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1、第05章电压测量第1页，共197页，编辑于2022年，星期一5.1概述概述5.1.1电压测量的重要性电压测量的重要性电压是一个基本物理量，是集总电路中电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信号能量表征电信号能量的三个的三个基本参数基本参数(电压、电流、功率电压、电流、功率)之一。之一。电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础电压测量是电测量与非电测量的基础；电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：其中：
2、电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率其中：电流、功率电压，再进行测量电压，再进行测量电压，再进行测量电压，再进行测量电路工作状态：电路工作状态：电路工作状态：电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度饱和与截止，线性度、失真度电压表征电压表征电压表征电压表征非电测量中，物理量非电测量中，物理量非电测量中，物理量非电测量中，物理量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度如：温度、压力、振动、（加）速度第2页
3、，共197页，编辑于2022年，星期一电路中其他电参数电路中其他电参数(包括电流和功率，包括电流和功率，以及信号的幅度、以及信号的幅度、波形的非线性失真系数、波形的非线性失真系数、元件的元件的Q值、值、网络的频率特性和通频网络的频率特性和通频带、带、设备的灵敏度等设备的灵敏度等)都可以视做电压的派生量，都可以视做电压的派生量，通过电压测通过电压测量获得其量值。量获得其量值。最后也是最重要的是，最后也是最重要的是，电压测量直接、电压测量直接、方便方便，将电压表并接在被测电路上，将电压表并接在被测电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，只要电压表的输入阻抗足够大，就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响
4、的前提下获得较满就可以在几乎不对原电路工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。意的测量结果。第3页，共197页，编辑于2022年，星期一作为比较，作为比较，电流测量就不具备这些优点，电流测量就不具备这些优点，首先必须把电流表串接首先必须把电流表串接在被测支路中，在被测支路中，很不方便，很不方便，其次电流表的接入改变了原来电路的工作其次电流表的接入改变了原来电路的工作状态，状态，测得值不能真实地反映出原有情况。测得值不能真实地反映出原有情况。由此不难得出结论：由此不难得出结论：电压电压测量是电子测量的基础测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，在电子电路和设备的测量调试中，电压
5、测量是不可缺少的基本测量。电压测量是不可缺少的基本测量。第4页，共197页，编辑于2022年，星期一5.1.2电压测量的特点电压测量的特点第第1章中介绍的电子测量的基本特点同样在电压测量中得到章中介绍的电子测量的基本特点同样在电压测量中得到体现，体现，电压测量的特点对电压测量的主要仪器电压测量的特点对电压测量的主要仪器电压表的性能电压表的性能提出了相应的要求，提出了相应的要求，这些要求主要包括下面几个方面。这些要求主要包括下面几个方面。1.频率范围频率范围电子电路中电压信号的频率范围相当广，电子电路中电压信号的频率范围相当广，除直流外，除直流外，交流电交流电压的频率从压的频率从106 Hz(甚
6、至更低甚至更低)到到109 Hz，频段不同，频段不同，测量方法测量方法也各异。也各异。第5页，共197页，编辑于2022年，星期一 2.测量范围测量范围微弱信号微弱信号微弱信号微弱信号:心电医学信号、地震波等心电医学信号、地震波等心电医学信号、地震波等心电医学信号、地震波等,纳伏级（纳伏级（纳伏级（纳伏级（10-9V10-9V）；）；）；）；超高压信号：电力系统中，数百千伏。超高压信号：电力系统中，数百千伏。超高压信号：电力系统中，数百千伏。超高压信号：电力系统中，数百千伏。若信号电压电平低，若信号电压电平低，则要求电压表分辨力高，则要求电压表分辨力高，而这些又会受到而这些又会受到干扰、干扰、
7、内部噪声等的限制。内部噪声等的限制。若信号电压电平高，若信号电压电平高，则要考虑电压表输则要考虑电压表输入级中加接分压网络，入级中加接分压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。而这又会降低电压表的输入阻抗。3.信号波形信号波形电子电路中待测电压的波形除正弦波外，电子电路中待测电压的波形除正弦波外，还包括失真的正弦波以及还包括失真的正弦波以及各种非正弦波各种非正弦波(如脉冲电压等如脉冲电压等)，不同波形的电压的测量方法及对测量不同波形的电压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。准确度的影响是不一样的。第6页，共197页，编辑于2022年，星期一4.被测电路的输出阻抗被测电路的输出阻抗由待测电压
