电工仪表及测量6第六章-数字式仪表课件

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1、第六章第六章 数字式仪表数字式仪表第一节第一节 数字万用表数字万用表 一、电子计数器 二、模拟/数字（A-D）转换器 三、直流数字电压表 四、数字万用表第二节第二节 数字功率表数字功率表 一、单相有功功率的数字测量 二、单相无功功率的数字测量 三、三相有功功率的数字测量 四、三相无功功率的数字测量第三节第三节 数字式电能表数字式电能表 一、数字式单相有功电能表 二、数字式三相电能表 思考题思考题第六章第六章 数字式仪表数字式仪表 所谓数字式仪表,就是将被测对象离散化、数据处理后以数字形式显示的仪表。第一台数字仪表出现于20世纪50年代初，之后随着电子技术的迅猛发展，数字式仪表与数字化测量技术获

2、得了迅速的发展。目前国内外已生产有许多种测量各种量并具有很宽技术特性范围的数字仪表，如电压表、电流表、功率表、电能表、计数器、万用表、频率计等。数字式仪表是将模拟量变为数字量，采用逻辑运算硬件电路实现测量功能。数字式仪表与模拟式指示仪表相比具有很多优点。比如：准确度高、灵敏度高、输入阻抗高、操作简单、测量速度快等。从模拟向数字，从单一通道向综合多通道测量的发展，从单个仪表向测量信息系统过渡，将各种电学量和非电学量变换成统一量（时间、频率、直流电压）后进行测量等，是近几十年来测量技术发展的重要阶段。本章结合数字仪器仪表的基本知识的介绍，以数字万用表、数字功率表和数字电能表为例，介绍数字测量技术中

3、常用的基本单元电路和一般电量的测量方法。本章将以方框图和波形图的方式介绍数字仪表的工作原理，以期对数字仪表的工作过程能有基本认识。第一节第一节 数字式万用表数字式万用表 在实际工作中，需要测量的量，例如电压、电流等是随时间连续变化的量，叫做“模拟量”，但数字仪表却是以数字的形式来显示所测结果的。为了对模拟量实现数字化的测量，就需要一种能把模拟量变换为数字量的转换器，即模拟/数字转换器（简称A-D转换器），以及能对数字量进行计数的装置，即电子计数器。因此数字仪表的简化方框图如图6-1所示。图6-1 数字仪表的简化方框图 本节首先介绍电子计数器和A-D转换器的工作原理，在此基础上介绍直流数字电压表

4、和数字万用表的工作原理。直流数字电压表配以各种变换器（如交流电压/直流电压变换器、交或直流电流/直流电压变换器等）便可形成一系列的数字仪表，如交流数字电压表、交流数字电流表等。由几种变换器、功能转换开关和直流数字电压表组合在一起便可形成数字万用表。一、电子计数器一、电子计数器 1.1.电子计数器的组成电子计数器的组成 电子计数器可具有多种互不相同的工作方式，如对输入事件数进行累计（计数），以及对频率，时间、时间间隔或脉宽进行测量。电子计数器通常包括的部件及其作用是：1）输入电路。把不同的波形、幅值的被测信号经整形、放大转换成标准信号，该标准信号与被测信号基波频率相同。2）石英晶体振荡器。它产生

5、频率非常稳定的振荡，其振荡频率高，频率稳定性好。分频器。它能把输入信号分频，以得到具有不同宽度的时间基准或叫时标信号。3）控制门。又叫闸门，它有一个输出端和至少两个输入端。要计数的脉冲信号加到一个输入端，另外的输入端加上闸门信号（或称门控信号）。当闸门信号为高电平时，闸门打开，要计数的脉冲到达闸门输出端；当闸门信号为低电平时，闸门关闭，要计数的脉冲到不了闸门输出端。4）计数器。它将来自闸门的脉冲信号以二进制形式计数。计数后的脉冲数可经译码器译成十进制数，再在数码管或液晶显示器上显示出来。5）电子计数器最简单的工作方式是对输入电信号进行累计或计数。其方法是输入信号经输入电路整形放大后经过手动控制

6、启动和停止的闸门后进入计数器进行计数并在显示器上显示出来。2.2.频率的测量频率的测量 用电子计数器测量频率的方框图如图6-2所示。图6-2 频率测量原理框图 被测信号经整形、放大送入主计数门，石英晶体振荡器输出标准频率，经分频后可得到周期为T的一系列标准信号。按设定的时间T控制被测信号进入计数器中的脉冲个数。若被测量的脉冲周期和频率为 ，则在T这段时间内进入计数器的脉冲数N为（式6-1）若T=1秒，则 ，即计数器记录的数字量N即为被测信号的频率。标准信号的周期可以不是1s，也可以取0.1、0.01s甚至更小。由于门控信号的开始是随机的，它可能在被测脉冲的任一时刻出现，从图6-3可见，从时刻

