第4章数字测量方法概要课件.ppt
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1、第四章 数字测量方法,本章要点:, 电压测量的数字化方法, 直流数字电压表, 多用型数字电压表, 频率、时间和相位的测量,4.1 电压测量的数字化方法,数字电压表组成原理,数字电压表(DVMDigital Voltmeter),4.1.1 数字电压表(DVM)的主要工作特性,1. 测量范围,1)量程-借助于分压器和输入放大器来实现,2)位数,显示位数:通常为3位8位。,判定数字仪表的位数有两条原则:, 能显示从09所有数字的位是整数值;, 分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子,用满量程时最高位数字做分母。,例如,19992000, 3 1/2 三位半,39999 40000, 4 3/
2、4 四又四分之三位,499999 500000, 5 4/5 五又五分之四位,3) 超量程能力,在临界量程处,不会降低精度和分辨力。,10V档: 9.999V(只能显示0.006),100V档: 99.99V(只能显示10.00),测量 : 10.006V,溢出1,丢失6,2.分辨率(分辨力)数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称做仪表的分辨力,它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。,例如,3、6位、8位DVM的最高分辨力分别为1mV、1V、10nV。,分辨率:数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。分辨率是指所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比。例
3、如,3位DVM的分辨率为1/19990.05。,由于分辨力与数字电压表中A/D的位数有关,位数越多,分辨力愈高,故有时称具有多少位的分辨力。例如,称12位A/D具有12位分辨力,有时也用最低有效位LSB的步长表示,把分辨力说成分辨率1/212或1/4096或。同时,分辨力越高,被测电压愈小,电压表愈灵敏,故有时把分辨力称作灵敏度。,3.最大允许误差与不确定度(准确度),数字电压表的说明书上用绝对误差表示,其表示方式有多种:,U=(aUx十bUm) = (aUx十n个字) = (appmUx十bppmUm),例:DS-14基本量程5V,4 4/5位U=(0.006Ux十0.002Um) = (0
4、.00006Ux十0.00002*5) =(60*10-6Ux+0.0001V)= (60ppmUx十1个字) 4.9999V 末位跳1个字 100V,满度误差决定量化误差、内部噪声,读数误差决定转换系数、非线性,DVM厂家给出的绝对误差 实际上也就是该DVM的最大允许误差,即该仪器的置信区间。这是由厂家产品质量决定的,不是通过多次测量由标准差求得的,故属B类标准不确定度。,由于最大允许误差 在5V量程内对测量值都有影响,即其在5V范围内出现的概率相同,故应属于均匀分布。因此,这里a即为均匀分布的半宽,按表2.10查得 。 故该数字电压表示值的B类标准不确定度为:,第二章已经指出最大允许误差的
5、“模”即绝对值 ,就是置信区间的半宽a,由它可以求得B类标准不确定度。,现仍用上例中DS-14 DVM来求其在5V量程上测量3V电压时的不确定度,分辨力 准确度(误差),需要指出,分辨力与准确度属于两个不同的概念。前者表征仪表的“灵敏性”,即对微小电压的“识别”能力;后者反映测量的“准确性”,即测量结果与真值的一致程度。二者无必然的联系,因此不能混为一谈,更不得将分辨力(或分辨率)误以为是类似于准确度的一项指标。实际上分辨力仅与仪表显示位数有关,而准确度则取决于A/D 转换器等的总误差。从测量角度看,分辨力是“虚”指标(与测量误差无关),准确度才是“实”指标(代表测量误差的大小)。,因此,任意
6、增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。例选用分辨率为24位的A/D,并不能保证实现24位的准确度。,在设计上通常,分辨力应高于准确度,保证分辨力不会制约可获得的准确度,以保证从读数中检测出小的变化量。,例:见下页。,例:用4 位sx1842DVM测1.5V电压,分别用2V档和200档测量,已知:,2V档固有误差:0.025%Ux 1个字,,200V档固有误差:0.03%Ux 1个字,问:两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少?,解:因4 位DVM最大显示为19999,所以2v和200v档的1个字分别代表:,结论:1.不同量程“1个字”误差对测结果不一样,测量时应尽量选择合适的量程。
7、同模拟电压表结论一致。 2.虽然DVM有4 位分辨力,但不正确使用,则达不到应有的准确度。故分辨力高不等于准确度高。,4. 测量速率(测量速度),测量速率是每秒钟对被测电压的测量次数或测量一次所需的时间,它主要取决于DVM中所采用的A/D转换器的转换速率。,5. 输入阻抗与输入电流,目前,多数数字电压表的输入级用场效应管组成,在小量程上,其输入阻抗可高达104M以上,在大量程时(如100V、1000 V等),由于使用了分压器,输入阻抗一般为10M。,6. 响应时间,响应时间是DVM跟踪输入电压突变所需的时间。响应时间与量程有关,故可按量程分别规定或规定最长响应时间。响应时间分为三种。,7.抗干
8、扰能力串模抑制比和共模抑制比,数字电压表的内部干扰有漂移及噪声,外部干扰有串模干扰及共模干扰。,1. 逐次逼近比较式A/D转换器,物理思想:对分搜索,4.1.2 DVM的主要类型,电路实现:(与天平秤对应),D/A转换器,图5.48 D/A转换原理图,(4.58),例如,设UFS=16v,当输入数码为“0110”时,输出电压为,(4.59),表4.9 常用的逐次逼近比较式AD变换器,逐次逼近,只能逼近,不能完全与被测电压相等。若要减小误差,只有增加位数。,但位数增加,电路复杂,成本提高,关键是末位比较电压太小易受干扰噪声影响以至无法工作。,1. 工作原理,Ui,-Ur,+Ur,K1,K1,K2
9、,K2,K3,K3,K4,K4,A,R,C,+,-,-,+,比较器,积分器,C,D,发生器,时钟,显示器,数字,辑电路,控制逻,计数器,过程:三阶段准备期-复零,K4接通取样期-第一次积分,K1接通 特点:定时积分T1固定, UO1(正比)于Ui比较期-第二次积分,K3/K4接通 特点:定值积分(反向) N2UO1UI,2. 双斜积分式A/D转换器,B,2. 关系式,1)数学推导,(4.45),(4.46),(4.47),令 e刻度系数(伏/字)。例如,Ur=10V,N1=10000,则e=Ur/N1=1mV/字。,2) 面积相等,S1=T1Ui, S2=T2Ur相等,则S1=S2,,故,3)
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