数字电压表的原理

数字电压表的原理

DVM的种类有多种，分类方法也很多，有按位数分的，如3/2位、5位、8位；有按测量速度分的，如高速、低速；有按体积、重量分的，如袖珍式、便携式、台式。但通常是按A／D转换方式的不同将DVM分成两大类，一类是直接转换型，也称比较型；另一类是间接转换型，又称积分型，包括电压－时间变换（VT变换）和电压－频率变换（V-f变换）。

（1）逐次逼近比较型 逐次逼近比较型电压表是利用被测电压与不断递减的基准电压进行比较，通过比较最终获得被测电压值，然后送显示器显示的。虽然逐次比较需要一定时间，要经过若干个节拍才能完成，但只要加快节拍的速度，还是能在瞬间完成一次测量的。图1是逐次逼近比较型数字电压表的原理框图。

图中，数码开关可把由基准电压源输出的高稳定性电压Db分成若干个步进小电压Db1、Ub2、Ub3等，而且这些步进电压的前一个值比后一个大一倍，用二进制表示则刚好增加一位，例如，取基准电压Ub为1O24mV，并将其分成512mV、256mV、 128mV、 64mV、 32mV、16mV、 8mV、 4mV、 2mV、 1mV等若干电压，然后通过控制电路将Ub逐个送到比较器与被测电压进行比较。所取出的Uu应按从大到小顺序取出，也就是先取最大的电压Ub1与U，，进行比较，若Ub1＞Ux，就由数码寄存器输出一个数码“0”，并舍去Db1；若Ubt≤Ux，则由数码寄存器输出一个数码“1”，并保留Dbl，以便与下一个取出的步进电压Ub2相加，相加后的电压重新与被测电压在比较器中进行比较，并重新输出数码，决定取舍。这个原则称为从大到小、舍大留小的原则。按此原则逐个取出Ub进行比较后，将数码寄存器输出的二进制码按序排列就会等于被测电压值。

图1 逐次逼近比较型数字电压表的原理框图

例如，被测电压Ux＝372mV，步骤如下。

①先取Dbl＝512mV，在比较器中进行比较，由于Ub1＞Ux．，舍去Ub1，输出“0”。

②取Ub2＝256mV，Ub2＜Ux＝，保留Ub2，并输出数码“1”。

③取出Ub3＝128mV，并与上次保留的Ub2相加得Db2＋Ub3＝384rnV，由于Ubz＋Ub3＞Ux故舍去（Ub3，仅保留原来的Ub2，并输出数码“0”。

多数的A／D转换集成电路也是采用这个办法完成模数转换任务。

（2）电压－时间变换型 所谓电压－时间变换型是指测量时将被测电压值转换为时间间隔△t，电压越大，△t越大，然后按△t大小控制定时脉冲进行计数，其计数值即为电压值。电压－时间变换型又称为V－T型或斜坡电压式，其原理框图如图2所示。

图2 V-T型数字电压表原理框图

控制器ST是电压表的指挥部，它每隔一定时间（例如每隔2s）就发出一个启动脉冲，一方面利用启动脉冲打开控制门T，让等间隔的标准时间脉冲序列能通过控制门进入十进制计数器；另一方面启动脉冲触发斜坡电压发生器，使它开始产生一个直线上升的斜坡电压，在斜坡电压上升的过程中，斜坡电压不断与被测电压在电压比较器中进行比较，当斜坡电压等于被测电压Ux时，电压比较器即发出关门信号，将T门关闭。这时十进制计数器所保留的数就是T门从开启到关闭的时间间隔中，通过T门的标准时间脉冲的个数。被测电压Ux越大，斜坡电压从零上升到被测电压Ux，值所需要的时间、T门开启时间也越长，计数器所计数值也越大，利用数码显示器将计数器所计数值显示出来，所计的数就是通过T门的脉冲个数。适当选择标准脉冲发生器的重复频率和斜坡斜率，就能使通过T门的脉冲个数与被测电压值相等，显示器上便可以直接显示出被测电压值。

例如，标准时间脉冲的频率为105 Hz，斜坡上升斜率为100V／s，若被测电压为10V，则T门从开启到关闭的时间间隔为10／100＝0.1（s），通过T门的脉冲个数为0.1×10(5)＝10(4)即显示器显示的数字为10000，若单位为mV，即可直接读出被测电压值为10000mV。

图3示出的是V－T型数字电压表工作过程波形图，启动脉冲位于斜坡脉冲起点，关门脉冲位于斜坡脉冲与被测电压Ux的交点，图3（d）表示在这个时间间隔内通过T门的标准时间脉冲个数。V-T型数字电压表的准确度首先取决于标准时间脉冲发生器所发脉冲频率的稳定程度，因为若单位时间发出的脉冲个数发生波动，必然影响读数。其次决定于斜坡上升的线性，若斜坡呈线性上升，则可保证电压上升值与时间间隔成正比。目前这两方面的技术都比较成熟，所以V－T型数字电压表准确度也比较高。

图3 V-T型数字电压表工作过程波形图

（3）电压－频率变换型 所谓电压－频率变换型是指测量时将被测电压值转换为频率值，然后用频率表显示出频率值，即能反映电压值的大小。这种表又称为V－f型，图4为V－f型数字电压表原理框图。 图中有两个振荡器，HO为固定频率振荡器， AO为可控频率振荡器。利用被测电压直接控制AO的输出电压频率，使被测电压越大，频率就越高，经混频器混频之后，输出的频率也越高；当被测电压为零时，让可控频率振荡器AO输出的频率等于HO的频率，经混频器混频之后，输出频率为零。这样就能通过可控频率振荡器，把被测电压值转换为频率值，然后通过计数显示出来。只要适当选择AO和HO的振荡频率，就能够使显示器读数直接等于被测电压值。

图4 V-f型数字电压表原理框图

既然可以用被测电压直接控制可控频率振荡器的频率，为什么不直接测量可控频率振荡器频率值作为对应的被测电压值，而要用混频的方法呢？原来，采用混频的主要目的是提高输出频率的变化范围，并取得零点。因为，一般是用改变变容管电容C的方法来改变可控频率振荡器频率的，已知振荡器频率，当变容管可控时，它的电容值可以在一定范围内变化。