数字电压表的量程分挡及超量程能力介绍

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：数字电压表可简称为DVM。目前数字电压表已经广泛用于电压的测量和仪表的校准。因此，最大显示为“9999”和“1 9999”的数字电压表都为四位数字电压表。数字式电压表有无超量程能力，要根据它的量程分挡情况及能够显示的最大数字情况决定。如果数字电压表的最大显示为5.9999，如量程按5 V、50 V、500 V分挡，则允许有20%超量程。

数字电压表可简称为DVM。这里只讨论用于测量直流电压的DVM。加至DVM的直流电压可以是被测电压本身，也可以是被测交流电压经均值检波器转换的直流电压。

与模拟电压表相比，数字电压表有很多优点：量程范围宽，精度高，并以数字显示结果；测量速度快；能向外输出数字信号，可与其他存储、记录、打印设备相连接；输入阻抗高，一般可达10 MΩ 左右。目前数字电压表已经广泛用于电压的测量和仪表的校准。

1.DVM的组成及主要类型

1）数字电压表（DVM）的组成

数字电压表的组成如图5-26所示，主要由模拟电路部分和数字电路部分组成。图中模拟部分包括输入电路（如阻抗变换器、放大器和量程转换器等）和A/D转换器。输入电路实现对输入电压的衰减、放大、变换等功能。A/D转换器是数字电压表的核心，完成模拟量到数字量的转换，电压表的技术指标（如准确度、分辨率等）主要取决于这一部分电路。数字部分完成逻辑控制、译码（将二进制数字转换成十进制）和显示功能。逻辑控制电路实现在统一时钟作用下，内部电路的协调有序工作。

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图5-26　数字电压表的组成框图

2）数字电压表（DVM）的类型

除了将DVM分成直流DVM和交流DVM外，还可以根据A/D变换的基本原理进行分类。

比较型A/D转换器采用将输入模拟电压与离散标准电压相比较的方法，如具有闭环反馈系统的逐次比较式。

积分型A/D转换器是一种间接转换形式。它对输入模拟电压进行积分并转换成中间量时间T或频率F，再通过计数器等将中间量转换成数字量。

比较型和积分型是A/D转换器的基本类型。由比较型A/D转换器构成的DVM测量速度快，电路比较简单，但抗干扰能力差。积分型A/D转换器构成的DVM突出优点是抗干扰能力强，主要不足是测量速度慢。

复合型DVM是将积分型与比较型结合起来的一种类型。随着电子技术的发展，新的A/D变换原理和器件不断涌现，推动DVM的性能不断提高。表5-2列出了三类A/D转换器的常见形式。

表5-2　A/D转换器的常见形式

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A/D转换器的原理可参考电子技术相关的内容与资料。

2.数字电压表的主要工作特性

1）电压测量范围

（1）量程：DVM的量程以其基本量程（即未经衰减和放大的量程）为基础，再和输入通道中的步进衰减器及输入放大器适当配合，向两端扩展来实现。量程转换有手动和自动两种，自动转换借助于内部逻辑控制电路来实现。

（2）显示位数：DVM的位数指完整显示位，即能显示0～9十个数码的那些位。因此，最大显示为“9999”和“1 9999”的数字电压表都为四位数字电压表。但是为了区分起见，也常把最大显示为“1 9999”的数字电压表称作位数字电压表。分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满程时最高位数字作分母。例如最大显示为“1 999”称作三又二分之一位或三位半，最大显示为“3 9999”称作四又四分之三位，最大显示为“4 99999”称作五又五分之四位。

（3）超量程能力：指DVM所能测量的最大电压超过量程值的能力，它是数字电压表的一个重要指标。数字式电压表有无超量程能力，要根据它的量程分挡情况及能够显示的最大数字情况决定。

显示位数全是完整位的DVM，没有超量程能力。带有1/2位的数字电压表，如果按2 V、20 V、200 V分挡，也没有超量程能力。

带有1/2位并以1 V、10 V、100 V分挡的DVM，才具有超量程能力。如位的DVM，在10 V量程上，最大显示19.9999 V电压，允许有100%的超量程。

如果数字电压表的最大显示为5.9999，如量程按5 V、50 V、500 V分挡，则允许有20%超量程。

2）分辨力

分辨力指DVM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。在不同的量程上，分辨力是不同的。在最小量程上，DVM具有最高分辨力。例如：位的DVM，在200 mV最小量程上，可以测量的最大输入电压为199.9 mV，其分辨力为0.1 mV/字（即当输入电压变化0.1 mV时，显示的末尾数字将变化“1个字”）。

3）测量误差

（1）工作误差：指额定条件下的误差，以绝对值形式给出。

（2）固有误差：指基准条件下的误差，常以下述形式给出：

式中　Ux——被测电压读数；

Um——该量程的满度值；

α——误差的相对项系数；

α%Ux——读数误差，随被测电压而变化，与仪器各单元电路的不稳定性有关；

β——误差的固定项系数，β%Um表示满度误差；对于给定的量程，β%Um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，即在该量程上末位跳n个单位时的电压值恰好等于m%Uβ。

【例5-3】用一种4位半DVM的2 V量程测量1.2 V电压。已知该电压表的固有误差为ΔU =±(0.05%·Ux +0.01%·Um )，求由于固有误差产生的测量误差。它的满度误差相当于几个字？

解：电压表最大显示数字为“1 9999”，在2 V量程上测量的最大电压为1.9999 V，则分辨力为0.0001 V；

固有误差为ΔU =±(0.05×1.2+0.01%×2)=0.0008 V

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（3）影响误差和稳定误差：已包括在工作误差内，有的也可能以附加误差的形式给出。

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，任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。通常在设计上，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。

4）输入阻抗和输入电流

输入电阻一般不小于10 MΩ，高准确度的可大于1 000 MΩ，通常在基本量程时具有最大的输入电阻。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104 MΩ以上，在大量程时（如100 V、1000 V等），由于使用了分压器，输入阻抗一般为10 MΩ。输入电流是指由于仪器内部产生的表现于输入端的电流，应尽量使该电流减小。

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。一般串模干扰抑制比为50～90 dB，共模干扰抑制比为80～150 dB。

6）测量速率

测量速率是在单位时间内以规定的准确度完成的最大测量次数，每秒几次或几十次不等，它主要取决于DVM中所采用的A/D转换器的转换速率。一般规律是：测量速度越高的仪表，测量误差也大。

数字电压表的量程分挡及超量程能力介绍

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