數(shù)字電壓表性能淺析

摘 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式電測(cè)儀表將逐步代替長(zhǎng)期使用的指針式儀表，數(shù)字電壓表又是構(gòu)成其他型式數(shù)字電測(cè)儀表的主體。數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化的測(cè)量技術(shù)，將被測(cè)物理量由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)過數(shù)顯單元直接加以顯示的儀表。數(shù)字式電壓表有著廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)逐漸成為了當(dāng)前便攜式數(shù)字測(cè)量?jī)x表中最主要的測(cè)量?jī)x表之一。

關(guān)鍵詞：電測(cè)儀表；數(shù)字電壓表；擴(kuò)展能力；測(cè)量范圍

中圖分類號(hào)：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 數(shù)字電壓表的特點(diǎn)

（1） 顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確

傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進(jìn)行讀數(shù)，在讀數(shù)過程中不可避免的會(huì)引入人為測(cè)量誤差。數(shù)字電壓表則采用先進(jìn)的數(shù)顯技術(shù)，使測(cè)量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳讀現(xiàn)象，測(cè)量結(jié)果就是唯一的。

（2） 顯示位數(shù)齊全

現(xiàn)代數(shù)字式電壓表的顯示位數(shù)分為很多種，常見的就有31/2位、32/3位、41/2位、43/4位、 61/2位、71/2位、81/2位等9種，這極大的豐富了數(shù)字式電壓表的實(shí)際測(cè)量范圍和應(yīng)用場(chǎng)合。

（3） 分辨率高

數(shù)字式電壓表相較于過去傳統(tǒng)的模擬式測(cè)量表，最大的優(yōu)勢(shì)就是分辨率高，這主要是由于數(shù)字式電壓表內(nèi)部采用的是二進(jìn)制，而且數(shù)字運(yùn)算都是以離散計(jì)算為基礎(chǔ)的，能夠?qū)崿F(xiàn)很高精度的分辨和計(jì)算，因此分辨率也成為衡量數(shù)字式電壓表性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，一般都稱之為靈敏度。其實(shí)，分辨率的高低，就反映了數(shù)字式電壓表對(duì)被測(cè)物理模擬量最小變化率感知的靈敏度。

（4） 準(zhǔn)確度高

我們變電所使用的指針式儀表準(zhǔn)確度為1.5級(jí)，而目前新改造的變電所使用數(shù)字式儀表最低準(zhǔn)確度為0.5級(jí)。

（5） 測(cè)量速度快

數(shù)字式電壓表內(nèi)部已經(jīng)集成了浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算速度非常快的DSP芯片，被測(cè)模擬量在數(shù)字式電壓表內(nèi)部的換算、轉(zhuǎn)換只需要幾個(gè)毫秒就可以完成，該時(shí)間主要依賴于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率越快，那么完成轉(zhuǎn)換的時(shí)間就越短。目前對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量用數(shù)字電壓表測(cè)量速度每秒高達(dá)幾萬次。

（6） 抗干擾能力強(qiáng)

51/2位以下的DVM大多采用積分式A/D轉(zhuǎn)換器，其串模抑制比、共模抑制比各別可達(dá)100dB、80～120dB。高檔DVM還采用數(shù)字濾波、浮地保護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提高了抗干擾能力，共模抑制比可達(dá)180dB。

2 A/D轉(zhuǎn)換器分類

A/D轉(zhuǎn)換器就是上文提到的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是數(shù)字式電壓表能夠完成數(shù)字化測(cè)量并顯示的關(guān)鍵部件。目前廣泛應(yīng)用的A/D轉(zhuǎn)換器主要可以分為以下幾個(gè)類別：

① 單片A/D轉(zhuǎn)換器

所謂“單片A/D轉(zhuǎn)換器”，是采用CMOS工藝將DVM的基本電路（含模擬電路和數(shù)字電路）集成在同一芯片上，配以 LCD或LED數(shù)顯器件后能顯示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的集成電路。它們均屬大規(guī)模集成電路，能以最簡(jiǎn)單方式構(gòu)成DVM。若對(duì)其外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展，增加各種功能轉(zhuǎn)換器，還可構(gòu)成DVM。

② 單片DMM專用IC

單片DMM專用IC是CMOS大規(guī)模集成電路和儀表技術(shù)的結(jié)晶，使用一片IC即可構(gòu)成功能完善的自動(dòng)量程數(shù)字多用表。特別是專配μP的DVM集成電路的問世，為開發(fā)具有高性價(jià)比的智能儀表和測(cè)試系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。

③多重顯示儀表專用IC

這種A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒈粶y(cè)模擬量直接發(fā)送到多個(gè)顯示終端進(jìn)行數(shù)字化顯示，在實(shí)際應(yīng)用中也有特定的應(yīng)用場(chǎng)合。

④ 其他通用型A/D轉(zhuǎn)換器

通用型A/D轉(zhuǎn)換器目前一般多是轉(zhuǎn)換精度較低的A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器在實(shí)際工作中只能夠單純的實(shí)現(xiàn)被測(cè)量從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，其他功能必須依賴于集成芯片IC才能夠?qū)崿F(xiàn)，因此這種通用型模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前尚不能直接配數(shù)字儀表應(yīng)用。

