第八章 数字化测量技术
发展概况：
测量是获得信息的重要手段。在自动化信息化社会中，要求测量的精度高、速度快，要求实现测量自动化。同时，被测对象范围也不断扩大，由单一物理量扩展为多个物理量，由静态量扩展为动态量。对于这样的测量任务，传统的模拟指针式仪表是无法完成的。数字化测量技术正是适应这一需要而发展起来的。
数字化测量是将被测的连续物理量转化为相应的量子化的离散的物理量，以数字的形式进行编码、
传输、存储、数据处理和显示的测量方法。数字化测量原理、方法及仪器结构等方面完全不同于传统的指针式仪表，
数字化测量技术发展概况
它具有测量速度快、精确度高、操作方便等优点。
数字化测量将被测量转换成数字量后，可直接送到计算机中进行数据处理或实时控制。因此，数字化测量技术广泛应用于数字仪表、非电量测量、
数据采集系统、自动控制等各个领域。
数字化测量技术的发展与电子技术、计算机的发展密切相关，自１９５２年世界上第一台数字电压表问世以来，数字仪表所用的器件经历了由电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路、专用集成电路的演变历程。７０年代由于微处理器和微型计算机的出现智能仪器。
数字仪表的特点
1.准确度高 __如现代数字电压表测量直流的准确度可以达到满度的 0.001％，甚至更高。数字式频率的准确度可以达到１ × １０ -9。 $
2.输入阻抗高，吸收被测量功率很少。如在现代的数字电压表中，基本量限的输入阻抗高达
25000Ｍ Ω。
3.由于测量结果直接以数字形式给出，所以示数读出方便，没有读数误差。
4.测量速度快。数字电压表的最高测量速度可达每秒钟几万到几十万次。
数字仪表的特点
5.灵敏度高。现代积分式数字电压表的分辨率可达 0.01μＶ。
6.数字仪表操作简单，测量过程自动化，可以自动地判断极性、切换量限。目前，带有微机处理器的数字仪表具有自动校零、自动校准、补偿非线性和提供自动打印及数码输出等功能。
7.可以方便地与计算机配合。数字仪表可以通过输出接口把测量结果直接送给计算机，以便进一步计算和控制。
连续量的不连续表示方法 -离散化 1
时间离散：
自然界中各种物质的量一般是连续的。所谓连续，
是指一个量 X(t)在某一时段Ｔ的无穷多个时刻上具有无穷多个值，这些无穷多个值不超过某一个已知的范围。自然界中也有以不连续形式出现的物理量，特别是在微观世界中更是多见，但在日常生活、生产和科研活动中较少遇到，因此有必要讨论一直连续量转化为数字量的方法。
根据上述连续量的定义，一个连续量 X(t)可以用图 8.1-1表示。它在时段Ｔ和范围Ａ内是连续的。
连续量的不连续表示方法 -离散化 2
如果不是在无穷多个时刻上，而是在相隔△Ｔ和若干个有限个数的时刻上去测量并确定 X(t)，则可以得到相应各时刻的 X1,X2,…Xn,它们将以自己的群体来代替 X(t)。于是，我们得到的已不是真正的连续量 X(t)，而是在时间上的不连续量 X(t)，这样的量称为离散化的量，时间间隔△
Ｔ称为“步距”。由图 8.1-2可见，在平面坐标上，被离散化了的连续量变成一系列的断续的点而不再是一条曲线。显然，步距相等的相邻两个离散量之间的差值不一定相等。
连续量的 —— 时间离散化连续量 连续量的时间离散化连续量的不连续表示方法 -量子化 1
任何测量仪器的分辨率不可以小到等于零。仪器只能对大于其分辨力的被测量增量△ X作出响应。
因此，若将仪器的测量结果看作是若干个数目的分辨力的累加，即虽然对被测量在时间上是连续地观测，而测量结果却是呈阶梯形变化。如图
8.1-3所示的那样，这种幅值按△ X增减变化的量称为量子化的量。两个阶梯的差距△ X称为“级距”。在数字化仪器中，测量结果的显示完全量子化了，数字仪表的量子值一般为读数最后一位的一个单位值。
