什麼是 DVM?
DVM就是數字電壓表(Digital Voltmeter)的縮寫,望文生義,自然它代表著以數字直接顯示電壓大小的儀表,早些年只有在高級精密裝備上才用得起它,但是晚近由於積體技術的發達和普遍化,已使得一般性的設備也普遍的採用它作為標準裝具,在市面上也可以用很合理的價格購得,在同等精密等級上,它並不比指針式的電表貴多少。
為什麼DVM那麼受人歡迎和重視呢?第一個有利的條件是它具有優異的精確度,如一個3½位數字的DVM,通常具有±0.05%的精確度。第二個有利的條件是它數的讀取值方式合乎人們的書面記錄習慣,看到的就是要記下的,不必費心斟酌。第三個有利的條件是顯示確實,不必在如指針時代須搖頭晃腦估計位置,甚至加上鏡面幫助讀取。第四個有利的條件是易於自動化工作,減少換檔的麻煩。並且對外加插換電路也可自動配合,有較佳的適應性。這些條件都使得DVM漸漸取代了傳統式的指針讀取裝置,奪取了許多年來「電磁測定」的地位,但這並不是說就沒有缺點了,因為第一它必須有自己的電源,有時它甚至用了比受測電路所需更多的功率。第二它對連續變動和暫態變動量的測量也不及指針式的方便。──雖然它對變動監視有特長。第三它不適於作為簡便儀表,在高精度測量時它是很值得採用的裝備,而在一般不須如此精密的場合它還是嫌太貴了些,妳並不能以一只表頭的價格來買不二位數字DVM去監看電源電壓。
那為什麼DVM那麼貴呢?這就是要從類比和數字談起了,在我們的生活中的大多數事情都是連續性的,時間是連續的,人的運動是連續的,物的移動也是連續的,所謂登高必自卑,行速必自邇,在電量上也是一樣,在我們平時所使用的「單位」只是人類為了計算和記載方便,所硬性給予一個數值的區分,公尺、公里如是,伏特、安培亦如是,即使是一粒電子的帶電量也不是絕對不可再予分割的,這些連續的量我們稱之為類比量,而在一般傳統式的計測都是測量出「有多少」然後再依既定的標準劃分,單位依需要而訂定,數值也依需要而伸縮,整個量本身依然還是連續的,雖然我們無法在指示上讀取到更多有效位數的讀數,但這個數值依然表示在儀表上,所不能讀得只是刻度和眼睛,並非指示不足,像往常所用的指針式儀表、示波器、曲線圖等等均如是,通稱之為類比式。數字式則不然,它是先由人定下一個數值所代表的量,然後再去衡量所測定的未知量有多少個既定量,若以尺為單位則可計量比一個「尺」多的單位,但不能計量出不足一尺的餘數,因為數字式只負責測量不負責估計,因此若取愈小的量為基準,則可得到愈精準的計量值。由上述可知類比式是由人自己去估計量的大小(早需憑藉著刻度的幫助),而數字式則由電路進行計量,顯然的要取代人的這一部份電路是相當複雜,所使用的元件也較昂貴,因此使得數字式儀表還經常在頭痛的價格問題上令人ㄔ于。
DVM如何工作
既然一般需要計量的電壓是屬於類比量,那麼在轉換成數字顯示就必須先將之轉換成可以計數的形式,作這個工作的單元我們稱之為類比到數位轉換器(Analog to Digital Converter),簡稱為A/D轉換器,轉換出來的數字式信號再輸入計數器中記數,所計得數值即是被測電壓的數值,而結果是否精確全看所訂的單位數值是否精確,和計數標準是否可靠。下面簡述幾種常用的A/D轉換器的基本結構作為參考。
1. 逐次比較式(Succesive approximation): 這是一種比較基本的轉換方式,它的基本原理是由一個D/A轉換器將機內的計時脈衝依次累積成為類比式的電壓,然後將此電壓和輸入的未知電壓相比較,當輸入電壓大於計時產生電壓時,比較器的輸出使計數器計算計時脈衝,當輸入電壓和計時產生電壓相等時,比較器立即變換狀態禁止計數器計數,此時所計得的數值自然和輸入未知電壓成比例,如果我們使用已經校準的D/A變換電壓,則可得到準確的未知電壓值,若D/A轉換器內的每一累積脈衝值分得越細,那可測得的精確度也越高。至於D/A轉換器(Digital to Analog Converter)的作用正好和A/D轉換器相反,它是把數字式的信號變成類比式的電壓,這可簡單的藉按比例相加的BCD信號來達成。這種方式是早期A/D轉換的典型,速度式中,也不太複雜,但是有易受外界雑訊干擾的缺點。
