實驗18 數(shù)字電表改裝及測量-20140312-1

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1、實驗18數(shù)字電表改裝及測量【實驗目的】1.學習雙斜式數(shù)字電表的基本工作原理2.了解7107模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路的出腳功能、外圍元件的作用及參數(shù)選擇原則3.熟悉理想運放電路的基本特點、學習應用這些特點分析集成運放應用電路的方法。4.熟悉基本直流電表的改裝及校準。【實驗原理】一．雙斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基本工作原理雙斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作原理非常簡單，就是在一定的時間T1內(nèi)對極板上電量為零的電容器C充電，如果充電電流是恒定的并且與待測電壓Vx成正比，則電容器C兩極板上積累的電量（或兩極板間的電壓）隨時間也線性地增加，并且在T1結束時刻所積累的電量QO是與被測電壓Vx成正比的。在此以后若讓電

2、容器放電，并且放電的電流與參考電壓Vref成正比，則電容器兩極板上的電量Qc就會從QO線性地減小，設Qc減至零時放電過程所經(jīng)歷的時間為T2。在以上過程中，由于電容器C在充電結束時刻（即放電的開始時刻）所積累的電量QO是與Vx成正比的，所以電容器的以上放電過程所經(jīng)歷的時間T2也與Vx成正比。如果用一個計數(shù)器在T2開始時刻對時鐘脈沖進行計數(shù)，在T2結束時刻停止計數(shù)，則T2時期內(nèi)計數(shù)器的讀數(shù)N2就與Vx成正比。目前常用的3位數(shù)字萬用表就是用CMOS的7106/7型單片A/D轉(zhuǎn)換器構成的，這些A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理就是基于電容器的以上充、放電過程中計數(shù)器讀數(shù)N2與Vx成正比的基本關系。

3、圖18-1是雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的結構框圖及工作原理圖，為了保證電容器C的充、放電過程都是恒流過程，采用由運算放大器A1組成的積分電路。整個轉(zhuǎn)換過程分為三階段：第一階段，通過控制電路使有關模擬開關（圖18-1中未畫出）閉合，放掉由于各種原因使圖18-1雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及結構框圖電容器C兩極板上積累的電量，并在這一階段，通過控制開關使參考電壓Vref對0.1μF的參考電容Cref充電到Vref值，這一階段稱為自動調(diào)零階段.第二階段，稱取樣階段，在這階段控制電路令模擬開關K將被測電壓Vx與積分器相連，電容器C開始以恒定電流Vx/R充電，與此同時打開計數(shù)門，計數(shù)器開始計數(shù)，

4、當計數(shù)器計到某一確定值N1時溢出，控制電路令取樣過程結束，因此取樣時間T1是固定的，取樣階段結束時刻積分器的輸出電壓VOVO=QO/C5其中QO為取樣階段結束時刻積分電容C上積累的電量，因取樣階段的充電電流為Vx/R，故T1期間積分電容C上積累的電量（18-1）（18-1）式等號右邊的負號表明VO與Vx具有相反的極性，這是因為如果Vx為正，則圖18-1中電容器C右極板帶負電荷，故VO極性為負，反之，VO為正。第三階段稱為測量階段，在此階段，控制電路首先對被測電壓Vx作極性判斷，然后再令模擬開關K把與Vx極性相反的參考電壓Vref與積分器相連（實際上是通過控制開關把已充電到電壓值

5、為Vref的參考電容Cref按與Vx的反極性的方式經(jīng)緩沖電路接至積分器），電容器C開始以恒定電流Vref/R放電，與此同時，計數(shù)器開始計數(shù)電容器C上的電量從Qc(電壓VC)開始線性地減小，當電容器C上的電壓降至為零時，由零值比較器給控制電路一個信號，令計數(shù)器停止計數(shù)，所以測量階段所經(jīng)歷的時間T2應滿足以下關系：即（18-2）其中T1、Vref在測量過程中均為常數(shù)，故T2與Vx成正比，如果時鐘脈沖的周期為Tcp，T1=N1Tcp，T2=N2Tcp，則（18-2）式可改寫為：（18-3）這表明：在測量階段的計數(shù)值N2與被測電壓Vx成正比。雙斜式單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器在控制電路作用下，就按以

6、上三個步驟周期性地對被測電壓進行測量。在3位模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，N1設定為1000，N2的計數(shù)范圍為1～2000，每個測量周期為4000個TCP時間，在每個測量周期除第二階段取樣時間總保持1000個TCP時間不變外，其余兩個階段持續(xù)的時間是與被測電壓Vx有關，但它們的總和應等于3000個TCP，而且測量階段持續(xù)時間變化范圍為0～2000TCP，故自動調(diào)零階段的持續(xù)時間變化范圍為1000TCP—3000TCP。由于滿量程時N2=N2max=2000，Vx=Vm=2Vref，若取Vref=100mv，則被測電壓的最大值為200mv，這就是一般數(shù)字萬用表電壓檔的基本量程。二、7107模數(shù)轉(zhuǎn)

7、換器出腳功能、外部元件的作用及參數(shù)選擇原則7107單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器為40腳雙排結構，每個出腳的功能及與外部元件的聯(lián)連如圖18-2所示。其中，RINT與CINT5就相當于圖1積分電路中的R與C，27腳是積分電路的輸出端，在測量過程中用示波器觀察此出腳的電壓VINT波形可以明了前面所述的電容器C的充放電物理過程。模數(shù)轉(zhuǎn)換過程所需的時鐘脈沖發(fā)生器由7107內(nèi)部的兩個反相器（非門）F1、F2圖18-27107出腳功能及與外部元件的聯(lián)接以及與38，39和40腳相聯(lián)的外部元件R1、C1組成，它屬于兩級反相