连续量的不连续表示方法 -量子化 2
从图８．１－２和图８．１－３可见，离散化或量子化后的量已经不能完全反映连续量 X(t)的真实情况，丢去了 X(t)的若干信息。在数字化测量仪器中，一个连续的被测量每隔一定时间间隔
△ T被采样或被测量一次，实际上是把被测量离散化了。同时又以数字或数码的形式显示测量结果，是把连续量量子化了。因此，在数字化测量仪器中，离散化过程和量子化过程是同时存在的，
图 8.1-4说明这个问题。
幅值 -量子化连续量的离散化和量子化
从图 8.1-4可见,t=t1时,X=X1； t=t2时，因为连续量 X'与 X1之间的差距 X'-X1＜（１／２）
△ X，即小于量子化的一个级距的１／２，由于分辨力的限制，仪表只能显示Ｘ 1。同样道理，
当 t=t3时，连续量 X″与 X1之间的差距 X″－ X1＜
△ X。但是 X″－ X1＞（１／２）△Ｘ，仪表同样由于分辨力的限制而只能显示Ｘ 2=X1+△ X，不能显示 X″。显然，由于离散化和量子化同时存在，
损失信息更多，与非数字化仪表相比，这是新增加的误差源。但是，由于近代微电子技术的高度发展，数字集成电路的采样频率和分辨率可以作得非常高，使离散化与量子化误差可以降低到忽略不计的程度。
模拟量和数字量之间的转换
将模拟量转换成数字量的器件叫作模－数转换器
（Ａ／Ｄ转换器，简称ＡＤＣ）；
将数字量转换成模拟量的器件叫作数－模转换器
（Ｄ／Ａ转换器，简称ＤＡＣ）。它们是联接数字信号和模拟信号的桥梁。
Ｄ／Ａ转换器的结构框图权电阻型网络Ｄ／Ａ转换器权电阻型网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器集成Ｄ／Ａ转换器技术特性
（１）转换准确度 __是指输入端加上给定的数字代码时所测得的模拟输出值与理想输出值之间的差值，这个静态的转换误差是增益误差、零点误差、线性误差的综合。
（２）分辨力 __是指转换器的最低位对应的电压值与满度电压值之比。例如,10位Ｄ／Ａ转换器的分辨力为１
／（ 210－ 1），近似表示为 0.001，或者简单地用转换器的位数来表示。如１２位Ｄ／Ａ转换器的分辨力为 12位，
或近似表示为 1/212。
（３）线性度 __通常用非线性误差来表征转换器的线性度。它是指转换器实测的输入－输出特性曲线与一条理想直线的偏离程度，这条理想直线是校准后的转换器的两个端点的连续，如图 8.2-2所示。
非线性误差技术特性
（４）稳定时间（建立时间） __是指输入数字代码产生满度值的变化时，其模拟输出达到稳态值
ＬＳＢ（最低有效位）所需的时间。
（５）温度系数 __在规定的范围内，以温度每升高一度引起输出模拟电压变化的百分数定义温度系数，它包括增益温度系数和零点温度系数。它们是按整个温度范围内的平均偏差定义的。
逐次逼近式 A/D转换器原理图
AD574结构框图
AD574
AD574应用电路
V/F型 A/D转换器集成 V/F型 A/D转换器双积分形 A/D转换器双积分形 A/D转换器双积分形 A/D转换器 MC14433
频率测量测量频率的波形图测量周期原理框图测量周期的波形图测量时间间隔电路框图测量时间间隔波形图测量频率比的原理图计数器的量子化误差触发电平漂移引起的误差过零鉴相法测量相位过零鉴相法测量相位相位时间式相位计相位时间式相位计数字电压表原理框图数字电压表测直流电流数字电压表原理半波线形检波器半波线形检波器波形图全波线形检波器全波线形检波器波形图比例运算法测电阻用四端钮法测小电阻电容数字化测量脉冲调宽 A/D转换器时分割乘法器数字功率表时分割乘法器数字功率表波形图采样计算法测功率
ICL7106
ICL7106主要指标
ICL7106原理框图
ICL7106模拟部分
ICL7106数字部分
DT830数字电压表
DT830数字电压表
