6.1 智能化 DVM 原理 6.2 智能化 DMM 原理 6.3 智能化 RLC 测量仪原理

第 6 章 电压测量为主的智能仪器

　　电压测量是电子测量中最基本的测量内容，这是因为其他电量和非电量的测量大多数是先转化为直流电压， 尔后再进行测量，所以电压测量具有非常广泛的意义。

6.1.1 　 概述　一、 组成

6.1.1 　 概述　一、 组成

　　智能 DVM 的测量过程大致分为三个主要阶段：

　　１、在微处理器的控制下，被测电压通过输入电路、 A/D 转换器的处理转变为相应的数字量，然后存入到数据存储器中；

　　２、微处理器对采集的测量数据进行必要的处理，例如计算平均值、减去零点漂移等；

　　３、显示处理结果。

　　上述整个工作过程都是在存放在 ROM 中监控程序的控制下进行的。

6.1.1 　 概述　二、 智能 DVM 的功能及主要技术指标

1 、数据处理功能及自动测量功能等：

标定 (AX+B) 、相对误差 (Δ ％ ) 、极限 (LMT) 、 最大 /最小 、比例 、统计 等数据处理功能；

自动量程转换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等自动测量功能。

2 、普通 DVM 的各项技术指标：

量程、位数、测量准确度、分辨率、输入阻抗、输入电流、测量速率等。

1 ． 标定 (AX+B) R ＝ Ax+B 式中 ： R—— 最后的显示结果； x—— 实际测量值； A ， B—— 由面板键盘输入的常数。

利用这一功能，可将传感器输出的测量值， 直接用实际的单位来显示，实现标度变换。

数据处理功能：

2 ． 相对误差 (Δ ％ )

　　式中： n 为由面板键盘输入的标称值。

利用这一功能，可把测量结果与标称值的差值以百分率偏差的形式显示出来，适用于元件容差校验。

%100n

nxR

3 ． 极限 (LMT)

即上下限报警功能。利用这一功能可以了解被测量是否超越预置极限的情况。 使用前，应先通过面板键盘输入上极限值 H 和下极限值 L 。测量时， 在显示测量值 x 的同时，还将显示标志字 H ， L 或P ， 表明测量结果超上限、超下限或通过。

数据处理功能：

4 ． 最大 / 最小

利用此项功能能对一组测量值进行处理， 求出其中的最大值和最小值并存储起来。 在程序运行过程中一般只显示现行测量值， 在设定的一组测量进行完毕之后， 再显示这组数据中的最大值和最小值。

5 ． 比例 指测量值与某参考值之间的关系，有三种表达形式。

R ＝ x ／ rR ＝ 20 log （ x ／ r ）R ＝ x2 ／ r 式中 : r 为由面板输入的参考量。

　　第一种表达形式为简单比例；　　第二种为对数比， 单位为 dB ，这是电学、声学常用的单位；　　第三种是将测量值平方后除以 r ， 其用途之一就是用瓦或毫瓦为单位直接显示负载电阻 r 上的功率。

数据处理功能：

6 ．统计

　　利用此项功能， 直接显示多次测量值的统计运算结果， 常见的统计有：平均值、方差值、标准差值、均方值等。

数据处理功能：

　　智能 DVM 一般都具有自动量程转换、自动零点调整、自动校准、自动诊断等功能，并配有标准接口。这些功能在第 4 章和第 5 章中已做过讨论。

自动测量等功能

　二、 智能 DVM 的功能及主要技术指标

　　 (1) 　量程

　　为扩大测量范围， 智能 DVM 借助于分压器和输入放大器分为若干个量程， 其中既不放大也不衰减的量程称为基本量程。

普通 DVM 的各项技术指标

　　 (2) 　位数

　　智能 DVM 的位数是以完整的显示位（能够显示 0 ～ 9 十个数码的显示位）来定义的。例如最大显示数为 9999 ， 19999 ，11999 的 DVM 称四位表。为区别起见，常常也把最大显示数为19999 ， 11999 的 DVM 称为 4 位半数字电压表。　　位数是表征 DVM 性能的一个最基本的参量。通常将高于五位数字的 DVM 称为高精度 DVM 。

　二、 智能 DVM 的功能及主要技术指标

普通 DVM 的各项技术指标

　　 (3) 　测量准确度

　　测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为

Δ ＝ ±a ％ UX±b ％ Um

　　式中： a 　——　误差的相对项系数；

　　　　　 b 　——　误差的固定项系数；

　　　　　 UX 　——　测量电压的指示值；

　　　　　 Um —— 　测量电压的满度值。 　

　　 DVM 的测量准确度与量程有关， 其中基本量程的测量准确度最高。

　　 (4) 　分辨率 　　分辨率即能显示输入电压最小增量的能力，通常以使显示器末位跳一个字所需输入的最小电压值来表示。　　分辨率与量程及位数有关，量程愈小位数愈多，分辨率就愈高。 DVM 通常以仪器最小量程的分辨率来代表仪器的分辨率，例如最小量程为 1V 的 4 位 DVM 的分辨率为 100μV 。