2. 電壓──頻率變換式: 有計頻器的人大多會想用這個方法,因為這個方法的成本較低,並很易於和計頻器連結,成為計頻器的外圍附加裝置。電壓──頻率變換器又稱為壓控振盪器(Voltage Control Oscillator)簡稱為VCO,就是以電壓來控制頻率的高低,很顯然得如果兩者間存有良好的線性關係,我們將此頻率送入計頻器去計算和顯示,再加以變換單位和比例,即可直接從計頻器上讀出電壓值。VCO經常受到線性和溫度穩定性的限制而無法在精密度上來發展,但是由於IC的進步技術,已可將之控制在一個小範圍內,譬如Intersil出品的VCO IC 8038的AC和AM型,已將線性控制在0.1%以下(FM Linearity),而溫度係數也只有20ppm/℃,變換範圍達1000=1,頻率範圍更由0.001Hz~1MHz,足見擔當此任,可惜在國內賣得太貴了些,至乏人問津,至於具體線路可參考本刊白金弘君在實驗台上發表的研究報告。當使用VCO時可能會造成電壓歸零頻率不歸零,或是低電壓時線性不佳,有時必須藉助負回授脈衝或預減脈衝來修正這個缺點,同時在低電壓時得雜訊干擾也需特別注意。
3. 斜面轉變式(Ramp Conversion): 顯然的,這種方法和逐次比較式很相似,但是卻簡省多了,它用一個斜面電壓生產器(精確點獎,就是一個高線性三角波或鋸齒波產生器)來取代D/A變換器產生電壓,這個斜面電壓由零開始作很線性的提升,同時在比較器中和受測位之電壓相比較,如同逐次比較式一樣,當兩者相等時比較器就禁止計數器計數,由於斜面電壓的值和運行時間是成正比例的,所以當計數器截止時的電壓成比例,而這時的斜面電壓也就等於受測未知電壓,因而可得出受測電壓值,由此可知,將此時區控制信號送入時區計數器中即可直讀未知電壓值。這種方法是電路最簡單,並且成本也最低的,其精確度為斜面電壓產生器的線性所左右,而且也易受雜訊干擾,常用於簡易型的儀表中。
4. 雙斜轉換式: (Dial-Slope Method或Dual Ramp Convertsion)=: 這種方式很普遍的為一般儀表所採用,是一種很適宜設立單一DVM的方法,它使用一個積分器,將輸入未知電壓Ex積分一個固定週期(也就是說向積分器內的電容器充電一定的時間),然後將輸出改接反極性的參考電壓源,使積分器電容放電,並用比較器監視放電電壓至與積分前電壓相等時為止,而計數器則計量此放電週期的長度,因由電容貯電定則得知,儲電量Q=CxEx,充電週期T=RxC,當T小於將C充至Ex所需的時間時,C被充的電量大小和Ex成正比,亦和T成正比,同樣的在放電週期中,C1中的固定儲電量向Eref放電,放電時間t和儲電量成正比,而和Eref成反比,因儲電量在充放電週期中均一樣多,故而
和T為已知,只要測出t即知Ex。此種方式因為充放電的非線性在相對動作中抵銷,R.C.兩者又為共用,故而零件的誤差而被抵銷,並且不需使用準確的參考時基或頻率,如果將T選擇為電源頻率週期的整數倍,還可使之具有積分性,也就是可摒除電源頻率的干擾,因為輸入信號都要經過積分,如果沒有已裝好的計頻器或週期計量儀時,雙諧轉換式可以提供一個較適宜的3~4位DVM裝置。
5. 電量移減法(Charge Subtraction): 此法和雙斜轉換式有些相似,它同樣的使用積分器,由Ex向積分電容充電一個固定週期,然後由一個固定電量產生器送出一個放電流脈波,因為這個脈波的寬度是一定的,電流量也是一定的,所以積分電容每次放出固定的電量,固定電量產生器不斷的送出放電電流脈波從積分電容中移去電量,直至比較器察覺電容器的端電壓與為充電前一致為止,計算所送出的脈波個數,即可得知受測未知電壓值。同樣的選擇適當的T可以得到摒除電源干擾的積分性,如果電量產生器夠精密,則它能有很好的精確度。