7、开启的门控信号，计数器计数是4，而从 时刻开启的门控信号，计数器计数值是3。所以门控信号与被测信号不同步将产生 1的计数误差，这种误差叫量化误差，计做 。另外，门控信号的宽度不准确也会产生误差，计做 ，它主要取决于石英晶体振荡器的准确度和稳定度，仪表给定之后，测量人员是无法改变的。因此，考虑到 =时测量频率的相对误差为：（式6-2）由上式可见，门控信号宽度T越大，测量后显示出的计数值N有效位数越多，则测量频率准确度越高，但要注意当显示位数固定时，计数值的最高位不应丢失，即显示不出来。图6-3 1计数误差的波形解释 3.3.周期的测量周期的测量 周期仍然可用电子计数器进行测量，不过接法不同。在这

8、里，要用分频后的被测信号作为门控信号去控制主计数门的开闭；而石英晶体振荡器发出的周期为的标准时钟脉冲作为计数脉冲或称填充脉冲。用电子计数器测量周期的原理框图如图6-4所示。图6-4 周期测量原理框图 若在 时间间隔里，计数器记录到N个 以为周期的标准时钟脉冲，则被测信号的周期为：（式6-3）若改变填充脉冲的频率 ，可以改变被测周期的量限。当被测量周期较小时，为了增加读数位数，提高测量准确度，可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样可以扩展测量周期的量限。测量周期的波形图如图6-5所示。若将图6-4中开关 由“1T”位置扳到“10T”位置，则分频后的被测周期 ，用去给计数器开门，则计数器记得

9、的数N为即 （式6-4）4.4.相位的测量相位的测量 相位是交流信号的一个重要参数，测量两相同频率交流信号的相位差方法很多。图6-6是由电子计数器构成的数字式相位计。图6-5 测量周期的波形图 设被测信号 在相位上领先被测量信号 ，它们分别被送至零电平比较器1和2。当 由负变为正通过零时，被相应的比较器检测出并发出一个脉冲 ，加到R-S触发器的S端，使Q端变成高电平，打开闸门，让标准频率为 的时钟脉冲序列进入计数器计数。当 由负经过零变为正的瞬间，比较器2也输出一个脉冲 加到触发器R端，使R-S触发器的Q端恢复到低电平，从而关闭闸门，计数器停止计数。框图中各点的波形如图6-7所示。图 6-6

10、相位测量原理框图 由波形图可见，这种相位测量方法实际上是测量正弦波形对应点间的时间间隔。以N代表对应于相位差的脉冲数，为计数脉冲的周期，则两信号对应点间的时间间隔可表示为 （式6-5）由于相位差 （式6-6）将式（6-5）代入，得 （式6-7）式中 T被测信号的周期；标准时钟脉冲的周期。这种方法测出T和N，再利用式（6-7）进行计算。这种方法的缺点是测量结果与被测量信号的周期（或频率）有关。为了消除被测量的频率对测试结果的影响，使 在经过一个闸门后进入计数器，该闸门的开门时间为 ，是由晶振输出的频率f0分频而得。在T1时间内进入计数器的总脉冲个数为 （式6-8）图6-7 相位测量的波形图 改变

11、 的值可以改变指数n，这样可以改变相位计的量限。计数器中记得的 和被测相位成正比，而且与被测量的频率无关。二、模拟二、模拟/数字（数字（A-DA-D）转换器）转换器 模拟/数字转换器是将模拟量转换为数字量的装置，简称A-D转换器。模拟量是连续变化的物理量，它的范围很广，例如时间、压力、电压等等都是。这里只讨论电压/数字转换器。电压/数字转换的方法很多，只介绍有代表性的三种A-D转换器。1.1.逐次逼近式逐次逼近式A-DA-D转换器转换器 这种A-D转换器是由一个控制电路按一定编码顺序操纵一系列开关，把标准电压E通过一个电阻网络分压。分压所得的电压 是按8421码排列的，即0.8E，0.4E，0

12、.2E，0.1E，0.08E，0.04E，0.02E，0.01E，与输入电压 相比较，直到二者逼近到一定程度，控制电路所编成的码即为 的数字量。比较过程是从 的最高位开始，由高位到低位逐次比较。根据每次比较的结果取舍 ，当 时保留，开关位量闭合，数字量对应为“1”，当 时，舍去 ，开关位置断开，数字量对应“0”。这样从高到低，依次比较，逐次逼近，则保留下来的 的总和即可近似等于 。图6-8是它的原理方框图。下面以三位8421编码的A-D转换器测量0.531V电压为例说明其转换过程。设E=1V，则经电阻网络分压可得一组标准电压，其值分别是0.8，0.4，0.2，0.1，0.08，0.04，0.0