普通 DVM 的各项技术指标

　　 (5) 　输入阻抗　 Zi

　　输入阻抗 Zi 是指从 DVM 两个输入端子看进去的等效电阻。

　　输入阻抗愈高，由仪表引入的误差就愈小。同时仪器对被测电路的影响也就愈小。

　　 (6) 　输入电流 I0

　 输入电流 I0 是指仪器内部产生并表现于输入端的电流，它的大小随温度和湿度的不同而变化，而与被测信号的大小无关，其方向是随机的。

　　这个电流将会通过信号源内阻建立一个附加的电压，而形成误差电压，所以输入电流愈小愈好。

普通 DVM 的各项技术指标

　　 (7) 　测量速率 　

　　以每秒的测量次数来表示，　　或者以每次测量所需的时间来表示。

　　 (3) 　测量准确度

　　测量准确度常用绝对误差的形式来表示，其表达式为

Δ ＝ ±a ％ UX±b ％ Um

　　式中： a—— 误差的相对项系数；

　　　　　 b—— 误差的固定项系数；

　　　　　 UX —— 测量电压的指示值；

　　　　　 Um —— 测量电压的满度值。 　

　　 DVM 的测量准确度与量程有关， 其中基本量程的测量准确度最高。

普通 DVM 的各项技术指标

6.1.2 输入电路

　输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路等部分组成。输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程转换。

　　常常将 DVM 的输入电路和 A/D 转换器两部分电路合称为模拟部分。 DVM 的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。无论一台智能 DVM 的功能有多么强大，其基本测量水平主要由模拟部分来决定。 　　　　下面以 DATRON公司 1071型智能 DVM 输入电路为例对输入电路的组成原理进行讨论。 1071 型 DVM 输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。

　 1071 型 DVM 输入电路主要由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电路等部分组成。 　　有源滤波器是否接入由微处理器通过 I/O 接口电路实施控制，该滤波器对50Hz 的干扰有 54dB 的衰减。 输入放大器由直流自举电路供电，以使放大器的地线电压和电源电压跟随输入信号而变化，即所谓“浮动”的电源。

图中， M32 是高阻抗电压跟随器，它接在输入放大器的反相输入端，因此M32 能精确地跟踪输入信号变化。 M32 输出接另两个放大器的输入端，从而达到随输入信号变化而控制自举电源输出端，产生一个浮动的 ±12V 电源。

这样，输入放大器工作点基本上不随输入信号的变化而变化， 这对提高放大器的稳定性及抗共模干扰能力等性能是很有益处的。

输入电流补偿电路的作用是减小输入电流的影响。 自动补偿时，在输入端接入一个 10MΩ 电阻，这样，输入电流 + I b 在该电阻上产生的压降经 A/D 转换后存入到非易失性存储器内，作为输入电流的校正量。正常测量时，微处理器根据校正量送出适当的数字到 D/A 转换器并经输入电流补偿电路产生一个与原来输入电流 + I b 大小相等方向相反的电流 - I b ，使两者在放大器的输入端相互抵消。 这项措施可以使仪器的零输入电流减小到 1pA 。

输入电流补偿原理示意图

输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路，如图所示。

继电器 S控制 100 1∶ 衰减器是否接入。 VT5 ～ VT10 是模拟开关，控制放大器不同的增益。它们在控制信号的作用下，形成不同的通、断组态，构成 0.1V ， 1V ， 10V ， 100V ， 1000V 五个量程状态及自测试状态。各组分析如下：

（ 1 ） 0.1 量程： VT8 ， VT6导通，放大电路被接成电压负反馈放大器，则 放大倍数 Af ＝（ 21.6+9+1 ）／ 1 ＝ 31.6

最大输出电压 Uomax ＝ 0.1×31.6 ＝ 3.16 　Ｖ

（ 2 ） 1V 量程 ： VT8 ， VT10 导通，此时放大电路被接成串联负反馈放大器，

　　　 Af ＝ （ 21.6+9+1 ）／（ 9+1 ） ＝ 3.16

　　　 Uomax ＝　 1×3.16 　＝　 3.1６Ｖ

（ 3 ） 10V 量程： VT7 ， VT9导通，放大电路被接成跟随器，放大倍数为 1 ，　　 　然后输出又经分压，此时　　 　 Uomax ＝　 10× （ 9+1 ）／（ 21.6+9+1 ） ＝　 3.16V 　

（ 4 ） 100V 量程 ： VT8 ， VT10导通，放大电路仍为串联负反馈放大器。　　　同时继电器开关 S吸合，使 100 1∶ 衰减器接入，此时　　　 Uomax ＝ 100× 1 100 × 21.6+9+1 9+1 ＝ 3.16 V

（ 5 ） 1 000V 量程 ： 继电器 S吸合， 100 1∶ 衰减器接入； VT ７， VT9导通，

　　　放大电路被接成跟随器，并使输出再经分压，此时　　　 Uomax ＝ 1000 × 1 ／ 100 × (9+1) ／ (21.6+9+1) ＝ 3.16 V

由上述计算可见，送入 A/D 转换器的输入规范电压为 0V ～ 3.16V ，

　　由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源， 0.1V ， 1V ， 10V三挡量程的输入电阻高达 10000MΩ ， 10V 和 1000V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为 10MΩ 。

　当 VT5 ， VT6 ， VT8导通， S吸合时， 电路组态为自测试状态。此时放大器的输出应为 3.12V 。仪器在自诊断时测量该电压， 并与存储的数值相比较；若两者之差在 6 ％内， 即认为放大器工作正常。

