,A2输出负电压,V1导通,在R6上的压降通过R4反馈至A2输入端,使得A2在整个周期内获得反馈电压。,这时V2是截止的,R0上的压降不能加到N点,但是M点的正半周电压通过R10引至P点（实际上M点的负半周电压也送至P点）,与前半周R7送来的正半周电压构成全波整流,经A3滤波后变成平滑的直流电压U0,从而实现了交流直流转换。,图 5-11 全波线性检波器原理框图,平均值转换器电路简单、成本低,广泛应用于低精度DMM中。但由于采用平均值转换器的电压表是按正弦有效值进行刻度的,因此,只有在测纯净的正弦电压信号时,所显示的结果才是正确的。2）真有效值转换器现在高精度DMM很少再采用平均值转换器,而代之发展并广泛采用的是真有效值转换器。真有效值转换器输出的是直流电压,线性地正比于被测各种波形交流信号的有效值,基本上不受输入波形失真度的影响。真有效值转换器有热电式和运算式等几种形式。热电式具有精度高、频带宽的优点,但过载能力差,结构复杂。目前,高精度智能型DMM采用的主要是运算式,下面介绍运算式的原理。,在数学上,有效值的概念与均方根值是同义词,可写成 运算式有直接运算式和隐含运算式两种。直接运算式是根据有效值表达式（5-10）逐一按步骤运算的,其实现方式可用图5-12所示的框图来表示。首先用一个平方电路对交流输入电压进行平方运算得U2i,接着通过积分滤波得平均值,再送入开方器得方均根Uo,即得到输入交流电压的有效值。隐含运算式的原理是根据直接运算式推演而来的。,(5-10),图 5-12 直接运算式有效值转换器,已知：,由式（5-11）可见,隐含运算式只需一个平方器/除法器和一个积分滤波器连接成闭环系统,就能完成有效值的转换。,则,2.直流电流/电压（I/U）转换器实现电流/电压转换的基本方案是令被测电流Ix流经标准电阻RN,再用DVM测量电阻上的电压,即可实现I/U转换。图5-13就是运放I/U转换器原理框图。,图 5-13 运放I/U转换器原理框图,图5-13（a）中,由于运放的输入阻抗很大,Is将全部流经RN,Uo=-IsRN。这种转换电路简单,而且电流表内阻很小,仅为RN/（1+A0）。由于Is需流经运放的输出端,因此受运放输出电流大小的限制，不适用于测量大电流。为扩大测量范围，可采用如图5-13（b）所示的形式。图5-13（b）中的R4相当于图（a）中的RN,Uo=-Is R4。本电路中接入R1,使电流表的内阻增大。当测量大电流时,可通过接入适当的分流电阻R2、R3扩展量程。如果S接位置2,且R2=R1/9,则流过R4的电流为0.1Is,相当于电流表量程扩大10了倍；如果取R3=R1/99,当S接位置3时,电流表的量程扩展为基本量程的100倍。为减小电流表内阻,R1宜取小些,但R1过小,放大器的闭环增益为-R4/R1,数值很大,稳定性较差。权衡二者不同的要求,一般取R10.1R4。,交流电流的测量和直流电流的测量方法大致相同,由于电流转换器得到的是交流电压,因此在电流转换之后还要进行AC/DC转换。3.电阻/直流电压（R/U）转换器这里仅介绍一种比较简单的转换电路。如图5-14所示,被测电阻Rx接在反馈回路上,标准电阻RN接在输入回路上,UR是基准电压,由图可知(5-11),式中:UR基准电压；RN标准电阻。显然Uo与Rx 成正比,从而实现了R/U转换。改变RN即可改变量程。,图 5-14 电阻/直流电流(R/U)转换器,5.3.2 典型智能DMM实例介绍1.概述 192型智能数字多用表是一种具有自动量程的快速测量智能化仪表。其基本型192表具有直流电压及欧姆测量两种功能,整个192表的基准也设置在这两挡。192表的最高显示位数为 位,最大显示值为1 999 999（六个整位加一个半位）,但基本型被标定为 位显示方式。直流电压的最低量程为0.2 V,测量最高分辨率为1 V,最高可测直流电压为1200 V。,欧姆测量可采用二端测量法或四端测量法的任一种方式,最低量程为0.2 k,最高分辨率为1m,最高量程为20 M。