13、2，0.01，0.008，0.004，0.002，0.001，单位为伏特。首先，0.8伏电压与被测电压0.531伏进行比较，比较结果是=0.5伏，因而0.1伏电压被保留，开关位置寄存器第四位置1。第五步是已保留的0.4伏、0.1伏电压与0.08伏电压一起去和=0.581伏电压比较，结果是 0.58伏，0.08伏电压舍去，开关位置寄存器第五位置0。就这样在控制电路的控制下，由高位到低位逐次比较下去，被保留的电压之和与被测电压之间的差值逐渐减小，最后，被保留的电压之和近似于被测电压。在开关位置寄存器中就记下了010100110001，模拟电压0.531伏被转换为数字量，该数字量可经译码显示器显示出

14、来，也可被微处理器CPU取走。这种转换器的特点是测量速度快，每秒可达数千次，例如AD574模数转换芯片一次转换时间仅为25微秒；但对混入被测电压中的串模干扰抑制能力较差，即抗干扰性能差。目前大多数A-D转换器都采用这种方法，如8位的ADC0809；10位的AD573；12位的AD574等。2.2.双斜率积分式双斜率积分式A-DA-D转换器转换器 双斜率积分式A-D转换器的核心部件是积分器，在转换过程中首先输入模拟电压 ，对 进行定时积分，然后在同一积分器的输入端换接反极性的基准电压 （参考电压），对 进行定值的反向积分，通过两次积分，将输入电压转换成与其正比的时间间隔，这个时间间隔可用脉冲计数

15、去准确地测出，从而获得数字化的转换效果。图6-9是双斜率积分式A-D转换器的原理框图，其工作过程分采样和比较两个阶段。图6-9 双斜率积分式A-D转换器的原理框图 在测量开始时，逻辑电路闭合开关 ，采样阶段就从这里开始，同时定时器开始累计对应于时间T确定的时钟脉冲个数。在时间T期间，将 连到运算放大器，电容器C对输入电压积分，因此在这个周期结束时，电容电压 为 （式6-11）式中 在时间T期间的平均值。接着是比较阶段，即在时间T结束后，逻辑电路打开 ，闭合 ，将参考电压 送到积分器。如果我们假定 与 的极性相反，则电容C开始放电。由于参考电压 是恒定的，放电的斜率也是不变的。图6-10示出了电

16、容电压 的充放电波形图。时间t后电容器放电完毕，此时有 （式6-12）于是我们得到 （式6-13）即 （式6-14）时间t由计数器进行测量。当零检测器指出电容器已放电完毕，时间t结束，由逻辑电路发出停止信号。假定计数器在T期间累计脉冲数为 ，电容放电时间t 期间累计脉冲个数为 ，由于 、T 和 是预先给定的，则 与脉冲 成正比，脉冲个数 反映了时间t 的大小，由式（6-14）可知，也反映了 或说 在采样周期T内平均值的大小，从而达到了A-D转换的目的。同时应指出的是，当输入被测电压为 ，且 ，则同样得出反映 在采样周期T 内平均值大小的电容器放电时间 ，由前所述，t，电容器充放电的波形图见图6

17、-10虚线所示。图6-10 电容C充放电波形图 双斜率积分式A-D转换器的特点可归纳为：1）抗干扰能力强：由于测得结果反映的是被测电压在T时间段内的平均值，故混入被测电压信号中的交流干扰成分通过积分过程被削弱。2）测量准确度高：该A-D转换器的准确度主要取决于基准电压 的准确度和稳定性，而与元件参数R和C基本无关，即对积分器元件R和C可不必选精密元件，也能达到相当高的测量准确度。再则，由于两次积分计数的时钟取自同一振荡器，从而降低对振荡器脉冲频率准确度的要求，从而可降低了A-D转换器的成本，得到了广泛的使用。3）转换速度慢。因为有两次积分，影响了转换速度。3.3.电压电压/频率变换式频率变换式

18、A-DA-D转换器转换器 电压/频率变换式A-D转换器原理框图如图6-11所示，运算放大器对输入电压 进行积分，其输出电压 。一旦 达到固定的开关电平 ，电平检测器就传出一个控制脉冲，使电容C并联的开关闭合，电容C瞬间放电。然后开关再次打开，又重复下一个测量周期。开关的每次闭合，电平检测器就输出一个脉冲到计数器。从建立至到达开关电平 的时间t与输入电压 大小成反比，若忽略电容C放电时间，则电平检测器输出至计数器的脉冲频率 与输入电压 的大小成正比关系。计数器在选定的时间间隔内对脉冲群计数，从而实现A-D转换。这种形式的A-D转换器还是属于积分型的，其抗干扰能力强，但转换速度低。图6-11 电压

19、频率变换式A-D转换器原理框图三、直流数字电压表三、直流数字电压表 直流数字电压表一般是由输入电路、量程切换、A-D转换器、电子计数器、数字显示器和逻辑控制电路几部分组成。直流数字电压表由于采用不同的A-D转换器而使其工作原理、仪表结构和性能有很大的差别。A-D转换器是直流数字电压表的核心，更简单地讲，数字电压表是由A-D转换器和电子计数器两大部分组成的。下面，以由单片ICL7106组成的直流数字电压表为例介绍数字电压表的工作原理。用ICL7106构成数字电压表的典型接线如图6-12所示，该表的量程为200mV，也称为基准档或基本表。由它外加各种转换电路和量程切换装置可构成数字万用表和各种其它

