数字电压表

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教 学 过 程 及 教 学 内 容

附 记

A 、复习

掌握三种模拟式交流电压表工作原理。

B 、新课

数字电压表DVM

数字电压表：直流数字电压表、交流数字电压表、数字万用表等（本章主要介绍直流数字电压表）

优点（与模拟相比）：精度高、测量速度快、输入阻抗高、读数准确、抗干扰能力和抗过载能力强、便于实现测量过程自动化等。

2.3.1 DVM 的主要技术指标

1．测量范围（量程、显示位数和超量程能力）

（1）量程 表示电压表所能测量的最小和最大电压范围。

基本量程：不经衰减器和输入放大器的量程（测量误差最小的量程）。通常为1V 或10 V ，也有的为2 V 或5 V 。

（2）位数 表示数字电压表精密程度的参数。 完整位：能够显示0 ~ 9这十个数码的位。

四位数字电压表：最大显示数字为9 999和19 999的数字电压表。为

了区别把19 999的数字电压表称为2

1

4位数字电压表。

（3）超量程能力 指DVM 所能测量的最大电压超过量值的能力，它是数字电压表的一个重要指标。是否有超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。

典型例子

提问

讲解

重点强调

新授课

③如果数字电压表最大显示为59 999，称为4

3

4

位的数字电压表。如量程按5 V 、50 V 、500 V 分挡，则允许有20超量程。

2．分辨力

数字电压表能够显示输入电压最小变化值的能力，即显示器末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。

不同量程，分辨力不同。量程越小，分辨力越高。 3．测量误差（只讨论固有误差） 在基准条件下的误差：

)%%(m x U U U βα+±=?

式中 U x ——被测电压读数； U m ——该量程的满度值； α——误差的相对项系数； α

U x ——读数误差，随被测电压而变化；

β——误差的固定项系数； β

U m ——满度误差，对于给定的量程，β U m 是不变的。

有时满度误差又用与之相当的末位数字的跳变个数来表示，记为n ±个字，即在该量程上能够末位跳n 个单位时的电压值恰好等于β

U m 。

４．输入电阻和输入偏置电流

输入电阻：比较高，一般不小于10 M ，通常在基本量程时具有最大的输入电阻。

输入偏置电流：仪器内部产生的表现于输入端的电流，应尽力使该电流减小。

5．抗干扰特性

按干扰作用在仪器输入端的方式分为串模干扰和共模干扰。一般串模

工作原理：用被测电压与标准电压（D/A 转换器输出电压）进行比较，

并用比较结果控制D/A 转换器的输入，使其输出电压大小向被测电压靠近，直到两者趋于相等为止。此时D/A 转换器的输入量即为A/D 转换输出数字量。

当U x = V ，E r = 16 V 时，转换过程如下：

（1）第一个时钟脉冲：比较寄存器最高位置“1”，即Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 = 1000，

X r 0V 82

1

U E U >==

（2）第二个时钟脉冲：比较寄存器最高位复位。其下一位（次高位）

被置“1”， Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 =0100 ，，V 441

r 0==E U 这时，由于X 0 U U ＜，比

较器输出为高电平。

（3）第三个时钟脉冲：比较寄存器的第三位被置“1”，Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 = 0110，

V 6)8

1

41(r 0=+=E U

由于U 0＞U x ，比较器输出又为低电平。

（4）根据同样分析，可得比较寄存器最低位为“1”。最后比较器为0101，此即为A/D 转换器输出的数字量。

量化误差：由于D/A 转换器输出的标准电压是量化的，因此最后转换

得结果为5 V ，比实际值低 V ，这就是A/D 转换的量化误差，减小量化误差的方法是增加比较次数，即增加逐次比较式A/D 转换器的位数。

逐次比较式A/D 转换器的准确度与基准电压、D/A 转换器和比较器的漂

结合图讲解

通过两次积分的比较，将U x 变换成与之成正比的时间间隔，然后在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数。故这种A/D 转换属U —T 转换。