6.1. 3 智能 DVM 中的 A ／ D 转换技术

　高精度的智能 DVM 一般不直接采用集成 A ／ D 转换器芯片，而是在一般 A ／ D 转换器的基础上，借助于软件来形成高精度的A ／ D 转换器。其中，广为采用的有多斜积分式 A ／ D 转换器、Fluke公司提出的余数循环比较式 A ／ D 转换器、 Solartron公司提出的脉冲调宽式 A ／ D 转换器等。

　　本节仅介绍：

一、多斜积分式 A ／ D 转换器二、脉冲调宽式 A ／ D 转换器（略）

一、多斜积分式 A ／ D 转换器

　　多斜积分式 A ／ D 转换器是在双积分式 A ／ D 转换器的基础上发展起来的。　　双积分式 A ／ D 转换器具有抗干扰性能强的特点，在采用零点校准和增益校准前提下其转换精度也可以做得很高，　　双积分式 A ／ D 转换器的不足之处是：转换速度较慢，并且分辨率要求愈高，其转换速度也就愈慢。由于比较器带宽有限，因此不能简单地通过提高时钟频率来加快转换速度，如果采用软件计数，则时钟频率的提高更是有限度的。除此之外，双积分式 A ／ D 转换器还存在着“零区”等问题。

　　采用三斜积分式 A ／ D 转换器可以较好地改善转换速度慢这个弱点，它的转换速率分辨率乘积可比传统双积分式 A ／ D提高二个数量级以上。

　　三斜积分式的反向积分阶段 T2

分为如图所示的 T21 、 T22 两部分：在 T21期间积分器对基准电压 UR 进行积分，放电速度较快；在 T22期间积分器改对较小的基准电压 UR/2m 进行积分，放电速度较慢。　　计数时，计数器也分两段计数： T21 期间从计数器的高位 (2m 位 ) 开始计数，设其计数值为 N1 ；在 T22 期间从计数器的低位 (20 位 ) 开始计数，设其计数值为N2 。则计数器中最后的读数为

　　　 N ＝ N1×2m ＋ N2

在一次测量过程中，积分器上电容器上的充电电荷与放电电荷是平衡的，则 　｜ UX ｜ T1 ＝ UR × T21 ＋ (UR ／ 2m) T22

其中 　 T21 ＝　 N1 × T0 　，　 T22 ＝　 N2 × T0

将上式加以整理得 ｜ UX ｜ T1 ＝ UR N1 T0 ＋ (UR ／ 2m) N2 T0

N2

TU)NN2(

2

TUm

0R21

mm

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　　三斜积分式的反向积分阶段 T2

分为如图所示的 T21 、 T22 两部分：在 T21期间积分器对基准电压 UR 进行积分，放电速度较快；在 T22期间积分器改对较小的基准电压 UR/2m 进行积分，放电速度较慢。　　

将上式进一步加以整理，可得三斜积分式 A ／ D 转换器的基本关系式

　　如果取m ＝ 7 ，时钟脉冲周期 T ０＝ 120μs ，基准电压 UR ＝ 10V ，并希望把 12V 被测电压变换为 N ＝ 120 000码读数时，由上式可以计算得 T1 ＝ 100ms 。

　　传统双积分式 A ／ D 转换器在相同的条件下所需要的积分时间 T1 ＝ 5.36s ，可见，三斜积分式 A ／ D 转换器可以使测量速度大幅度提高。

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2

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1

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四斜积分式 A／ D转换器

　　四斜积分式 A ／ D 转换器是为解决双积分式和三斜积分式 A ／ D 转换器存在的零区问题而提出的。

　　解决的方法是：在取样期结束时，先选用与被测电压同极性的基准电压积分一段固定的时间 TC ，以产生上冲波形，避开零区，然后再按上述三斜积分式 A ／ D 转换的方法去进行反向积分，从而构成四斜积分式 A ／ D 转换器，其转换波形如图所示。由于 TC 是固定的，因此该上冲使测量结果增加的数值也是固定的，这很容易用软件的方法来扣除。

　　积分器输入端经六个开关分别与被测电压、各种基准电压和模拟地相接， 6个 D触发器组成的输出口实施对这些开关的控制。比较器Ⅰ和比较器Ⅱ的输出分别经三态反相器连接到数据总线的 D7 和 D0 位。这两个三态门构成了微处理器系统的一个输入口，通过对 D7 和 D0 位进行判别，就可以确定当时积分器的状态。计数器是由微处理器内部的 8 位寄存器 B ， C ， D级联组成，其中寄存器 B 为计数器的低 8 位，寄存器 D 为计数器的高 8 位。这里选择系数 m ＝ 7 ，因此在T21期间将从寄存器 B 的最高位计数，在 T22期间将从寄存器 B 的最低位计数。

四斜积分式模数转换器原理图

四斜积分式A ／ D 转换控制流程图

首先接通开关 S0, 使积分器对被测电压 Ux 进行积分 ,接着进入延时程序Ⅰ , 使 S0 接通时间达到准确的 T

1 ＝ 100 ms 。这段时间为定时积分。定时积分结束后 , 通过输入指令将比较器的输出状态输入到微处理器 , 并判断出 Ux 的极性 , 以便选择与 Ux 极性相同的基准电压 UR 接入积分器 , 实现积分器输出波形的上冲。当 Ux>0（即积分器的输出 Uo＜ 0 时） , 接通开关 S1, 接入＋ UR ；当 Ux ＜ 0（即 Uo ＞ 0）时 , 则接通开关 S2, 接入 - UR 。