20、数字仪表。、为时钟振荡器的网络；、是基准电压的分压电阻，供片内A-D转换用；、为输入端阻容滤波电路，以提高仪表的抗干扰能力；、分别是基准电容和自动调零电容；、分别是积分电阻和积分电容；COM管脚和面板上的表笔插孔COM连接。该表的原理框图如图6-13所示。其中A-D转换器采用双斜率积分式A-D转换原理，并主要由积分器、缓冲器和比较器组成。双斜率积分式A-D转换器原理在前面已有叙述，这里将不再说明，下面看其它几个方框的作用。图6-12 由ICL7106构成的数字电压表电路图图6-13 数字电压表原理框图 1.1.振荡器振荡器 振荡器由ICL7106芯片内部的两个非门和外部元件R、C组成。它属于两

21、级反相的阻容振荡器，输出波形占空比为50（即脉冲宽度和脉冲周期的比值）。2.2.显示器显示器 显示器采用LDB7015A型显示块，其内部接线示意图如图6-14所示。图中引线箭头所指的数码中，带圆圈的是由四异或非门4077B的管脚号，用于驱动显示三个小数点和电池电压低指示信号，其余数码表示ICL7106型A-D转换器的管脚号，未带箭头的表示空脚。它属于七段（a、b、c、d、e、f、g）显示，但千位数只使用a、b段（当电压表过载时，即超量限时显示过载符号“1”低三位数字各段全灭，否则显示被测电压最高位）和g段（用来显示负号“”）。晶振器经四分频器分频，给二十进制计数器提供10kHz的计数脉冲。A-

22、D转换结果，即计数器所累计BCD码值，首先进入锁存器锁存，然后经译码器译成显示器显示的七段笔画码，再经由异或门组成的驱动器驱动，最后在显示器上显示出来。3.3.控制器控制器 控制器的主要作用是识别积分器的工作状态，适时地发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A-D转换能循环进行。其次，控制器还能识别输入电压极性，控制LCD显示器的负号显示，并且当输入电压超量限时，使千位数显示“1”，其余数码全部熄灭，指示电压表溢出信号。四、数字万用表四、数字万用表 数字万用表（又称数字多用表或数字繁用表）是数显技术与新型大规模集成电路技术的结晶。数字万用表具有很高的灵敏度和准确度，显示清晰直观，功能齐全，性能

23、稳定，过载能力强，便于携带。因此，在电子测量、电工检测及检修等工作领域中，得到迅速推广和普及，显示出强大的生命力，并在许多情况下正逐步取代模拟式万用表。1.1.数字万用表的构成原理数字万用表的构成原理 数字万用表是在直流数字电压表的基础上，配以各种功能转换电路组成的多功能测量仪表。数字万用表最基本的功能是对电流、电压和电阻的测量，其原理框图如图6-15所示。常见的功能转换电路还有把二极管正向压降转换为直流电压的变换器，把电容量转换为直流电压的变换器，把晶体管电流图6-14 LD-B7015A的内部接线示意图放大倍数转换为直流电压的变换器，把频率转换为直流电压的变换器，把温度转换为直流电压的变换

24、器等。除此之外，数字万用表还常附加有自动关机电路、报警电路、蜂鸣器电路、保护电路、量程自动切换电路等。DT830型数字万用表就是上文中介绍的由单片ICL7106构成的直流数字电压表的基础上增加外围功能转换电路构成的，下面仅举DT830型数字万用表的几例转换电路进行说明。(1)数字万用表的直流电压档 数字万用表的直流电压档就是一个多量限的直流数字电压表，如图6-16所示。该表共设置五个电压量程：200mV、2、20、200、2000V，由量程选择开关S1控制，其分压比依次为11、110、1100、11000、110000。只要选取合适的档，就可把02000伏范围内的任何直流电压衰减为0200毫伏

25、的电压，再利用基本表（量程为200 mV）进行测量。该基本表就是前面刚讲过的单片7106构成的直流数字电压表。(2)数字万用表的直流电流档 DT830型万用表的直流档分五个量程，其电路原理图如图6-17所示。电阻R6R10是分流电阻，当被测电流流经分流电阻时产生压降，以此做为基本表的输入直流电压。在各档满量程时，基本输入端得到200 mV的输入电压。图615 数字万用表原理框图图6-16 DT830型万用表测量直流电压的电路图6-17 DT830型万用表直流电流档电路 (3)数字万用表电阻的测量 DT830型数字万用表的基本表（直流电压表）采用7106A-D转换芯片，该芯片第1脚有2.8V的基