3 數(shù)字儀表的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字儀表的廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了現(xiàn)代電子工業(yè)測(cè)量的技術(shù)手段和測(cè)量水準(zhǔn)，隨著現(xiàn)代材料技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字儀表的發(fā)展也逐漸呈現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢(shì)，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） 新技術(shù)的不斷應(yīng)用

數(shù)字化儀表的發(fā)展，其中一個(gè)最主要也是最突出的趨勢(shì)，就是新技術(shù)的不斷應(yīng)用。這里所說的新技術(shù)，不僅僅包括電子新技術(shù)，還包括測(cè)量測(cè)試的新技術(shù)，材料新技術(shù)，這些新技術(shù)的大力推廣和應(yīng)用，在一定程度上刺激了數(shù)字儀表向著新型、智能化的方向發(fā)展。例如表面貼片安裝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在很小的電路板上安裝數(shù)以萬計(jì)的電子元器件，而這一技術(shù)所帶來的最大好處就是極大的提高了數(shù)字儀表的處理運(yùn)算能力，使得數(shù)字儀表能夠應(yīng)用到更加復(fù)雜的工業(yè)測(cè)量環(huán)境中。

（2） 模塊化的應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中很重要的一種設(shè)計(jì)方法就是模塊化設(shè)計(jì)方法，而這也同樣被應(yīng)用到了數(shù)字儀表的發(fā)展中。隨著被測(cè)量物理模擬量的不斷復(fù)雜化，精度要求不斷被提高，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)測(cè)試和技術(shù)應(yīng)用也不斷的向數(shù)字儀表提出新的要求，這使得數(shù)字儀表的功能不斷增多，不斷完善，而要實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)功能，就必須采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，在傳統(tǒng)的數(shù)字儀表的基礎(chǔ)上不斷增加新的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)新的測(cè)量與測(cè)試的技術(shù)要求。

（3） 多重顯示儀表的應(yīng)用

現(xiàn)代數(shù)字測(cè)量?jī)x表的重要應(yīng)用之一，就是要實(shí)現(xiàn)多重顯示終端，因此，現(xiàn)代數(shù)字儀表不僅僅要能夠進(jìn)行單一的顯示方式，更重要的是要能夠在不同的測(cè)量環(huán)境或者測(cè)量場(chǎng)合下，配合不同的顯示終端進(jìn)行顯示，因此現(xiàn)代數(shù)字式儀表必須要能夠在不同的顯示終端下進(jìn)行顯示。以目前發(fā)展的顯示終端來看，未來主要有三種顯示方式將成為主流，它們分別是液晶（LCD）條圖，等離子體（PDP）光柱顯示器和LED光柱，這三種顯示儀表以其高清晰的顯示優(yōu)勢(shì)而得到廣泛發(fā)展和研究，因此數(shù)字儀表未來的發(fā)展也必須要能夠適應(yīng)和應(yīng)用于這些不同的顯示儀表的要求。

（4） 安全性

電子儀表測(cè)量永遠(yuǎn)無法離開安全這個(gè)話題，因此數(shù)字儀表的發(fā)展趨勢(shì)之一仍然是如何實(shí)現(xiàn)更為安全的操作與應(yīng)用。從目前的應(yīng)用來看，以最簡(jiǎn)單的數(shù)字式電壓表的使用，很多使用者在使用時(shí)就會(huì)發(fā)生用電流檔或者電阻檔去測(cè)量電壓，這樣一方面會(huì)對(duì)儀表本身造成傷害，更重要的是還會(huì)對(duì)使用者本身造成傷害。因此數(shù)字儀表的發(fā)展和研究應(yīng)用，必須要不斷提高安全操作的標(biāo)準(zhǔn)，提高儀表的安全性能，使之在任何環(huán)境或條件下應(yīng)用都不會(huì)對(duì)使用者造成傷害，這才能夠最終在市場(chǎng)上獲得消費(fèi)者的青睞。

結(jié)語

數(shù)字式電壓表是現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)量?jī)x表廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，數(shù)字化電壓表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶便攜，操作簡(jiǎn)易，測(cè)量準(zhǔn)確，因此數(shù)字化電壓表成為了目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字化測(cè)量?jī)x表之一，幾乎可以用它來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非典模擬量的轉(zhuǎn)換測(cè)量，可以說是基本涵蓋了當(dāng)前電子工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的全部測(cè)量物理量。因此，作為電子測(cè)量技術(shù)人員，深入了解數(shù)字式電壓表的性能與使用，了解當(dāng)前數(shù)字式電壓表的發(fā)展趨勢(shì)等是相當(dāng)有必要的。

參考文獻(xiàn)

[1] 江樺，吳昌東，吳學(xué)杰.基于單片機(jī)的新型數(shù)字式電壓表設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（3-2）： 133-135.

[2] 王恒，溫陽東.基于ICL7107的多路多用儀表的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2009，（3）：39-41.

[3] 梁廷貴，王裕琛.積分式A/D轉(zhuǎn)換器[M].科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003.