发展概况：
测量是获得信息的重要手段。在自动化信息化社会中，要求测量的精度高、速度快，要求实现测量自动化。同时，被测对象范围也不断扩大，由单一物理量扩展为多个物理量，由静态量扩展为动态量。对于这样的测量任务，传统的模拟指针式仪表是无法完成的。数字化测量技术正是适应这一需要而发展起来的。
数字化测量是将被测的连续物理量转化为相应的量子化的离散的物理量，以数字的形式进行编码、
传输、存储、数据处理和显示的测量方法。数字化测量原理、方法及仪器结构等方面完全不同于传统的指针式仪表，
数字化测量技术发展概况
它具有测量速度快、精确度高、操作方便等优点。
数字化测量将被测量转换成数字量后，可直接送到计算机中进行数据处理或实时控制。因此，数字化测量技术广泛应用于数字仪表、非电量测量、
数据采集系统、自动控制等各个领域。
数字化测量技术的发展与电子技术、计算机的发展密切相关，自１９５２年世界上第一台数字电压表问世以来，数字仪表所用的器件经历了由电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路、专用集成电路的演变历程。７０年代由于微处理器和微型计算机的出现智能仪器。
数字仪表的特点
1.准确度高 __如现代数字电压表测量直流的准确度可以达到满度的 0.001％，甚至更高。数字式频率的准确度可以达到１ × １０ -9。 $
2.输入阻抗高，吸收被测量功率很少。如在现代的数字电压表中，基本量限的输入阻抗高达
25000Ｍ Ω。
3.由于测量结果直接以数字形式给出，所以示数读出方便，没有读数误差。
4.测量速度快。数字电压表的最高测量速度可达每秒钟几万到几十万次。
数字仪表的特点
5.灵敏度高。现代积分式数字电压表的分辨率可达 0.01μＶ。
6.数字仪表操作简单，测量过程自动化，可以自动地判断极性、切换量限。目前，带有微机处理器的数字仪表具有自动校零、自动校准、补偿非线性和提供自动打印及数码输出等功能。
7.可以方便地与计算机配合。数字仪表可以通过输出接口把测量结果直接送给计算机，以便进一步计算和控制。
连续量的不连续表示方法 -离散化 1
时间离散：
自然界中各种物质的量一般是连续的。所谓连续，
是指一个量 X(t)在某一时段Ｔ的无穷多个时刻上具有无穷多个值，这些无穷多个值不超过某一个已知的范围。自然界中也有以不连续形式出现的物理量，特别是在微观世界中更是多见，但在日常生活、生产和科研活动中较少遇到，因此有必要讨论一直连续量转化为数字量的方法。
根据上述连续量的定义，一个连续量 X(t)可以用图 8.1-1表示。它在时段Ｔ和范围Ａ内是连续的。
连续量的不连续表示方法 -离散化 2
如果不是在无穷多个时刻上，而是在相隔△Ｔ和若干个有限个数的时刻上去测量并确定 X(t)，则可以得到相应各时刻的 X1,X2,…Xn,它们将以自己的群体来代替 X(t)。于是，我们得到的已不是真正的连续量 X(t)，而是在时间上的不连续量 X(t)，这样的量称为离散化的量，时间间隔△
Ｔ称为“步距”。由图 8.1-2可见，在平面坐标上，被离散化了的连续量变成一系列的断续的点而不再是一条曲线。显然，步距相等的相邻两个离散量之间的差值不一定相等。
连续量的 —— 时间离散化连续量 连续量的时间离散化连续量的不连续表示方法 -量子化 1
任何测量仪器的分辨率不可以小到等于零。仪器只能对大于其分辨力的被测量增量△ X作出响应。
因此，若将仪器的测量结果看作是若干个数目的分辨力的累加，即虽然对被测量在时间上是连续地观测，而测量结果却是呈阶梯形变化。如图
8.1-3所示的那样，这种幅值按△ X增减变化的量称为量子化的量。两个阶梯的差距△ X称为“级距”。在数字化仪器中，测量结果的显示完全量子化了，数字仪表的量子值一般为读数最后一位的一个单位值。
连续量的不连续表示方法 -量子化 2