在增加了某些扩充部件（如IEEE 488接口）,并使仪表工作在本地程工作方式时,可使192表显示分辨率提高一位,显示位数增加到 位，即直流电压和欧姆测量分辨率可分别提高到0.1 V及0.1 m。1)基本型192表的操作功能基本型192表的操作功能包括：（1）前面板程序。192表的内部微处理器的程序可通过前面板进行操作使用。,(2)数据存储。通过前面板操作程序,可使基本型192表存储100个数据,并具有检测最大值、最小值的功能。(3)多路输入。多路输入可使直流电压及欧姆测量端子同时引入,这为转换被测参数提供了方便。(4)单按钮清零。将输入端子短接,在前面板上只需按一下清零键,包括传输线在内的测量回路的影响便可随时被消除,并且在切换到其他量程时,零位失调会自动再标定,不必再进行清零。,2)基本型192表的其他功能扩充部件除了基本的直流电压、欧姆的测量功能外,通过附加其他功能的扩充部件,基本型192表可以成为具备更多种参数测量功能的数字多用表。这些部件以选购件的形式提供,安装方便,它们包括：(1)交流电压选择件。附加上交流电压选择件后,192表可具有测量10 V1000 V交流电压有效值的功能。(2)真均方根值交流电压选择件。交流电压的均方根值（有效值）被定义为在相同的时间里产生相等能量的直流电压值；而真均方根值（或称真有效值）是指考虑了直流分量影响的交流电压有效值。,因此,测量回路在直流耦合的情况下才能达到真有效值,而只有交流耦合输入的测量回路不会测得真有效值。由于真有效值与交流电压的波形无关,因此测量结果非常准确。当192表应用在对交流电压准确度要求较高的场合时,应附加真均方根值交流电压选择件。附加后,仪表便具有“交流+直流”的测量功能。(3)电流选择件。附加电流选择件后,192表可测量1 nA2000 mA的直流电流。若表中原已附加了交流电压选择件,电流选择件还可使192表测量10 nA2000 mA的交流电流。,(4)IEEE 488总线接口。附加IEEE 488总线接口后,192表可通过该接口挂接到IEEE 488总线上,成为远程控制系统的一部分。192表通过接口可向总线发送或从总线接收数据,还可提供状态输出及后面板外触发器接点。(5)各种形状的探针、测线及分流器。应用这些附件,192表可方便地使用在各种检测场合,并可测量大电压及大电流等。,2.192表的工作方式192表的工作方式基本上分为以下3类。1)本地工作方式在本地工作方式下,192表的显示分辨率被标定在位,被测量(如直流电压、交流电压及欧姆值)可由5路接线柱分别引入。用户可采用清零键（ZERO）消除包括引线在内的测量回路的附加影响,并通过功能按键选择所需要的测量功能。通过前面板中部的6个轻触按键可选择合适的量程,也可采用自动量程（按下AUTO键）进行测量,指示灯亮表示该键已被选择。,2)本地程序工作方式在该工作方式下,除可进行本地工作方式下的操作外,用户还可利用程序按键PRGM选择使用前面板程序。例如,用户可利用程序（PROGRAM1分辨率）,将192表的显示标定在6位。3)远程（系统）工作方式在该方式下,192表需附加IEEE 488接口选择部件。192表通过后面板的地址开关设置该接口相应的地址,并通过IEEE 488接口连接器连接到IEEE 488总线上。,192表的显示分辨率取决于通过总线的对话速度。本地工作方式下的所有操作及本地程序工作方式下的部分操作可通过远程控制进行。根据IEEE 488总线指示器的3种指示,即“Talk”(讲)、“Listen”(听)及“Remote”(远控),用户可看出IEEE 488总线工作于何种状态。3.工作原理192表简化的原理框图如图5-15所示。由图中可见,192表在原理上大致可分为数字区和模拟区两个相互隔离的部分。这两部分是被光电隔离器及电源变压器隔离开的。这样使得数字表模拟区的低端（Lo）或公共输入端可处于任一电位（1200 V之间）,同时,数字电路的低端或公共端也可维持在相对机壳地30 V以内的电位上,这使得192表与外部数字设备的接合大为简化。,图 5-15 192表原理框图,192表的工作核心是A/D转换器。