直至经过延时程序Ⅱ , 使＋ UR 或 - UR 被积分的时间达到 128 μs( 一个时钟周期 ), 进入时间段 Tc 。经过 Tc 时间以后再通过输入指令将比较器的状态送入 , 再次判断 Ux 的极性 , 以便选择一个与 Ux x极性相反的基准电压。然后判断 |Uo| 的大小是否超过了 U′, 以确定是先接入＋ UR 或 -UR, 实现快速反向积分；还是直接接入＋ UR/2m 或 -UR/2m ，实现缓慢反向积分。当 |Uo|＞ U′ 时 , 本应立即接入与 Ux 极性相反的大基准电压 , 实现反向积分。

但是 , 由于在 T21 期间进行的从 2m 位计数是由程序给出的 , 除了计数子程序内循环执行的指令外 ,还要执行调用子程序、返回主程序以及接通或断开基准等指令。执行这些指令需要的时间为固定的 22 μs, 这段时间与 T21 期间计得的数 N1无关 ,因此必须设法补偿掉。补偿的办法是选用与被测电压极性相同的基准电压 UR造成再一次上冲。上冲时间由延迟程序Ⅲ控制 , 使之正好等于反向积分时间 T21 中多出的 22 μs 。第二次上冲结束后 , 再选用极性相反的基准电压 UR 开始反向积分 ,这时每隔 128 μs 就在计数器的 27 位计一个数 , 同时检查积分器输出的电压 Uo 的绝对值是否低于 U′ 。

如果 |Uo| ＞ U′, 就反复计数直至 |Uo | ＜ U′ 。此时断开大基准电压 , 再接入小的基准电压继续进行缓慢的积分 , 进入时间段T22 。在 T22 时间段内每隔 128 μs 在 20 位计一个数 , 同时检查 Uo 的极性是否改变。若 Uo 极性不变就继续在 20 位计数 ,直至 Uo 的极性改变为止 , 此时一次测量即告结束。这时再将开关 S5 接通 , 使积分器输入端接地 , 为下一轮的 A/D 转换作好准备。

2. 脉冲调宽式 A/D 转换器 脉冲调宽式 A/D 转换器是 Solartron公司

的专利 , 它也是在双积分式 A/D 转换器的基础上发展起来的。脉冲调宽式 A/D转换器主要克服了双积分式 A/D 转换器的不足之处。双积分式 A/D 转换器的不足之处为：积分器输出斜波电压的线性度有限 , 使双积分式 A/D 转换器的精度很难高于 0.01% ；积分器式 A/D 转换器采样是间断的 , 不能对被测信号进行连续监测。

脉冲调宽式 A/D 转换器的原理框图如图 5-8所示 ,其中 (a) 是结构图 , 由一个积分器、两个比较器、一个可逆计数器和一些门电路组成。积分器有三个输入信号：被测信号 Ux 、强制方波 Uf以及正负幅度相等的基准电压 UR 。由于强制方波的作用大于其余两者之和 , 因此积分器输出为正负交替的三角波。当三角波的正峰和负峰超越了两个比较器的比较电平＋ U 和 -U 时 , 比较器便产生升脉冲和降脉冲。一方面 ,升降脉冲用来交替地把正负基准电压接入到积分器的输入端 ;另一方面 ,升降脉冲分别控制门Ⅰ和门Ⅱ , 以便控制可逆计数器进行加法计数和减法计数。

由上述分析可知 ,当 Ux ＝ 0 时 , 积分器的输出动态地对零平衡 ,升降脉冲宽度相等 , 可逆计数器在一个周期内的计数值为零。如果有信号 -Ux 输入 ,

它将使积分器的输出正向斜率增加 , 负向斜率减少 , 从而使升脉冲宽度增加 ,降脉冲宽度减少 , 则可逆计数器加法计数多于减法计数 , 两者之差即代表了 Ux 的大小。上述 A/D 转换器各点波形如图 5-

8b）所示 , 为简化起见 ,没有考虑正负基准电压对积分输入电压的影响。

假定 T1 和 T2 分别代表在一个周期 T内正负基准接入的时间 ,根据电荷平衡原理 , 则有

)(

)(

0111

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TTT

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Rx

Rx

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T

Rx

若 R1 ＝ R2 , 则

上式表明 , 被测电压的平均值与可逆计数器进行加法计数的时间与减法计数之差成正比 ,即与计数器的计数值成正比。由于脉冲调宽式 A/D 转换器中的积分器在每个测量周期中要往返多次 ,故使积分器的非线性得到了良好的补偿；由于 A/D 转换对 Ux 的采样是连续的 , 因此便于对 Ux 不间断地检测 , 克服了双积分式 A/D 转换器的不足。

图 6-8 .a 脉冲调宽式 A/D 转换器原理框图¡÷¡Ò

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图 6-8.b 脉冲调宽式 A/D 转换器原理框图

(b )

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6.1.4 典型智能 DVM 介绍

　　 HG1850 DVM 是在吸取诸多智能 DVM 某些特点的基础上，结合国内具体情况自行设计的产品。它采用了 8080A CPU ，多斜积分式 A/D 转换器，自动量程转换，最大显示数为 112200 。可用于测量 10μV至 1000V 的直流电压，主要技术指标如表。