26、准电压输出，可做为基准电压源供电阻测量使用。电阻测量原理是利用被测电阻和基准电阻串联后接在基准电压源上，被测电阻上的压降做为基本表的电压输入端，通过选择开关改变基准电阻的大小，就可实现多量程电阻测量，其原理接线如图618所示。图中 是被测电阻，是基准电阻。2.2.数字万用表的特点数字万用表的特点 （1）显示位数 数字万用表的显示位数通常为3 位8 位，一般有3 位、3 位、3 位、4 位、4 位、5 位、6 位、7 位、8 位共9种。3 位读作“三又二分之一位”。其余类推。判定数字仪表的显示位数有两条原则：第一，能显示从09中所有数字的位是整数位；第二，分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为

27、分子，用满量程时（此时仪表已溢出）最高位数字作分母。例如，DT830型数用表显示位数是3 位，其最大显示值是1999，满度值是2000，此时万用表已超量限，低三位数字全部熄灭，最高位即千位处显示溢出标志“1”，也就是说其最高位只能显示0或1，显0时以灭的状态表示。又如，3 位数字万用表最高位只能显示0、1、2，最大显示数值为2999，满度值为3000，即它的量程上限是3000。（2）显示方式 数字万用表一般采用液晶显示器，以数字的形式将测量结果显示出来。目前，新型数字万用表在数字显示的基础上普遍增加了标志符显示功能，标志符包括被测量的单位符号、测量项目符号（AC、DC）、特殊符号和图形等。数字

28、万用表也有采用模拟条图显示的。模拟条图能反映被测电量的连续变化过程和变化趋势。常见的模拟条图有液晶条图、等离子体光柱和LED光柱三种形式。数字万用表大多选用液晶条图，以降低显示功耗。20世纪90年代国际上流行款式是双显示，即在数字显示的基础上又增加了液晶条图显示功能，其液晶显示屏见图6-19（a）。有些仪表可同时显示被测量的多种数据（例如最大值、最小值、平均值、即时值），称为多重显示仪表，图6-19（b）是三重显示屏的示意图。图6-18 DT830型数字万用表的电阻档电路 （3）分类 目前，国内外生产的数字万用表多达数百种，按量程转换方式分类，可分为手动量程式数字万用表、自动量程式数字万用表和

29、自动手动量程数字万用表。按用途和功能分类，可分为低档普及型（如DT830型数字万用表）数字万用表、中档数字万用表、智能数字万用表、多重显示数字万用表和专用数字仪表等。按形状大小分，可分为袖珍式和台式两种。（4）分辨力 数字仪表在最低量程上末位1个字所对应的数值称为分辨力，它反映出仪表灵敏度的高低。显然，分辨力随显示位数的增加而提高。模拟式万用表的灵敏度是用最低电压档（例如直流2.5伏档，交流10伏档）的最小分度值来表示的。该数值越小，说明灵敏度越高，一般为0.1伏至零点几伏。数字万用表与之对应的技术指标是分辨力，它表示在最低量程（例如200毫伏档）末位上的一个字所对应的电压值。DT830型数字

30、万用表200毫伏档的最大显示值为199.9毫伏，末位数字1表示0.1毫伏，因此分辨力为0.1毫伏，比模拟式万用表高一千倍。（5）分辨率 数字万用表的分辨力亦可用分辨率来表示。分辨率是指仪表所能显示的最小数字（零除外）与最大数字之比，通常用百分数表示。例DT380型数字万用表可显示的最小数字（不包括零）为1，最大数字为1999，故分辨率为 。图6-19 数字万用表液晶显示屏示意图(a)数字模拟条图双显 (b)三重显示 6.准确度 数字万用表的准确度有两种表示方法。1）第一种表示方法为 准确度=（a%读数值+b%满度值）（式6-15）式中，“a%读数值”代表转换器、分压器等的综合误差；“b%满度值

31、”代表由于数字化处理而带来的误差。对于某块数字仪表而言，b值是固定的，a值则与所选择的测量种类及量程有关。测量准确度是测量结果中系统误差和随机误差的综合，它表示测量值与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，也就是说数字万用表的测量准确度表示了测量的绝对误差。例如，SK-6221型数字万用表直流2V档的准确度为（0.8%读数值+0.2%满度值），则测0.1V电压时的绝对误差为（0.8%0.1V+0.2%2V），即绝对误差为0.0048V。2）第二种表示方法为 准确度=（a%读数值+n个字）（式6-16）式中，n 是由于数字化处理引起的误差反映在末位数字上的变化量。若把n 个字的误差折合成满量程

32、的百分数，即为式（6-15），因此式（6-15）和式（6-16）是等价的。【例6-1】DT830型数字万用表直流2V档的准确度（23 5C）为（0.5%读数值+2个字），问用该表2V档测量1.997伏和0.1伏电压的误差分别为多少？解：（1）测1.997伏电压时 准确度=（0.5%读数值+2个字）=（0.5%1997+2个字）12个字 所以，测1.997伏电压时的绝对误差为 =12 个字 相对误差为 =0.6%（2)测0.1伏电压时的绝对误差为 =（0.5%100+2个字）3个字 相对误差为 =3.0%由上例可见，用数字万用表测量电压时应尽量使所选量程接近被测值，以便减小测量结果的相对误差。3

