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2021-12-12 10:07:09
數(shù)字電壓表的工作原理
2021-12-12 10:07:09 來(lái)源: 網(wǎng)絡(luò)
DVM的種類有多種，分類方法也很多，有按位數(shù)分的，如3/2位、5位、8位；有按測(cè)量速度分的，如高速、低速；有按體積、重量分的，如袖珍式、便攜式、臺(tái)式。但通常是按A／D轉(zhuǎn)換方式的不同將DVM分成兩大類，一類是直接轉(zhuǎn)換型，也稱比較型；另一類是間接轉(zhuǎn)換型，又稱積分型，包括電壓－時(shí)間變換（VT變換）和電壓－頻率變換（V-f變換）。
（1）逐次逼近比較型 逐次逼近比較型電壓表是利用被測(cè)電壓與不斷遞減的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過比較最終獲得被測(cè)電壓值，然后送顯示器顯示的。雖然逐次比較需要一定時(shí)間，要經(jīng)過若干個(gè)節(jié)拍才能完成，但只要加快節(jié)拍的速度，還是能在瞬間完成一次測(cè)量的。圖1是逐次逼近比較型數(shù)字電壓表的原理框圖。
圖中，數(shù)碼開關(guān)可把由基準(zhǔn)電壓源輸出的高穩(wěn)定性電壓Db分成若干個(gè)步進(jìn)小電壓Db1、Ub2、Ub3等，而且這些步進(jìn)電壓的前一個(gè)值比后一個(gè)大一倍，用二進(jìn)制表示則剛好增加一位，例如，取基準(zhǔn)電壓Ub為1O24mV，并將其分成512mV、256mV、 128mV、 64mV、 32mV、16mV、 8mV、 4mV、 2mV、 1mV等若干電壓，然后通過控制電路將Ub逐個(gè)送到比較器與被測(cè)電壓進(jìn)行比較。所取出的Uu應(yīng)按從大到小順序取出，也就是先取最大的電壓Ub1與U，，進(jìn)行比較，若Ub1＞Ux，就由數(shù)碼寄存器輸出一個(gè)數(shù)碼“0”，并舍去Db1；若Ubt≤Ux，則由數(shù)碼寄存器輸出一個(gè)數(shù)碼“1”，并保留Dbl，以便與下一個(gè)取出的步進(jìn)電壓Ub2相加，相加后的電壓重新與被測(cè)電壓在比較器中進(jìn)行比較，并重新輸出數(shù)碼，決定取舍。這個(gè)原則稱為從大到小、舍大留小的原則。按此原則逐個(gè)取出Ub進(jìn)行比較后，將數(shù)碼寄存器輸出的二進(jìn)制碼按序排列就會(huì)等于被測(cè)電壓值。
圖1 逐次逼近比較型數(shù)字電壓表的原理框圖
例如，被測(cè)電壓Ux＝372mV，步驟如下。
①先取Dbl＝512mV，在比較器中進(jìn)行比較，由于Ub1＞Ux．，舍去Ub1，輸出“0”。
②取Ub2＝256mV，Ub2＜Ux＝，保留Ub2，并輸出數(shù)碼“1”。
③取出Ub3＝128mV，并與上次保留的Ub2相加得Db2＋Ub3＝384rnV，由于Ubz＋Ub3＞Ux故舍去（Ub3，僅保留原來(lái)的Ub2，并輸出數(shù)碼“0”。
多數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換集成電路也是采用這個(gè)辦法完成模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。
（2）電壓－時(shí)間變換型 所謂電壓－時(shí)間變換型是指測(cè)量時(shí)將被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔△t，電壓越大，△t越大，然后按△t大小控制定時(shí)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值即為電壓值。電壓－時(shí)間變換型又稱為V－T型或斜坡電壓式，其原理框圖如圖2所示。
圖2 V-T型數(shù)字電壓表原理框圖
控制器ST是電壓表的指揮部，它每隔一定時(shí)間（例如每隔2s）就發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)脈沖，一方面利用啟動(dòng)脈沖打開控制門T，讓等間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖序列能通過控制門進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；另一方面啟動(dòng)脈沖觸發(fā)斜坡電壓發(fā)生器，使它開始產(chǎn)生一個(gè)直線上升的斜坡電壓，在斜坡電壓上升的過程中，斜坡電壓不斷與被測(cè)電壓在電壓比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)斜坡電壓等于被測(cè)電壓Ux時(shí)，電壓比較器即發(fā)出關(guān)門信號(hào)，將T門關(guān)閉。