1、电 子 测 量 论 文2014 年 5 月 8 日论文题目： 交直流电压数字测量方法的研究学 院： 电子工程学院年 级： 2011专 业： 电子信息工程姓 名： 陈丽君学 号： 20114117任课教师： 李孝友I摘要本文介绍了用数字采样技术测量交流电压信号的方法，从交流电压的定义及测量采样原理并采样电路和旁证实验验证了文中技术方案的有效性和可行性。目前通用的交流电压的测量方法采用基于模拟电路的有效值 AC-DC 变换方式。由于模拟电路的一些固有缺点限制了测量的精确度水平。在分析了当前测量交流电压的原理及硬件实现的优缺点后，本文提出了用数字采样测量交流电压的方法。通过对被测交流信号的数字采样过
2、程，可以得到交流信号本身的全部信息，而不仅仅是有效值和频率。本课题通过研究高准确交流信号的测量，并保证了高准确度，交流电压的测量范围是有效值 2V 以下，频率 2KHZ 以下，采样电路由模拟电路和数字电路两部分构成。模拟电路部分主要是被测交流信号通过跟随器输入到采样 AD 芯片中，模拟电路的主要功能是把被测信号完整准确的输入到 ADC 芯片中进行采样，并防止数字电路对模拟电路产生干扰。关键词A/D 转换器；基准；测量误差；交流电压；直流电压目录摘要 .I第一章 交直流电压基准 .1一、 基准概念 .1（一） 直流电压基准 .1（二） 交流电压基准 .3第二章 A/D 转换器的原理 .4一、 A
3、/D 转换器的概念 .4二、 A/D 转换器的工作原理 .4第三章 交直流电压数字测量 .5一、 交直流电压数字测量的原理及方法 .5（一） 交流电压数字测量的原理及方法 .5（二） 直流电压数字测量的原理及方法 .6二、 测量的影响误差 .5结论 .12 1第一章 交直流电压基准一 、 基 准 概 念基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。基准分为三类：（1）一级基准，又称主基准和国家基准：具有最高水平的基准，一个国家只有一个。（2）二级基准，又称副基准：副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对。（3）三级基准，又称工
4、作基准：工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。基准的特性：基准具有权威性和相对性。（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定特性制作的电压基准3、量子电压基准：基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准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2导体-绝缘
5、体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结约瑟夫森量子效应：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。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。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。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
6、（JJA） ，可产生 1V 至 10V 的电压 。3我国的约瑟夫森量子电压基准：1993 年底，1V 约瑟夫森结阵电压基准，测量不确定度达到 610-91999 年底，10V 约瑟夫森结阵电压基准，合成不确定度为 5.410-9（二）交流电压基准双测热电桥准确度：直流电压标准准确度为 10-5，则得到的高频电压标准准确度可达 10-3 。双测热电桥-自动平衡高 频 电 压 V0V1RFDCDCRFRGRRRTRTCCVRFRu(t) 冷端T0加热丝热端 T测 量 热 偶电 流 表平 衡 热 偶 +-VoExEfVi热端 T连 接 导 线差 分 放 大 器4第二章 A/D 转换器的原理一 、 A
7、/D 转 换 器 的 概 念A/D 转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在 A/D 转换前，输入到 A/D 转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号二、A/D 转换器的工作原理A/D 转换器的工作原理：（1）逐次逼近法（2）双积分法（3）电压频率转化法逐次逼近法逐次逼近式 A/D 是比较常见的一种 A/D 转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的 A/D 转换器是由一个比较器、D/A 转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。 逐次逼近式 A/D 转换器的基本原理是从高位到低位逐位
8、试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 转换器，经 D/A 转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi 进行比较，若 VoVi，该位 1 被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为 1，将寄存器中新的数字量送 D/A 转换器，输出的 Vo 再与 Vi 比较，若 VoVi，该位 1 被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是
9、在一个控制电路的控制下进行的。双积分法采用双积分法的 A/D 转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。 双积分法 A/D 转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量 Vi，Vi 采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间 T 的正向积分，时间 T到后，开关再接通与 Vi 极性相反的基准电压 VREF，将 VREF 输入到积分器，进行反向积分，直到输出为 0V 时停止积分。Vi 越大，积分器 输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数 值，就是输入模拟电压 Vi 所
10、对应的数字量，实现了 A/D 转换。 电压频率转换法采用电压频率转换法的 A/D 转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。它的工作原理是 V/F 转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压 Vi 加到 V/F 的输入端，便产生频率F 与 Vi 成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的5计数值正比于输入电压 Vi，从而完成 A/D 转换。第三章 交直流电压数字测量一 、 交 直 流 电 压 数 字 测 量 的 原 理 及 方 法（一）交流电压数字测量的原理及方法交 流 电 压 的 测 量利用
11、左图的电桥测量交流电压的方法：将开关打到 DC 端，调节直流电压源，使电桥平衡，记下此时的直流电压值为 U0 。然后置于 RF 端，此时再次调节直流电压源，再次使电桥平衡，记下此时的直流电压值为 U1 。由公式： ： 可以求出高频电压的有效值为：交流电压的基本参量交流电压的基本参量有：峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 峰值：以零电平为参考的最大电压幅值（用 Vp 表示 ）平均值：相当于交流电压 u(t)的直流分量。数学上的定义为：有效值：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 V 在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压 V 的数值
12、就表示了交流电压 u(t)的有效值。有效值在数学上即为均方根值。波峰因数：峰值与有效值的比值，用 Kp 表示。波形因数：有效值与平均值的比值，用 KF 表示。峰值tu(t)Vp0Um TU高 频 电 压 V01RFDCRGRRRTTCCV6平均值数学定义 =UTdtu01)(交流测量中的平均值 = tT01)(平均值与峰值的关系 = P PV2637.交流电压有效值: 数学上有效值即为均方根。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。利用峰值、平均值测量有效值的问题正弦波： Kp=1.41 KF=1.11方 波： Kp=1 KF=1三角波： Kp=1.73 KF=1.15锯齿波：
13、Kp=1.73 KF=1.15白噪声： Kp=3 KF=1.25真有效值电路在测量交流电压的某个参量时可以利用峰值、平均值、有效值之间的关系，测量出一个容易得到的参量值，利用波峰因数和波形因数，得到要测的参量值。例如要测量交流电的峰峰值，可以利用图（1）所示的电桥测出有效值，然后利用波峰因数求得交流电的峰峰值。（二）直流电压数字测量的原理及方法数字电压表组成Digital Voltage Meter-DVM2()ut 0T Au(t) Vrms输 入 电 路 A/D转 换 器 数 字显 示 器逻 辑 控 制电 路 时 钟发 生 器模 拟 部 分 数 字 部 分Vx7逐次逼近式 A/D 转换器单斜式 A/D 转换器单斜式 A/D 转换器逐 次 逼 近 移 位寄 存 器 (SAR)D/A转 换 器Vx +-比 较 器 CLKSTARA/D转换结果2-1 2-nMSBLSBVr N斜 波 电 压发 生 器 QQSETCLR &00 0时 钟 计 数 器主 门VrVx +-+- 门 控 信 号输 入 比 较 器接 地 比 较 器 a 计 数 输 入0VxVx、 r门 控 信 号计 数 输 入 NVr t1bT0T