6. 搏寬調變式(Pulse Width Modulation): 此式也使用了積分器作為輸入未知電壓得充電電路,積分後的電壓e1在比較器中與一標準三角波進行比較,當積分電壓e1大於三角波電壓e2時(指暫態值,如三角波負半週即是),比較器就控制輸入部份轉接至一參考電壓 -Eref使積分器由R向之放電,而在積分電壓e1小於三角波電壓e2時,則輸入改接至+Eref向積分器充電,由之可知放電時間T1和充電時間T2的大小由Ex的大小不同而左右,右Ex愈大前T1愈長T2愈短,反之則T1愈短T2愈長,當T1>T2則Ex為正,T2>T1則Ex為負,在零點時T1=T2,在每一週期(T1+T2)中,+Eref和-Eref的平均值相互抵銷,使輸出e1成為恆定平均值,由之可知若三角波有良好的線性,則比較器所輸出的控制電壓週期中,T1-T2就和輸出Ex成比例,成為脈寬式的調變,可得出Ex=Es(T1-T2)/(T1+T2).對T1-T2計數即可得出Ex電壓值,並且還可自動辨別Ex的極性,由+~- 的動作為連續性的,即使用來作零位調整也是很便利的。當T1+T2為電源週期的整數倍時亦具有積分性,同時對積分器與比較器的零件和偏置電壓的誤差亦不甚在乎。
7. 電壓──脈波變換器(Voltage Pulse Conversion): 這個方法和VCO有些類似,但是它所滋生的是脈波,並且在低壓範圍顯然有較佳的線性。它的輸入未知電壓同樣也送入積分器積分,然後經由一個電平比較器和一設定電壓相比較,當輸入電壓時,比較器立即送出一個電量和積分器中充電值相等的脈衝至積分器,使積分電容放電至零值,然後再由未知電壓向積分器充電,繼續下一個循環。若未知受測電壓愈大,則充電速度必愈快(充至設定值),愈小則充電時間愈長,計算單位時間內比較器送出的脈波個數,則可知電壓值大小,如果使此單位時間成為電源頻率週期的整數倍,又可得到對付電源干擾的積分性了。此法可使電壓連續轉變成脈衝列,使用尚稱方便,但在輸入受測電壓較小時易受雜訊干擾,但因可直接用計頻器對脈波度量,所以亦不失為一簡易實用的方法。
綜觀上面幾種現在較為普遍的轉換方式,可看到由簡易到精密並備,在不同環境條件下可以有很好的選擇範為利用,個人可依資本和用途的不同稍加斟酌,挑選最有利的一種方法製作出實用的DVM。
近些年來由於使用的需求,DVM又滋生了DMM和DPM兩種形式,所謂DMM(Digital Multi Meter)就相當於現在常用的三用電表,只是它的範圍更廣了,通常使用3½位的顯示體,進行交直流電壓電流和電阻的測試,範圍可由0.1mV測至1,999V,1uA~2A,1Ω~2MΩ、有時甚至能測量電容量,這種電表通長製成整體出售,體積亦很小,並且有些製品還能用電池操作。DPM(Digital Panel Meter)類似今日一般用的單用途表頭,只有一個固定檔可使用,通常亦以3½位的為多,使用於一些不必有多功能的儀表板上,用以調整或監視電壓電流之用,惜受售價限制,不易和指針式表頭一較長短。而一般通稱的DVM已漸成高精密數字式測試儀表的代名詞,此種裝置常具備一個可替換輸入功能單元的標準框架,在利用某種單元時,只要將插換單元(Plug-in Unit)插入框架即可,如此可減省不少分別購置高精密儀表的費用,只須有一個高精密表頭和標準架,再選購需用的插換單元即可,對日後擴大功能亦很簡便。
對一個Hi-Fi業餘者來說,擁有一個DVM或DMM或許是太奢侈了些,但是人往高處爬,水往低處流,對數字式儀表的發展多一些認識總是好的,況且晚近由於IC和 LSI 的迅速發展,DMM的價格已大為降低了,也許數年後也如同今日的計算機一般亦未可知,藉著科技的進步協助,自製一個DMM也不是什麼難事了,願與諸君同拭目以待之。
,轉載音響技術第18期 JUN. 1977 DVM與A-D轉換器/羽 臣
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