這時(shí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器所保留的數(shù)就是T門從開啟到關(guān)閉的時(shí)間間隔中，通過T門的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖的個(gè)數(shù)。被測(cè)電壓Ux越大，斜坡電壓從零上升到被測(cè)電壓Ux，值所需要的時(shí)間、T門開啟時(shí)間也越長(zhǎng)，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值也越大，利用數(shù)碼顯示器將計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值顯示出來(lái)，所計(jì)的數(shù)就是通過T門的脈沖個(gè)數(shù)。適當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的重復(fù)頻率和斜坡斜率，就能使通過T門的脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)電壓值相等，顯示器上便可以直接顯示出被測(cè)電壓值。
例如，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖的頻率為105 Hz，斜坡上升斜率為100V／s，若被測(cè)電壓為10V，則T門從開啟到關(guān)閉的時(shí)間間隔為10／100＝0.1（s），通過T門的脈沖個(gè)數(shù)為0.1×10(5)＝10(4)即顯示器顯示的數(shù)字為10000，若單位為mV，即可直接讀出被測(cè)電壓值為10000mV。
圖3示出的是V－T型數(shù)字電壓表工作過程波形圖，啟動(dòng)脈沖位于斜坡脈沖起點(diǎn)，關(guān)門脈沖位于斜坡脈沖與被測(cè)電壓Ux的交點(diǎn)，圖3（d）表示在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)通過T門的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)。V-T型數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度首先取決于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖發(fā)生器所發(fā)脈沖頻率的穩(wěn)定程度，因?yàn)槿魡挝粫r(shí)間發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)發(fā)生波動(dòng)，必然影響讀數(shù)。其次決定于斜坡上升的線性，若斜坡呈線性上升，則可保證電壓上升值與時(shí)間間隔成正比。目前這兩方面的技術(shù)都比較成熟，所以V－T型數(shù)字電壓表準(zhǔn)確度也比較高。
圖3 V-T型數(shù)字電壓表工作過程波形圖
（3）電壓－頻率變換型 所謂電壓－頻率變換型是指測(cè)量時(shí)將被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為頻率值，然后用頻率表顯示出頻率值，即能反映電壓值的大小。這種表又稱為V－f型，圖4為V－f型數(shù)字電壓表原理框圖。
圖中有兩個(gè)振蕩器，HO為固定頻率振蕩器， AO為可控頻率振蕩器。利用被測(cè)電壓直接控制AO的輸出電壓頻率，使被測(cè)電壓越大，頻率就越高，經(jīng)混頻器混頻之后，輸出的頻率也越高；當(dāng)被測(cè)電壓為零時(shí)，讓可控頻率振蕩器AO輸出的頻率等于HO的頻率，經(jīng)混頻器混頻之后，輸出頻率為零。這樣就能通過可控頻率振蕩器，把被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為頻率值，然后通過計(jì)數(shù)顯示出來(lái)。只要適當(dāng)選擇AO和HO的振蕩頻率，就能夠使顯示器讀數(shù)直接等于被測(cè)電壓值。
圖4 V-f型數(shù)字電壓表原理框圖
既然可以用被測(cè)電壓直接控制可控頻率振蕩器的頻率，為什么不直接測(cè)量可控頻率振蕩器頻率值作為對(duì)應(yīng)的被測(cè)電壓值，而要用混頻的方法呢？原來(lái)，采用混頻的主要目的是提高輸出頻率的變化范圍，并取得零點(diǎn)。因?yàn)椋话闶怯酶淖冏內(nèi)莨茈娙軨的方法來(lái)改變可控頻率振蕩器頻率的，已知振蕩器頻率，當(dāng)變?nèi)莨芸煽貢r(shí)，它的電容值可以在一定范圍內(nèi)變化。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字電壓表工作原
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