以国产 HG1850 DVM 为代表介绍智能 DVM 的组成原理及特点。 一、 概述

6.1.4 典型智能 DVM 介绍

在自校准方面：吸取了 HP3455A DVM 的优点，使仪器每隔三分钟便自动进行一次自校准，保证了测量的准确度和长期稳定性；

在自检方面：借鉴了 Fluke 8500A DVM 的做法，用户可随时按下面板上的自检键使仪器进行自检，若某一部分出现故障，显示器将显示故障代码，为仪器的维修提供了方便；

在数据处理方面，参考了 Solartron 7055 DVM 所采用的方法并加以改进，使用户不仅可以通过面板上的功能键对测量结果进行正常运算，还允许用户根据需要通过操作键盘编写出各种数据处理程序。

HG1850 DVM 吸取了 诸多智能 DVM 的某些特点 :

　　 HG1850 DVM 原理框图如图所示。图中上半部分为模拟部分，下半部分为数字部分。模拟部分中的输入放大器和 A ／ D 转换器是保证仪器精度等技术指标的关键部件，为了免受干扰，仪器的模拟部分和数字部分在电气上采取相互隔离的措施，两部分分别单独供电，它们之间的信息通过光电耦合进行传递。

　　 HG1850 具有测量、自检、用户程序、编程和自校五种工作模式。

　　测量模式：是 HG1850 DVM 最基本的工作方式，微处理器根据用户通过键盘选定的量程送出相应的开关量 (控制字 ) ，使输入放大器组成相应的组态。测量时，被测电压首先经输入放大器进入 A ／ D 转换器，然后 A ／ D 转换器把放大器输出的电压变成数字量存入到相应的内存单元。接着，微处理器将根据不同量程的参数并按照相应的数学模型、计算出正确的测量结果。一次测量结束后，程序自动地返回去进行下一次测量，如此不断地循环测量。　　自检模式： “自检”键被按下时进入。微处理器将按预定程序检查模拟单元各部分的工作状态。若正常即显示“ pass” 字样，然后返回到测量模式。若有故障，显示器将显示此故障的代码，然后等待 10s ，再次检查直至故障排除。 　　编程模式： “编程”键被按下时进入。用户可以利用仪器面板的键盘编制所需要的计算程序。编程结束后，程序又返回到测量模式中继续进行测量。　　用户程序模式： “用户”键被按下时进入。用户程序是按使用者需要而事先编制并固化在 ROM 中的测量、控制或数据处理程序。若要结束用户程序模式而进入测量模式，需要按下“返回”键。　　自校准模式：每隔大约 3min 就自动进行一次自校准。设立了一个 9 比特二进制自校计数器 M 。程序在每进行一次测量之后 M 增 1 ，当计数器计满时，即进行了 512 次测量 (约 3min) 之后，使仪器自动校准一次。

二、 整机工作流程

HG1850 的整机工作流程如图

三、 键盘与编程模式 　　 HG1850 键盘分上下两排，每排有十二个按键，为了使用户了解当前仪器的状态，每个按键上方都设有一只 LED作为键灯，以记忆该按键是否有效。这些按键大都用以表示各按键在不同模式下的意义。键盘结构图如图。

三、 键盘与编程模式

(1) “手动”、“连续”两键为互锁键。当“连续”键被按下时，测量自动连续进行，即每测量一次显示读数就自动更新一次。当“手动”键有效时，显示器将随每次按动“手动”键而更新，若不按动该键，显示器的内容将不再更新。

(2) 、按键“ 1” 、“ 10” 、“ 100” 、“ 1000” 分别表示 1V 、 10V 、100V 、 1000V 量程键。他们与“自动” 键为互锁键。用于选择测量量程。

(3) 、 “遥测”键为自锁键。按下时，面板上的键均失去作用，这时从后面板接入键盘将能实现遥控。再按一次“遥测”键，将使该键释放，它的 LED

指示灯熄灭，前面板键盘各键重新生效。

(4) 显示位数键　　 和　　 也为互锁键。当　　 键按下时位数为四位半，

测量速度快；当　　键按下时，显示数为五位半，但测量速度减慢。

(5) “ 自检”键按动后，仪器将暂时脱离测量模式而进行自检。

2

14

2

15

2

14

2

15

测量模式：按键下方标号表示该键的意义，用法和普通 DVM 类似

测量模式：按键下方标号表示该键的意义，用法和普通 DVM 类似 (6) “ 计算”键为自锁键。当用户编制了计算程序以后，按动此键就能按照所编程序对测量结果进行处理并显示处理的结果，此时该键的 LED 指示灯亮。如果再按一次“计算”键，则该 LED 指示灯熄灭，显示器显示测得的电压值。

(7) “ 用户”键”为自锁键。按下该键 HG1850 即进入用户程序。用户程序已固化在仪器内部。

(1) “检查”键用于检查或修改程序。连续按动该键显示器将显示程序内容。

(2) “清除”键用于清除刚从键盘上送入的数据。

(3) “R” 键用于仪器直接显示测量得到的结果。

(4) “F” 键用于仪器显示在 RAM 区开辟的中间寄存器中的内容。

(5) “SF” 键代表向寄存器 F 存数。

(6) “＋” ,“×” ，“ ÷” ，“ ”，“ log” 代表加法、乘法、除法、开方和对数运算。(7) “0” ，“ 1” ，…，“ 9” ，“＋／－”，“ ·” 键用于供编程时设置各种数据、正负号、小数点用。

