电子测量数字电压表设计—-毕业论文设计.doc
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1、摘要 电压测量是电子测量的一个重要内容。在三个表征电信号能量的基本参数(电压、电流和功率)中,电压测量是最直接也是最普遍的。在实际工作中,许多电子设备的控制信号、反馈信号以及输出信号主要是以电压量表示。在非电量测量中,通常也利用各种传感器将非电量转换成电压量来进行测量。可以说,电压测量是电子测量的基础。利用数字式电压表(简称DVM)用于电压的数字测量,是数字化仪表的基础与核心。由于精度高、可靠性好以及显示清晰、直观,在实际测量中已逐渐取代了模拟式电压表,现在它已成为电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。该文针对电子测量中交直流数字测量方法、A/D转换器原理、误差进行重点分析。关键词 1、电压测量
2、;2、数字式电压表;3、A/D转换器目录摘要I一、直流电压基准11、标准电池12、半导体电压基准13、量子电压基准1(1)约瑟夫森量子隧道结:1(2)约瑟夫森量子效应:2(3)约瑟夫森量子逆效应2(4)约瑟夫森量子电压基准2(5)约瑟夫森量子阵2二、交流电压的测量31、双侧热电桥32、 双侧热点桥-自动平衡33、有效值 44、平均值45、峰值和振幅值56、波峰因数与波形因数57、交流电压的数字测量技术:6三、 直流电压的数字测量61、数字电压表的组成62、逐次比较型A/D转换器7(1)电路结构:7(2)工作原理:8(3)逐次比较型A/D转换器特点:9(4)误差影响:93、双积分式ADC9(1)
3、电路结构:9(2) 工作原理:11(3)双积分A/D转换器特点:13(4)误差影响134、单斜积分型ADC14(1) 电路结构:14(2) 工作原理:14(3) 单斜积分型ADC特点:15结论16一、直流电压基准1、标准电池 利用化学反应产生标准电压 (1.01860V) 饱和型:电压年稳定性可小于0.5V,相当于510-7),温度系数较大(约40V/)。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。不饱和型特点:温度系数很小(约4V/),但稳定性较差。2、半导体电压基准 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电压基准 图1-2-1 二极管的稳压特性3、量子电压基准 基于约瑟夫森(Josephson)效应的量子
4、电压基准。(1)约瑟夫森量子隧道结: 将2块超导体通过厚度约10埃的绝缘层隔开,构成的超导体-绝缘体-超导体(SIS)结构称为约瑟夫森隧道结。(2)约瑟夫森量子效应: 在约瑟夫森结两边加上电压V时,产生穿透绝缘层的超导电流,这是一种交变电流,这种现象称为交流约瑟夫森效应。 1-1 (3)约瑟夫森量子逆效应 将约瑟夫森结置于微波场中,约瑟夫森结上得到量子化阶梯电压Vn的现象,称为约瑟夫森量子逆效应。 1-1(4)约瑟夫森量子电压基准 国际计量委员会的建议: 从1990年1月1日开始,在世界范围内同时启用了约瑟夫森电压量子基准(JJAVS,10-10)。并给出KJ-90=483597.9GHz/V
5、。(5)约瑟夫森量子阵 约瑟夫森结产生的量子电压较低(mv级)。将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联,得到约瑟夫森结阵(JJA),可产生1V至10V的电压 。 二、交流电压的测量1、双侧热电桥 2-1 2-2 图2-1-1双侧热电桥 准确度:直流电压标准准确度为,则得到的高频电压标准准确度可达。2、 双侧热点桥-自动平衡 图2-2-1双侧热点桥-自动平衡 3、有效值 交流电压的有效值定义为,交流电压u(t)在一个周期T内通过某纯电阻负载R所产生的热量,与一个直流电压U在相同的时间内通过同一负载所产生的热量相等时,则该直流电压U的数值就表示了交流电压u(t)的有效值,由此可推导出交流电压的有效值的
6、表达式: 2-3 上式在数学上即为方均根值。有效值反映了交流电压的功率,是表征交流电压的重要参数。对于理想的正弦交流电压,其有效值为: 2-44、平均值 平均值是指周期信号的直流分量,其数学表达式定义为: 2-5 根据该定义,不含直流分量的交流电压,其平均值应等于零。但在电子测量中,交流电压的平均值是指交流电压经检波后的平均值。若不能特别说明,通常指全波平均值,即: 2-65、峰值和振幅值 某一周期性交流电压u(t)在一个周期内所能达到的最大值称为该交流电压的峰值,用符号表示。当不加说明时,u(t)包括直流分量在内。通常峰值又可以分为峰峰值、正峰值、负峰值。在实际应用中需要注意区分峰值和振幅值
7、。峰值是从零电平开始计算的,而振幅值则一直流分量的电平作参考,它仅反映交变部分振动的幅度。同样,振幅值也可以分为正振幅值和负振幅值。当直流分量时,振幅值即为峰值。 图2-5-1交流电压的峰值与幅值 6、波峰因数与波形因数(1)波峰因数:定义为峰值与有效值得比值: 2-7 对于理想的正弦交流电压,其波峰因数为: 2-8(2)波形因数:定义为有效值和平均值的比值: 2-9 对于理想的正弦交流电压,其波形因数为: 2-107、交流电压的数字测量技术: 2-11三、 直流电压的数字测量1、数字电压表的组成 直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、计数器、逻辑控制电路、时钟发生器、译码器和显示器组成
8、。其组成示意图如图4-1-1所示图4-1-1数字电压表组成示意图 图中,A/D转换器是直流数字电压的表的核心,完成模拟量到数字量的转换。直流数字电压表的输入电路主要用于进行阻抗变换,对信号进行放大以及进行陵城的拓展;逻辑控制电路用于对整个直流数字电压表系统进行控制,保证正常有序的工作;计数器主要对A/D转换器的转换结果进行计算,并经过译码器将计数值变换为笔段码,驱动显示器显示出被测信号的电压值。2、逐次比较型A/D转换器(1)电路结构: 逐次逼近ADC如图3-1-1所示。它由移位寄存器、D/A转换器及电压比较器等部分组成。 图3-1-1逐次比较型A/D转换器框图(1) D/A转换器 D/A转换
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