33、.DT830DT830型数字万用表的技术指标型数字万用表的技术指标 DT830数字万用表是20世纪80年代较为流行的一种普及型 位袖珍式液晶显示数字仪表。它的价格很低，可以与模拟式（即指针式）万用表相竞争。其主要技术指标见表6-1，除表中所列测试功能外DT830型数字万用表还有测量二极管正向压降、三级管电流放大倍数和利用蜂鸣器检查线路通断的功能。表6-1 DT-830型数字万用表技术特性（接续）直 流 电 压 (DCV)量 程分 辨 力误差(2350C)最大允许输入(DA或AC峰值)输入电阻200 mV0.1 mV(0.5%VM+2个字)1000 V10 M2 V1 mV20 V10 mV(0

34、.8%VM+2个字)200 V100 mV1000 V1 V1100 V交 流 电 压 （ACV）（45500Hz）量 程分 辨 力误差(2350C)最大允许输入(DC或AC有效值)输入电阻200 mV0.1 mV(1.0%VM+5个字)750 V10 M/100pF2V1 mV20V10 mV200V100 mV750 V1 V表6-1 DT-830型数字万用表技术特性（续）直 流 电 流 (DCA)量 程分 辨 力误差(2350C)最大电压负荷(有 效 值)过载保护快速熔断器200A0.1A(1.0%IM+2个字)250mV0.5A(250V)2 mA1A20 mA10A200 mA100

35、A10 A10 m A(1.2%IM+5个字)700mV交 流 电 流 （ACA）（45500Hz）量 程分 辨 力误差(2350C)最大电压负荷(有 效 值)过载保护快速熔断器200A0.1A(1.2%IM+5个字)250mV0.5A(250V)2 mA1A20 mA10A200 mA100A10 A10 m A(2%IM+5个字)700mV电 阻 ()量 程分 辨 力最大测试电流误差(2350C)最大开路电压最大允许输入(DC或AC有效值)2000.11mA(1.0%RM+3个字)1.5V250V2k10.4mA(1.0%RM+2个字)750mV20k1075A200k1007.5A200

36、0k1k0.75A(1.5%RM+2个字)20M10K75A(2.0%RM+3个字)第二节第二节 数字功率表数字功率表 一、单相有功功率的数字测量一、单相有功功率的数字测量 根据电路原理，在正弦交流电路中设 式中 ，U-交流电压的幅值和有效值；，-交流电流的幅值和有效值；-角频率；-交流电压与交流电流的相位差。则瞬时功率为 （式6-17）而有功功率为瞬时功率在一个周期内T的平均值，所以有功功率为 （式6-18）比较式（6-16）和式（6-17）可知，测量有功功率可以由一个乘法器求得瞬时功率p(t)，再经一个低通滤波器，滤掉p(t)中的两倍工频成分 来完成。在有功功率的数字测量中，常用将脉宽调制

37、和幅值调制结合在一起的时分割乘法器来完成求瞬时功率p(t)=(t)i(t)的乘法运算。在实际应用中，常将电流i(t)经过一个固定阻值电阻，在电阻两端便得到与i(t)成线性比例关系的电压，而电压(t)也要见经输入电路变成与正比的电压信号 ，即 （式6-19）（式6-20）式中，、代表实际与仪表可接受信号间的比例常数，从而可用 、的乘积代替(t)、i(t)的乘积。常见的时分割乘法器有采用基准三角波的乘法器、采用基准方波的乘法器、采用自激多谐振荡器的乘法器和采用磁饱和振荡器的乘法器。采用基准三角波的时分割乘法器为核心部件的数字式单相有功功率表的原理框图如图6-20（a）所示，图中，运算放大器 、和

38、完成时分割乘法运算，图6-20（b）是时分割乘法器各点电压波形图。图6-20（a）中，通过运算放大器 实现调宽，通过运算放大器 、实现调幅，己调波的直流分量经低通滤波器取出后经A-D转换变成数字量后便可在显示器上显示出被测有功功率。下面具体分析时分割乘法器的工作原理。1.1.调宽原理调宽原理 当 时，运算放大器 （比较器）输出正极性，即 ，设 的时间为 。当 时，比较器 输出负极性 ，设 的时间为 。设三角波 的周期为 ，最大值为 ，最小值为 ，则由图6-20（b）可知 =（式6-21）推导式（6-21），可得 =（式6-22）因三角波 的周期 和最大值 是固定不变，且是已知的，由式（6-22

39、）可知 与 正、负脉冲宽度之差成正比，即 被调制成了脉冲宽度，其数值由正、负脉冲宽度来反映，这便是调宽原理。2.2.调幅原理调幅原理 当 时，二极管VD导通，场效应管VF截止，反相比例放大器 输出为 （式6-23）加法运算放大器 输出为 （式6-24）当 时，二极管VD截止，场效应管VF导通，经由两条通路被 放大，即 （式6-25）取 ，则由式（6-24）和式（6-25）可得：图6-20 数字式单相有功功率表（a）原理框图；（b）电压波形图（式6-26）的波形见图6-20（b）所示，由图可以看出，在己调脉宽波 的控制下，实现了对 波形的幅度调制。图中信号波是在假定 恒定的条件下得到的。3.3.