编程模式：按 “编程”键进入。按键上方的标号表示各键的意义

例 1 ，某热电偶待测温度 T 与传感器的输入电压 U 存在下述关系： T ＝ 4.4＋7.6U＋ 3.8U2＋ 0.2U3 。试用 HG1850DVM实现对温度的直接显示。 解：为编程方便，先将上式变换成为： T ＝ 0.2{［ (U＋ 19)U＋ 38］ U＋ 22}然后就可通过键盘编制计算程序。编程的键操作顺序与显示器的响应如表示。 顺序 编程 显示器的响应 顺序 编程 显示器的响应 1 编程 PRO 12 R RES 2 R RES 13 ＋ Add 3 ＋ Add 14 2 2 4 1 1 15 2 22 5 9 19 16 × HUL 6 × HUL 17 · 0. 7 R RES 18 2 0.2 8 ＋ Add 19 统计 St0 9 3 3 20 编程 HI 10 8 38 21 编程 LO 11 × HUL 22 编程 End

“End” 在显示器上显示约 1s 后，返回测量模式，显示器上将直接显示 T 的数值

利用键盘，用户可以编制各种应用程序

6.2 智能化 DMM 原理 6.2.1 概述 数字多用表 (DMM) 指除能测量直流电压外，还同时能测量交流电压、电流和电阻等参数的数字测量仪器。其组成框图如图

交流电压、电流和电阻的测量是通过交直流 (AC ／ DC) 转换器、电流转换器和欧姆转换器先转换成相应的直流电压，然后再由 DVM 进行电压测量而实现的。因此， DMM 实际是一种以 DVM 为基础的电子仪器。

6.2.2 交直流转换器 DMM采用的交直流转换器主要有平均值转换器和有效值转换器

　　平均值 AC ／ DC 转换器对交流电压进行有效值测量的方法是：先测出交流信号的平均值，然后再根据波形因数换算出对应的有效值。交流信号的平均值由下式表示

　从交流电压测量的角度来看，平均值是指经过整流之后的平均值。否则，若被测交流信号为正弦波信号，则平均值为零。因此，要取得上式所表征的平均值 u i ，必须先求交流信号的绝对值，然后再取其平均值。

　　绝对值可用半波线性整流器或全波线性整流器实现，平均值可用滤波器来实现 。

一、平均值转换器

T

0 iio dtuT

1uU

　　放大器 A2 及二极管 VD1 ， VD2 等构成了半波整流器，在输入信号电压的正半周， VD1导通、 VD2截止， B 点电压为 0 ；在负半周， VD1截止、 VD2导通，电流经 R7 在 B 点产生正极性电压。由于 R3 ＝ R4 ，因此在 B 点波形的幅度与输入信号电压相等，但极性相反。 A1 的作用是提高输入阻抗和扩大测量范围。A3 组成的有源滤波放大器，实现平均值的计算。最后再将平均值按正弦波有效值进行刻度 ( 或换算 ) ，即实现了对交流正弦信号的有效值测量。

一、平均值转换器

半波线性平均值 AC／ DC 转换器

　　把半波平均值转换器中的 A ， C 两点通过电阻 R10连接起来，使输入的交流电压与２倍的半波整流后电压叠加，便可构成全波平均值 AC ／ DC 转换。 　　 A3 为有源滤波加法器，若暂不考虑电容 C 的作用， A3 为典型的加法器；C 的存在，使 A3 同时也为有源滤波器，使它同时也能进行平均值处理。

全波线性平均值 AC／ DC 转换器

二、 真有效值 AC ／ DC 转换器

　　平均值 AC ／ DC 转换器电路简单、成本低，广泛应用于低精度 DMM 中。但由于采用平均值转换器的电压表是按正弦有效值进行刻度的，所以，只有在测纯净的正弦电压信号时，所显示的结果才是正确的。

　　高精度 DMM广泛采用真有效值转换器，很少采用平均值转换器。真有效值转换器输出直流电压线性地正比于被测各种波形交流信号的有效值，基本上不受输入波形失真度的影响。　　真有效值 AC ／ DC 转换器有热电式和运算式等几种形式。热电式具有精度高、频带宽的优点，但过载能力差，结构复杂。目前高精度智能 DMM 采用的主要是运算式。

一、平均值转换器

二、 真有效值 AC ／ DC 转换器

　　在数学上，有效值与均方根值是同义词，可写成

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (6． 5) 　　运算式有直接运算式和隐含运算式两种

　　直接运算式是按有效值表达式（ 6． 5）逐一按步骤运算的，其实现可用图 6－ 15 所示的框图来表示。

2i

2i

T

0o udtuT

1U

二、 真有效值 AC ／ DC 转换器

　　　　已知　　　　　　　　　　　　，　　　　　　　　　　　　

　　　　则

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

隐含运算式的原理是根据直接运算式推演而来的。

2i

2i

T

0o udtuT

1U 2

i2

o uU

o

io U

uU

2

　　由上式可见，隐含运算式只需一只平方器／除法器和一只积分滤波器连接成闭环系统，就能完成有效值转换。

　　隐含运算式有利于电路集成化，美国 AD公司研制的 AD637 就是按隐含运算而设计的一款真有效值转换器芯片，

　 AD637 精度优于 0.1 ％，是性能较好的集成真有效值转换器芯片

AD637 由绝对值电路、平方 / 除法器、低通滤波 / 放大器和缓冲放大器组成。输入 ui 经绝对值电路转换成单极性电流 I1 ，加至平方 / 除法器的一输入端，平方 / 除法器另一输入端的电流 I3 是输出电压 UO ，则平方 / 除法器的输出为 I4

