數(shù)字電壓表的工作原理

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電壓與不斷遞減的基準電壓進行比較，通過比較最終獲得被測電壓值，然后送顯示器顯示的。雖然逐次比較需要一定時間，要經(jīng)過若干個節(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)可把由基準電壓源輸出的高穩(wěn)定性電壓Db分成若干個步進小電壓Db1、Ub2、Ub3等，而且這些步進電壓的前一個值比后一個大一倍，用二進制表示則剛好增加一位，例如，取基準電壓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逐個送到比較器與被測電壓進行比較。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，，進行比較，若Ub1＞Ux，就由數(shù)碼寄存器輸出一個數(shù)碼“0”，并舍去Db1；若Ubt≤Ux，則由數(shù)碼寄存器輸出一個數(shù)碼“1”，并保留Dbl，以便與下一個取出的步進電壓Ub2相加，相加后的電壓重新與被測電壓在比較器中進行比較，并重新輸出數(shù)碼，決定取舍。這個原則稱為從大到小、舍大留小的原則。按此原則逐個取出Ub進行比較后，將數(shù)碼寄存器輸出的二進制碼按序排列就會等于被測電壓值。

圖1 逐次逼近比較型數(shù)字電壓表的原理框圖

例如，被測電壓Ux＝372mV，步驟如下。

①先取Dbl＝512mV，在比較器中進行比較，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辦法完成模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。

（2）電壓－時間變換型 所謂電壓－時間變換型是指測量時將被測電壓值轉(zhuǎn)換為時間間隔△t，電壓越大，△t越大，然后按△t大小控制定時脈沖進行計數(shù)，其計數(shù)值即為電壓值。電壓－時間變換型又稱為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，它每隔一定時間（例如每隔2s）就發(fā)出一個啟動脈沖，一方面利用啟動脈沖打開控制門T，讓等間隔的標準時間脈沖序列能通過控制門進入十進制計數(shù)器；另一方面啟動脈沖觸發(fā)斜坡電壓發(fā)生器，使它開始產(chǎn)生一個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電壓在電壓比較器中進行比較，當斜坡電壓等于被測電壓Ux時，電壓比較器即發(fā)出關(guān)門信號，將T門關(guān)閉。這時十進制計數(shù)器所保留的數(shù)就是T門從開啟到關(guān)閉的時間間隔中，通過T門的標準時間脈沖的個數(shù)。被測電壓Ux越大，斜坡電壓從零上升到被測電壓Ux，值所需要的時間、T門開啟時間也越長，計數(shù)器所計數(shù)值也越大，利用數(shù)碼顯示器將計數(shù)器所計數(shù)值顯示出來，所計的數(shù)就是通過T門的脈沖個數(shù)。適當選擇標準脈沖發(fā)生器的重復(fù)頻率和斜坡斜率，就能使通過T門的脈沖個數(shù)與被測電壓值相等，顯示器上便可以直接顯示出被測電壓值。

例如，標準時間脈沖的頻率為105 Hz，斜坡上升斜率為100V／s，若被測電壓為10V，則T門從開啟到關(guān)閉的時間間隔為10／100＝0.1（s），通過T門的脈沖個數(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，啟動脈沖位于斜坡脈沖起點，關(guān)門脈沖位于斜坡脈沖與被測電壓Ux的交點，圖3（d）表示在這個時間間隔內(nèi)通過T門的標準時間脈沖個數(shù)。V-T型數(shù)字電壓表的準確度首先取決于標準時間脈沖發(fā)生器所發(fā)脈沖頻率的穩(wěn)定程度，因為若單位時間發(fā)出的脈沖個數(shù)發(fā)生波動，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－頻率變換型是指測量時將被測電壓值轉(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。利用被測電壓直接控制AO的輸出電壓頻率，使被測電壓越大，頻率就越高，經(jīng)混頻器混頻之后，輸出的頻率也越高；當被測電壓為零時，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，把被測電壓值轉(zhuǎn)換為頻率值，然后通過計數(shù)顯示出來。只要適當選擇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

既然可以用被測電壓直接控制可控頻率振蕩器的頻率，為什么不直接測量可控頻率振蕩器頻率值作為對應(yīng)的被測電壓值，而要用混頻的方法呢？原來，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。因為，一般是用改變變?nèi)莨茈娙軨的方法來改變可控頻率振蕩器頻率的，已知振蕩器頻率，當變?nèi)莨芸煽貢r，它的電容值可以在一定范圍內(nèi)變化。

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