双积分式A/D 转换器原理框图如下图所示。它主要由基准电压、模拟开关（S1、S2、S3、S4）、积分器、零电平比较器、控制逻辑电路、时钟脉冲发生器和计数、寄存、译码、显示器等部分组成。

（1）准备阶段（t 0 ~ t 1）：在t 0时刻，将S4接通，S1~

S3断开。积

分器输入电压为零，输出也为零。计数器复零，电路处于休止状态。

（2）采样阶段（t 1 ~ t 2）：在t 1时刻，S1接通，S2 ~ S4 断开。积分器对U x 积分。经过一个固定时间T 1（T 1= t 2－t 1）后，积分器的输出电压

为

t U RC

U t t d 12

1x 01?-= x 1t 1x 1d 12U RC

T

t U T RC T -=?-

=? （） 可见，在t 2时刻积分器的输出电压与U x 在T 1时间内的平均值成正比。 （3）比较阶段（t 2 ~ t 3）在t 2时刻，S1断开，S2（或S3）接通。积分器对E r 进行定值反向积分，积分器从U o1逐渐趋于零。在t 3时刻，积分器

输出电压U 0 = 0，零电平比较器发生翻转，该翻转信号经控制逻辑电路使S2（或S3）断开，积分器停止积分。此时有

?--

=3

2

t t x o1d )(10t E RC U

结合图讲解

如果在T1期间对时钟脉冲的计数值为N1，在T2期间对时钟的计数为N2根据上式可得

x

r

1

2

U

E

N

N=

所以

2

2

1

r

x

eN

N

N

E

U=

=。

式中

1

r

e

N

E

=称为双积分式A/D转换器灵敏度，单位是mV/字。对于确定的数字电压表，e为定值，所以，根据比较阶段中计数值N2可以读出被测电压值。

这种A/D转换器主要取决于标准电压E r的准确度和稳定度，而与积分器的参数（R、C等）基本无关，因而准确度高，且对脉冲源频率准确度要求不高。抗干扰能力强，但转换速度较低。

2.3.3 数字电压表中的自动功能

1．自动校零

由于仪器内部零件的零点偏移及其温漂，使零输入时也有输出读数，产生测量误差。消除这种误差的方法是自动校零。下图给出可用于双积分式数字电压表中自动调零硬件的实例。

零点补偿：

（1）比较器的输出通过分压器R1和R2把失调电压反馈到积分器的同相输入端。

（2）测量之前，逻辑控制电路将开关S4、S5、S6闭合50 ms，电容C f两端的充电电压反映包括放大器、积分器和比较器在内的整个系统的失调

2．自动转换量程

仅具有降量程功能的数字电压表：每次测量都从最高量程开始，如果

显示值小于满量程的10 %（也有的规定为5 %），则发出转换量程的指令，

使数字电压表自动降至下一个量程。

兼有升量程功能的数字电压表：则可利用溢出信号作为升量程的指令。

对于双积分式A/D转换器， N2的最大值由数字电压表的满量程值及灵敏度

决定。如果在比较阶段T2计数器产生溢出信号，即可将该信号作为升量程

指令，还可以将N2送至比较电路，与降量程额定值进行比较，如果小于额

定值则由比较器产生降量程指令。

2.3.4 典型产品介绍

DS－14—1型滞留数字电压表是一种典型的双积分式电压表。

小结：1．数字电压表：直流数字电压表、交流数字电压表、数

字万用表。

2．基本量程：不经衰减器和输入放大器的量程（测量误差的最小的量

程）。通常为1 V或10 V，也有的为2 V或5 V。

3．超量程能力指DVM所能测量的最大电压超过量值的能力，它是数

字电压表的一个重要指标。是否有超量程能力，要根据它的量程分档情况

及能够显示的最大数字情况决定。

4．分辨力：数字电压表能够显示输入电压最小变化值得能力，即显示

其末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。

5．测量误差（只讨论固有误差）)

%

%

(

m

x

U

U

Uβ

α+

±

=

?。

6．A/D转换器原理。

7．数字电压表中的自动功能：自动校零、自动转换量程。

布置作业：习题、、、、、、

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