＝ I12 ／ I3 。 I4 再驱动低通滤波 / 放大器，如果低通滤波器的 RC 与输入交流信

号的周期相比足够大， A4 的输出电压 UO正比于电流 I4 的平均值。输出电压 U

O 再经外部电路送到 A3 的输入端产生了电流 I3 ， I3 应与 I4 的平均值相等。 I3 还要流入平方 / 除法器另一输入端，完成下述隐含的有效值运算。即 I4 ＝ I １

2

／ I4 ＝ I1rms

　 AD637 的典型接法

　　在图示的 AD637典型接法中未使用内部缓冲器，被测电压直接从 13脚输入。电容 CAV 为外接滤波电容，其容量应根据被测信号的频率而定。 RW1 ， RW2 等为调整元件，用以提高测量准确度，调整步骤如下：先将输入端短路，调整电位器 RW1 ，使 9脚输出电压为 0V ，再将 1V 标准电压接至 13脚，调整电位器 RW2 ，使 9脚输出电压为 1.000V 。

6.2.3 其他模拟转换技术

一、 欧姆转换器 1. 恒流源法 (二端测量 )

　　当被测未知电阻 RX 中流过已知的恒定电流 IS 时，在 RX 上就能产生电压降 UX ＝ RX×IS ，则 RX ＝ UX ×IS 。因此，只要测出 UX ，就可知道 RX 值。

一、 欧姆转换器 1. 恒流源法 (二端测量 )

　　恒流源法（二端测量）的测量精度主要取决于恒流源电流值的精度和稳定性，以及恒流源内阻是否足够大。

　　显然，只要改变 IS ，并选择一个恰当满度电压的 DVM ，便可扩大被测电阻值的范围实现多量程测量。表 6－５给出一个实际的欧姆表各量程所选的恒流源电流和 DVM满度电压数值。

量程范围 　恒流源 　满度电压 200Ω 　　 1mA 0.2V 2kΩ 　　 1mA 2.0V 20kΩ 100μA 2.0V 200kΩ 10μA 2.0V 2MΩ 5μA 10.0V

1. 恒流源法 (二端测量 )

2. 恒流源法 (四端测量 )

由图 (a) 可见，恒流源法（二端测量）测量的 RX 值实际还包括了引线电阻 r

1 和 r2 。在被测电阻值较大时，引线电阻值可以忽略，但被测电阻值较小时，引线电阻值将带来很大的误差。采用四端测量法可消除 r1 、 r2 对测量结果的影响。

四端测量法的原理见图 (b) ，由于运算放大器输入阻抗很高， r1" 上可认为无电流流过。同样，由于 DVM 输入阻抗很高， r2" 上也可以认为无电流流过。于是UX 可以近似地认为与 AB 两端电压值一致，从而消除了接触电阻的影响，实现小电阻的高精度测量。

一、 欧姆转换器 3. 电压源法

恒流源法适于中低阻值测量。对于高阻测量，若仍采用上述方法，须采用微安级的电流源，这样欧姆放大器的零电流的影响将不可忽略。

测量较高电阻时，应采用电压源法。

电压源法测量原理图

由图可知， UX 与 RX 间的关系为

虽然 UX 与 RS呈非线性关系，由于仪器内部装有微处理器，可以很方便地通过计算来实现测量结果的直读。

xr

xx UU

UR

3. 电压源法 对于高欧姆量程，由于被测电阻 RX 的阻值很高，输入缓冲放大器甚至印刷电路板的任何泄漏都会引起不可忽视的误差，因此，除了要对 DVM缓冲输入级的电路认真设计以及对印刷电路板进行防潮处理之外，还需采用误差修正技术。

电压源法误差修正原理图

　　修正程序如下：

　　（ 1 ）接通 VT1 ，使 DVM 对 UR

进行测量；

　　（ 2 ） 接通 VT2 ，使 DVM 对泄漏电阻 RZ 进行测量；

　　（ 3 ） 接通 VT ２和 S ，使 DVM

对被测电阻 RX 与泄漏电阻 R Ｚ的并联值 RX′ 进行测量；

　　（ 4 ）通过运算消去并联误差，得实际被测值 RX 。

　　将电流转换成电压的方法是：让被测电流 iX 流过一个阻值已知的标准电阻RS ，则标准电阻两端的电压为 US ＝ iX×RS 。测出这个电压，便能确定被测电流的大小。改换 RS 即可改换 iX 的量程，一个实际的电流转换电路如图所示。

二、 电流转换器

　　交流电流测量与直流电流测量方法大致相同，由于电流转换器得到的是交流电压，所以转换之后还要进行 AC ／ DC 转换。

×

6.2.4 典型智能 DMM 介绍

　　 1．直流电压测量精确度为 0.002 ％，分辨率为 100nV ；交流电压测量精度为 0.05 ％，分辨率为 1μV 。电阻测量精度为 0.002 ％，分辨率为 1mΩ 。　　 2．可配有射频探头、高压探头、分流器等附件，把仪器的频率测量范围扩展到 750MHz ，电压测量范围扩展到 40kV ，电流测量范围扩展到 10A 。7151 还可以配置温度探头，温度范围从－ 50℃～＋ 250℃，准确度达 0.7℃。　　 3． A ／ D 转换器采用脉冲调宽技术，保证了仪器的高精度并实现了对输入信号的不间断的监测。