40、低通滤波器低通滤波器 运算放大器 与 、及 组成反向低通滤波器，在三角波 一周期 内的平均电压 为 （式6-27）将式（6-21）代入上式，便得到 （式6-28）式中 是比例常数。综上所述，时分割乘法器在三角波 提供的周期 内，对构成被测功率的一个信号 进行脉冲调宽式转换，并再以此脉冲宽度控制另一被测信号 的积分时间，从而实现两信号相乘。通常三角波的频率要远远大于被测周期信号的频率，即 r，即有 。两个热电变换器的热偶电阻相同，有 。TA为电流互感器，。流过加热丝T1的电流为 ，流过加热丝T2的电流为 ，考虑到 ，有 （式6-32）图6-23 热偶模拟乘法器测量功率的原理电路（式6-33）输出

41、电压 （式6-34）由于 ，则 （式6-35）即输出电压与被测电压和电流的乘积成正比，可以达到测量功率的目的。（3）霍尔效应模拟乘法器 霍尔效应模拟乘法器是依据霍尔效应来完成乘法计算。霍尔效应是霍尔元件在磁感应强度为B的磁场中，在霍尔元件中通以控制电流 ，在另外一个方向上会产生霍尔电动势 。霍尔效应原理如图6-24所示。因为霍尔电动势大小与控制电流和磁感应强度的乘积成正比，可以利用此关系完成乘法器设计。采用霍尔效应模拟乘法器的电能表原理框图如图6-25所示。被测交流电压转换成霍尔工作电流作用在霍尔器件上，被测交流电流经过电流互感器变换成磁感应强度，作用于霍尔元件。霍尔元件输出即与功率成正比。图

42、6-24 霍尔效应原理 图6-25 采用霍尔效应模拟乘法器的功率测量 二、单相无功功率的数字测量二、单相无功功率的数字测量 在交流电路中，有功功率P和无功功率Q 的定义为 （式6-36）（式6-37）式中 U、I电压、电流的有效值；电压超前电流的角度，时电压超前电流，时电流超前电压。若将输入电压顺时针相移 而幅值不变，则移相后的电压和电流进行有功功率测量可有 （式6-38）由式（6-38）可知，对输入电压作 相移后再进行有功功率测量，测量结果为原来电压、电流的无功功率。参考前面刚讲的有功功率测量方法，不难得到单相无功功率的数字测量方法。数字式单相无功功率测量原理框图如图6-26所示，限于篇幅，

43、对电压移相电路不再介绍。在实际应用中，当采用运算放大器实现 相移时，工频频率波动将引起相移移位不准。为此，常将电压相移 ，电流相移 ，来等效代替 电压相移。这样，当工频在50赫兹附近变化时，所引起的合成相移变化量约为零值，也就是说，数字式无功功率表的相移电路在工频附近没有误差。三、三相有功功率的数字测量三、三相有功功率的数字测量三相有功功率的数字测量方法与用电动系功率表的测量方法基本一样，仍可分为一表法、二表法和三表法，只是功率表内部结构不同。下面以二表法侧三相三线制有功功率为例来说明。二表法测三相三线制有功功率的外围接线原理图如图6-27所示，该接线适合于对称或不对称的三相三线制测有功功率两

44、个单相有功功率。测量元件（即时分割乘法器）有相同的外特性，即 ，（式6-39）式中 K线性变换系数。于是有 （式6-40）式中 线电压 超前线电流 的角度；线电压 超前线电流 的角度；、两时分割乘法器所对应的被测有功功率；P 三相三线制总有功功率。图6-27 三相有功功率数字测量接线原理图图6-26 单相无功功率数字测量原理框图 由此可见，输出电压 与三相有功功率成正比，由此可测得电路的三相有功功率。在实际应用中，常将两有功功率表合成在一起，做成一块数字式三相有功功率表，其内部结构原理图如图6-28所示。电压互感器副边电压 、再经过精密隔离电压互感器送至时分割乘法器单元；电流互感器副边串联精密

45、电流互感器TA，而后再串小标准电阻在TA的副边，用来获取代表电流 、的电压信号送给时分割乘法器。交流功率经过时分割乘法器转换为直流电压。求和后，直流电压U又转化为频率量。该频率被计数器计数显示被测有功功率。四、三相无功功率的数字测量四、三相无功功率的数字测量 三相无功功率的测量可采用电动系有功功率表测无功功率的方法，即跨相 的接线方法。对于三相三线制无功功率的测量可仅采用两个时分割乘法器进行测量，并能和有功功率测量共用一套电压取样元件；只是相乘的电流电压组合与测量有功功率时不一样。其外围接线原理图如图9-29所示，注意图中两个电流线圈的匝数比是2：1的关系。图6-28 三相有功功率数字测量原理

