数字电压表的组成原理

用于测量电压的数字仪表，在科学研究或工业测试中，当需要对电压进行快速而准确的测量时，应用广泛。

1．数字电压表的组成数字电压表主要由模拟电路、数字逻辑电路组成。模拟部分包括输入电路（如阻抗变换电路、放大和扩展量程电路）和模拟／数字(A/D)转换器。数字部分主要完成逻辑控制、译码和显示功能。数字电压表的组成。

包括模拟和数字两部分。

输入电路：对输入电压衰减／放大，变换等。

A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter，ADC)：实现模拟电压到数字量的转换。

数字显示器：显示模拟电压的数字量结果。

逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。

其中AlD转换器是数字电压表的核心，完成BSX79A模拟量到数字量的转换。数字电压表的技术指标如准确度、分辨率等主要取决于这部分的工作性能。常用的A/D转换方式有：斜坡式、逐次逼近式、积分式、复合式等。

数字电压表的类型很多，其输入电路、计数电路和显示电路基本相似，只是电压一数字转换方法不同。常见的直流电压一数字转换方法有：U-T转换法、U-F转换法和逐位逼近法。

利用这3种方法制成的数字电压表的主要技术性能和适用场合。数字电压表的测量误差最小约为百分之几。测量交流电压，只需增加一个转换器，将被测交流电压转换成直流电压后再进行测量。

2．U-T转换法所谓电压一时间变换型是指测量时将被测电压值转换为时间间隔At，电压越大，At越大，然后按At大小控制定时脉冲进行计数，其计数值即为电压值。U-T转换法又可分为线性电压扫描法和双斜积分法。

(1)线性电压扫描法。其原理框图。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此较器中进行比较，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U。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losHz，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=0.1s，通过T门的脉冲个数为0.1×l05=l04，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。

是U-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，在这个时间间隔内通过T门的标准时间脉冲个数。U-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U-T型数字电压表准确度也比较高。

(2)双斜积分法。各种电压测量仪器都有一个抗干扰能为的问题，对数字电压表尤为重要。上述非积分式数字电压表的一个共同缺点是抗干扰能力差，为了解决这个问题，20世纪60年代初出现了积分式数字电压表，经过不断完善和发展，在当前的数字电压表中占有相当重要的地位。在积分式数字电压表中，实现AlD转换的方法很多，其中以双积分式A/D转换应用最广。

双积分式A/D转换，也叫双斜积分式A/D转换。它的基本原理是在一个周期内，用同一个积分器进行两次积分，将被测电压转换成与其成正比的时间间隔，再次间隔内填充标准的时钟脉冲，以脉冲的个数反映被测直流电压的大小。显然，双积分式A/D转换属于电压一时间(U-T)转换型。

一种较好的U-T转换方法，其原理框图见。先以有源积分电路对被测电压U，在固定时段T内积分（也称定时积分），获得输出电压-U。然后将积分电路接至基准电压-UN积分（定值积分），给出电压脉冲P。去开启控制门。基准电压的极性与U。相反，当积分电路的输出电压上升至零值的瞬间，零电压比较器给出电压脉冲P。去关闭控制门。因此，控制门的开启时段为上述对-UN的积分时间△tx。由于Ux、UN均是恒定的，所以UxT。-UN△tx=0，或Ux=(UN/T。)△tx。公式中Ux和To是给定的，因而时段△tx与被测电压Ux成比例。若计数器记录周期为τx的标准脉冲数为x，则Ux=(UN/To)τx，即x与被测电压Ux成比倒。如果To取干扰信号周期的整数倍，则在对Ux积分的时段内干扰信号的积分值为零。这使双斜积分法具有优良的抗干扰性能。

3．U-F转换法将被测电压U。转换为与它成比例的频率，然后用测量频率的电路（见数字频率表）进行测量，并以数字显示测量结果。

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。

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。

4．逐位逼近法此法与用砝码在天平上称量质量相似。标准电压源产生一列由大到小的标准电压，相当于不同大小的砝码，因而称之为“电压砝码”。先以最大的“电压砝码”与被测电压Ux进行比较。若大于Ux，则换以较小的进行比较；反之，则保留这个电压砝码，并再补加较小的“电压砝码”进行比较。如此逐个进行下去，直至最小的一个“电压砝码”参与比较后为止。此时保留下来未被更换的全部“砝码”值的总和，与被测电压Ux基本相等。各电压砝码之间为二进刮关系。逐位逼近法的优点是可实现极快的转换，但抗干扰能力不如前几种方法。

数码开关可把由基准电压源输出的高稳定性电压Ub分成若干个步进小电压Ub1、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1024mV，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U。逐个送到比较器与被测电压进行比较。所取出的U“应按从大到小顺序取出，也就是先取最大的电压Ub1，与Ux进行比较，若Ub1>Ux，就由数码寄存器输出一个数码“o”，并舍去Ub1；若Ub1≤Ux，则由数码寄存器输出一个数码“1”，并保留Ub1，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。