　　 4．配有 GP-IB 接口， 7151 还带有 RS-232C串形接口，具有遥控功能。　　 5．可提供 5 1/2 或 6 1/2 位数字的读数长度，后者能产生最近 10 个测量值的移动平均值。通过 GP－ IB 接口可获得 3 1/2 ～ 6 1/2 位数字读数长度，测量速率为 2Hz～ 25Hz 。

　　 6．具有自动校准、自动调零功能。

　　 7．后面板提供了四线电阻测量端子。

　　 7150 ／ 7151型可程控 DMM采用了两个单片微处理机控制，具有多种测量和处理功能的 6 1/2 位 DMM ，基本特点如下：

6.2.4 典型智能 DMM 介绍

一、 概述

　　 7150 ／ 7151 整机分为模拟以及数字两大部分。它们之间用光电耦合器件来进行隔离，从而使仪器具有高的抗共模干扰的能力。

　　模拟部分由单片机MC68701 ／ HD68P01作为控制器 (内层 ) ，主要任务是转换量程及工作方式、产生脉冲调宽 A ／ D 转换所必须的强制方波、接收 A ／ D 转换器发出的脉冲、存储校准常数并进行自校以及模拟与数字部分的信息交换等五个方面的管理。

　　数字部分由单片机MC6810 ／ HD6303作为控制器 ( 外层 ) ，包括接口电路、键盘、显示、 ROM 及 RAM 等部分。外层控制器作为整机的主控制器，主要控制从内层接收到的数据，进行运算并送显示器显示，对键盘与 GP－ I

B 接口进行管理以及将有关控制信息经光电耦合送给内层微处理器。

6.2.4 典型智能 DMM 介绍

6.2.4 典型智能 DMM 介绍

　　 7150 DMM 带有 GP－ IB 接口，接口适配器由 MC68488 及两片MC34

47总线收发器构成，可用一个带 GP－ IB 接口的计算机对它进行操作。仪器参与系统工作之前，应首先把后面开关设置好，其中包括地址开关。仪器 GP

－ IB 接口遵循 IEEE－ 488(1978) 标准，除能对前面板上全部功能实现遥控外，还附加一些功能，例积分时间的改变、 7150 的 6 1/2 位信息输出等。

二、 仪器的程控功能

　　 7150 DMM 大多数命令用一个字母和一个数字或单个字母组成。例如 I3 ：I 表示积分时间， 3 表示积分时间为 400ms 。

　　仪器主要命令的第一个字母涵义如下： A 为初始化命令； M 为选择测量方式命令； R 为选择量程命令； G ， T 为改变采样方式命令； C ， H ， L ，W 为用于自动校准命令； Y 为改变漂移校准的命令； Z 为实现数字调零命令；“ !” 为送出错误信息命令等。当系统发出“ !”命令后， 7150 如果发生错误，就会用 ERROR n 做出反应，根据 n 的编号就可以查找错误原因。

　　举例：设控者为 HP-85 微型计算机。要求用程控方法把 DMM置成：交流工作方式 (M1) ， 2V挡量程 (R2) ，连续采样方式 (T1) ，积分时间为 400ms(I3) ；然后把测量结果用带 GP-IB 接口的打印机打印，并在 CRT 的显示屏上显示出来。设 DMM 地址为 13 ，打印机地址为 03 ，HP-85 设备号为 7 。10 CLEAR 713! 清 DMM 接口20 REMOTE 713! DMM置远控状态30 DIM A＄［ 15］； 定义字符串长度40 OUTPUT 713 ；“ U0 N0 M1 R2 I3 T1”! 发命令给 DMM50 ENTER 713 ； A＄ ! DMM 测量结果读入 HP-85

60 OUTPUT 703 ； A＄ ! DMM 测量结果打印70 DISP A＄ ! DMM 测量结果显示在 CRT 上

80 GOTO 50! 读下一个数据90 END! 结束

注：第 40句中 U0 定义输出信息分隔符为 CR ， LF ； N0 为带方式输出。

6.3 　智能化ＲＬＣ测量仪原理

ＲＬＣ参数的测量方法主要有电桥法、谐振法、伏安法三种。

电桥法具有较高的测量精确度，因而被广泛采用，目前电桥已派生出许多类型。但是电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，因而很难实现快速的自动测量。

谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度测量的要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。

6.3.1 　概述

伏安法是最经典的方法，它的测量原理直接来源于阻抗的定义，即若已知流经被测阻抗的矢量电流并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的矢量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行矢量测量及除法运算，因而，只有运用近代电路技术，特别是计算机技术才能使这一经典方法得到发展。

伏安法可用图 6-25所示的原理电路来说明。

被测阻抗 Zx 与 Zs 相串联。则分别测出 Zx 与 Zs两端的矢量电压 Us 和 Ux ，便可以得到待测阻抗。

伏安法有固定轴法和自由轴法两种实现方案，其区别是相敏检波器相位参考基准选取不同。