46、框图 图6-29 三相无功功率数字测量接线原理图 两时分割乘法器输出相加后的总输出电压为 （式6-41）在三相电压对称时有 =（式6-42）式中 K线性比例常数；Q三相总无功功率。由上式可见，图8-24中时分割乘法器输出总直流电压 正比于三相总无功功率。采用图6-29的方法测无功功率时，在电压对称、电流任意不对称的情况下无接线误差。在电压不对称时将出现接线误差，其准确度一般达不到0.5级。在测量准确度要求较高时必须采用无功功率数字表测无功功率，对三相三线制，其外围接线和测有功功率的图6-27相同，无功功率表的内部接线与图6-28相似，只是在时分割乘法器前增加移相电路。第三节第三节 数字式电能表

47、数字式电能表 电压信号形式的三相系统的功率经电压频率（Uf）转换后变为频率f（频率正比于电压U的脉冲系列），即该频率与有功功率P成正比，即PKf。这里K为常数。因此，系统总的有功能量可表示为 （式6-43）也就是说，只要将功率脉冲序列在一段时间内累积求和，便测出了该时间段内消耗的电能。因为电能的基本单位是千瓦时，所以在用式（6-43）累计之前，对脉冲序列应进行36105的分频。对于无功电能的数字测量原理也是如此。对于数字式电能表，一般采用分频后的功率脉冲序列去驱动一步进电机，带动计度器累计电量。计度器与感应式电能表的计度器原理结构完全一样。感应式电能表的计度器由铝盘转动带动计度器累计电量。一、

48、数字式单相有功电能表一、数字式单相有功电能表 数字式单相有功电能表与感应式单相有功电能表（俗称单相电度表）的外形尺寸、外观形状和接线盒接线基本一样，其原理框图如图6-30所示。取自分压器和分流器上的信号取样，送到乘法器电路，乘积信号再送到电压频率（Uf）转换器，经分频电路输出脉冲去驱动步进电机，带动机电计度器累计电量，或采用电子计度器累加电能。常用的单片计量芯片由德国EasyMeter公司的SPM3-20芯片和美国ANALONG DEVICES 公司的AD7755芯片等。图630 数字式单相有功电能表原理框图 数字式单相有功电能表的性能指标一般优于传统的感应式单相有功电能表。随着专用集成电路集

49、成度的提高和价格的下降，数字式电能表取代感应式电能表将成为发展趋势。数字式和感应式单相有功电能表综合指标比较表如表6-2所示。表6-2 数字式和感应式单相有功电能表综合指标比较 表6-2中的止逆功能和反接指示是指若交换进线和出线，电能表不能倒转和指示告警的功能，此功能可防止人为窃电。二、数字式三相电能表二、数字式三相电能表 数字式三相电能表的准确度等级一般为0.5、1.0和2.0级，额定电压为57伏、100伏和220伏，额定电流为5安或6安。数字式三相电能表一般分为三相三线有功电能表、三相三线无功电能表、三相四线有功电能表、三相四线无功电能表、三相三线有功无功一体电能表、三相四线有功无功一体电

50、能表。数字式三相电能表的原理示意框图如图6-31所示。序 号比 较 内 容感应式电能表数字式电能表1准确度2级1级2功耗3W0.7W3过载能力2-4倍6倍4高次谐波影响较大较小5工作位置垂直悬挂3度无特殊要求6可靠性10年20年7防窃电性能差好8反接指示无有9止逆功能无有图6-31 数字式三相电能表原理示意框图 思考题思考题6-1用电子计数器测量频率时的门控信号和用于计数的脉冲信号分别来自何处？测量周期时，这些信号又分别来自何处？6-2用七位计数器测频，当门控信号置于1秒时，显示的测量结果是2164.323千赫兹，当门控信号置于100毫秒时，显示的测量结果将是02164.32千赫兹，当门控信号

51、置于10秒时的显示值是多少？显示信号是否正确？6-3为什么要通过测量周期来确定低频信号的频率？6-4为什么说双斜率积分式A-D转换器的抗干扰能力强？以它为核心组成的数字电压表为克服50赫兹工频干扰，应在选积分时间T上采取哪种措施？6-5用A/D转换器把电压模拟量转换成数字量时，为什么要求模拟电压保持不变？6-6DT940C型 位数字万用表2伏量程的准确度为 准确度=读数值+1个字）问用该表2伏量程测量1.975伏和0.215伏电压的误差分别为多少？6-7为什么数字式电能表一般仍采用机械式计度器而不采用液晶或数码管显示累计电量？6-8数字式单相有功功率表和无功功率表的内部组成有何不同？6-9对采样保持器的开启脉冲宽度有什么要求？