对直流输入的较宽范围（所有量程之和）来说,A/D转换器的模拟量输入是有一定限制的,并且要求把欧姆值及交流电压值转换为直流电压后输入。A/D转换器也需要一系列控制信号及数据处理能力,以控制A/D转换过程及计算转换结果。送入到192表的输入量被多路控制器采样,并与置零电压、满刻度参考电压一起顺序地被切换。在同一时间只有一个信号电压通过多路控制器,并被引入输入放大器,这个输入放大器用作缓冲器并具有110倍的增益。,A/D转换器的数字输出信号输入到微处理机,A/D转换的结果被计算,然后送入192表的显示电路中。若192表装有IEEE 488接口选择件,A/D转换的结果还将送入这个选择件并寄存在IEEE通用接口总线上。1)模拟电路部分（1）多路控制器。多路控制器见图5-16。它的作用是将9个信号中的1个连接到输入放大器。电压或欧姆测量需将一系列信号送到输入放大器,并且在送入时是按一定顺序的。192表内的微处理机通过译码器控制着这种顺序,并决定着每一信号的开关时间间隔。,图 5-16 输入多路控制器的原理框图,不同输入信号及参考信号的开关由9个结型场效应管来完成（见图中的V10、V11、V12、V27、V28、V33、V34、V39及V41）。采用场效应管做开关管有一个关键问题,就是当开启场效应管时,由低到高变化的开关电压会在模拟输入中产生耦合信号。这种暂态过程所引起的不良影响,可以利用软件产生延时的办法来削弱。在多路控制器中,驱动并打开场效应管的工作由一个跟随器形式的自举电压放大器来进行（见图中A02）,它的输出跟随着被微处理器选中的那个场效应管的控制电位。,例如,当微处理器决定关闭+2 V标定参考电压器时,便通过译码器使驱动器中比较器A21的输出电平为-29 V。该电平一方面加到V27的栅极,另一方面经R359接到A02的输出端,因此有电流从A02中流出,并在R359上产生上正下负的压降。由于A02的开环增益较高,其同相端电位近似等于反相端电位,因此R359上的压降加到V27的栅、源极间,相当于反偏置电压,使V27关闭。若要打开V27,译码器的数字电平便使比较器中的输出采集管关闭,无电流流过R359,比较器的输出电位与自举放大器的同（或反）相端电位相同,加在V27栅、源极间的反偏电压为零。在多路控制器中,共有9个驱动器（比较器）的输出分别控制着9个开关管的栅极电位。这些输出各通过一个像R359一样的电阻后,公共端连接到A02的反相端,因此可分别控制各场效应管的开闭。,（2）直流电压测量电路。直流电压的测量原理框图如图5-17所示。输入信号直接送入输入放大器,或者经过一个总阻值为10 M的1001分压器后再送入。直流输入电压是否被衰减取决于所选用的量程。直流电压测量时,有3种信号需进行A/D转换,即输入电压信号USIG,置零信号UZERO及标准参考信号UREF。每种信号的测量（转换）周期为16.6 ms(见A/D转换器),其数字量储存在存储器中并按下式计算显示读数值：,图5-17 直流电压的测量原理框图,上式可看作分别在输入信号及参考信号中减去零位误差（失调量）后,输入信号与参考信号的比值。之所以乘2,是因为参考信号为2 V。在得到直流电压读数的过程中,首先出现在直流电压高端的直流信号被相应的开关管切换到输入放大器,然后由输入放大器将该信号送入A/D转换器,在A/D转换器中转换为数字量,该数字量输送到微处理器后被储存。接着,置零输入开关管被打开,置零信号以同样的方式被处理和储存。然后,2 V参考电压电路的输出被处理及存储。最后,另一个置零信号以同样的方式被处理。最后一个置零信号之所以必要,是因为输入放大器被多次开闭,其增益发生变化,会导致不同的电压失调。,当所有的4个信号得到后,微处理器便计算读数值,并在显示屏上显示出来。每个场效应开关管允许在开放时暂留片刻,然后关闭,再进行如流程 图5-18所示的步骤。每个开关管的开放时间由192表内的微处理器控制。输入信号从200 mV、2V或20 V量程挡到200 V、1000 V量程挡的切换是由一个继电器开关S301来完成的。这个继电器由一个译码器控制,译码器实际上是A/D转换控制