从图８．１－２和图８．１－３可见，离散化或量子化后的量已经不能完全反映连续量 X(t)的真实情况，丢去了 X(t)的若干信息。在数字化测量仪器中，一个连续的被测量每隔一定时间间隔
△ T被采样或被测量一次，实际上是把被测量离散化了。同时又以数字或数码的形式显示测量结果，是把连续量量子化了。因此，在数字化测量仪器中，离散化过程和量子化过程是同时存在的，
图 8.1-4说明这个问题。
幅值 -量子化连续量的离散化和量子化
从图 8.1-4可见,t=t1时,X=X1； t=t2时，因为连续量 X'与 X1之间的差距 X'-X1＜（１／２）
△ X，即小于量子化的一个级距的１／２，由于分辨力的限制，仪表只能显示Ｘ 1。同样道理，
当 t=t3时，连续量 X″与 X1之间的差距 X″－ X1＜
△ X。但是 X″－ X1＞（１／２）△Ｘ，仪表同样由于分辨力的限制而只能显示Ｘ 2=X1+△ X，不能显示 X″。显然，由于离散化和量子化同时存在，
损失信息更多，与非数字化仪表相比，这是新增加的误差源。但是，由于近代微电子技术的高度发展，数字集成电路的采样频率和分辨率可以作得非常高，使离散化与量子化误差可以降低到忽略不计的程度。
模拟量和数字量之间的转换
将模拟量转换成数字量的器件叫作模－数转换器
（Ａ／Ｄ转换器，简称ＡＤＣ）；
将数字量转换成模拟量的器件叫作数－模转换器
（Ｄ／Ａ转换器，简称ＤＡＣ）。它们是联接数字信号和模拟信号的桥梁。
Ｄ／Ａ转换器的结构框图权电阻型网络Ｄ／Ａ转换器权电阻型网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器
T型电阻网络Ｄ／Ａ转换器集成Ｄ／Ａ转换器技术特性
（１）转换准确度 __是指输入端加上给定的数字代码时所测得的模拟输出值与理想输出值之间的差值，这个静态的转换误差是增益误差、零点误差、线性误差的综合。
（２）分辨力 __是指转换器的最低位对应的电压值与满度电压值之比。例如,10位Ｄ／Ａ转换器的分辨力为１
／（ 210－ 1），近似表示为 0.001，或者简单地用转换器的位数来表示。如１２位Ｄ／Ａ转换器的分辨力为 12位，
或近似表示为 1/212。
（３）线性度 __通常用非线性误差来表征转换器的线性度。它是指转换器实测的输入－输出特性曲线与一条理想直线的偏离程度，这条理想直线是校准后的转换器的两个端点的连续，如图 8.2-2所示。
非线性误差技术特性
（４）稳定时间（建立时间） __是指输入数字代码产生满度值的变化时，其模拟输出达到稳态值
ＬＳＢ（最低有效位）所需的时间。
（５）温度系数 __在规定的范围内，以温度每升高一度引起输出模拟电压变化的百分数定义温度系数，它包括增益温度系数和零点温度系数。它们是按整个温度范围内的平均偏差定义的。
逐次逼近式 A/D转换器原理图
AD574结构框图
AD574
AD574应用电路
V/F型 A/D转换器集成 V/F型 A/D转换器双积分形 A/D转换器双积分形 A/D转换器双积分形 A/D转换器 MC14433
频率测量测量频率的波形图测量周期原理框图测量周期的波形图测量时间间隔电路框图测量时间间隔波形图测量频率比的原理图计数器的量子化误差触发电平漂移引起的误差过零鉴相法测量相位过零鉴相法测量相位相位时间式相位计相位时间式相位计数字电压表原理框图数字电压表测直流电流数字电压表原理半波线形检波器半波线形检波器波形图全波线形检波器全波线形检波器波形图比例运算法测电阻用四端钮法测小电阻电容数字化测量脉冲调宽 A/D转换器时分割乘法器数字功率表时分割乘法器数字功率表波形图采样计算法测功率
ICL7106
ICL7106主要指标
ICL7106原理框图
ICL7106模拟部分
ICL7106数字部分
DT830数字电压表
DT830数字电压表