8、两端看去的电子电路的等效电路可以用图由待测电压两端看去的电子电路的等效电路可以用图5.1-1(b)表示，表示，其中其中Z0为电路的输出阻抗，为电路的输出阻抗，Zi为电压表的输入阻抗。在实际的电子电路为电压表的输入阻抗。在实际的电子电路中，中，Z0的大小不一，有些电路的大小不一，有些电路Z0可以小于几十欧姆，有些电路可以小于几十欧姆，有些电路Z0可能大可能大于几百千欧姆。于几百千欧姆。直流测量中直流测量中直流测量中直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使
9、测量结果偏小。量结果偏小。量结果偏小。量结果偏小。如：采用电压表与电流表测量电阻，如：采用电压表与电流表测量电阻，如：采用电压表与电流表测量电阻，如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量小电阻时，应采用电压表并联方案；当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。交流测量中交流测量中交流测量中交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。，输入阻抗的不匹配引起信号反射。，输入阻抗的不
10、匹配引起信号反射。，输入阻抗的不匹配引起信号反射。第7页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.1-1电压表测量电压及其等效电路电压表测量电压及其等效电路第8页，共197页，编辑于2022年，星期一5.测量精度测量精度由于被测电压的频率、由于被测电压的频率、波形等因素的影响，波形等因素的影响，电压测量的准确电压测量的准确度有较大差异。度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分直流测量时分布参数等的影响也可以忽略，布参数等的影响也可以忽略，因而直流电压测量的精度较高。因而直流电压测量的精度较高。目目前利用数字电压表可使直流电压测量精度前利用数字电压表可
11、使直流电压测量精度优于优于107量级量级。但但交流电交流电压测量精度要低得多压测量精度要低得多，因为交流电压必须经交流因为交流电压必须经交流/直流直流(AC/DC)变换电路变成直流电压，变换电路变成直流电压，交流电压的频率和电压大小对交流电压的频率和电压大小对AC/DC变换电变换电路的特性都有影响，路的特性都有影响，同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算，估算，因此目前因此目前交流电压测量的精度一般在交流电压测量的精度一般在10-210-4量级。量级。第9页，共197页，编辑于2022年，星期一6.干扰干扰电压测量易受外界干扰的影响，电压测量易
12、受外界干扰的影响，当信号电压较小时，当信号电压较小时，干扰往干扰往往成为影响测量精度的主要因素往成为影响测量精度的主要因素，相应要求高灵敏度电压表相应要求高灵敏度电压表(如如数字式电压表、数字式电压表、高频毫伏表等高频毫伏表等)必须具有较强的抗干扰能力，必须具有较强的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施测量时也要特别注意采取相应措施(例如正确的接线方式、例如正确的接线方式、必必要的电磁屏蔽要的电磁屏蔽)，以减少外界干扰的影响。以减少外界干扰的影响。第10页，共197页，编辑于2022年，星期一5.1.3电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类1.按显示方式分类按显示方式分类在一般工频在一般工
13、频(50 Hz)和要求不高的低频和要求不高的低频(低于几十千赫兹低于几十千赫兹)测量测量时，时，可使用一般万用表电压挡，可使用一般万用表电压挡，其他情况大都使用电子电压表。其他情况大都使用电子电压表。按显按显示方式不同，示方式不同，电子电压表分为电子电压表分为模拟式电子电压表和数字式电子电压模拟式电子电压表和数字式电子电压表表。前者以模拟式电表显示测量结果，前者以模拟式电表显示测量结果，后者用数字显示器显示测量结后者用数字显示器显示测量结果。果。模拟式电压表的准确度和分辨力不及数字式电压表，模拟式电压表的准确度和分辨力不及数字式电压表，但但由于其结构相对简单，由于其结构相对简单，价格较为便宜，
14、价格较为便宜，频率范围也宽频率范围也宽。第11页，共197页，编辑于2022年，星期一另外在某些场合并另外在某些场合并不需要准确测量电压的真实大小，不需要准确测量电压的真实大小，而只而只需要知道电压大小的范围或变化趋势需要知道电压大小的范围或变化趋势，例如作为零示器或者谐振例如作为零示器或者谐振电路调谐时峰值、电路调谐时峰值、谷值的观测，谷值的观测，此时此时用模拟式电压表反而更为直观用模拟式电压表反而更为直观。数字式电压表的优点表现在：数字式电压表的优点表现在：测量准确度高，测量准确度高，测量速度快，测量速度快，输入阻抗输入阻抗大，大，过载能力强，过载能力强，抗干扰能力和分辨率优于模拟电压表抗
15、干扰能力和分辨率优于模拟电压表。此外，此外，由于由于测量结果以数字形式输出、测量结果以数字形式输出、显示，显示，因此除读数直观外，因此除读数直观外，还便于和还便于和计算机及其他设备联用组成自动化测试仪器或自动测试系统。计算机及其他设备联用组成自动化测试仪器或自动测试系统。第12页，共197页，编辑于2022年，星期一目前由于微处理器的运用，目前由于微处理器的运用，高中档数字式电压表已普遍具有数据高中档数字式电压表已普遍具有数据存储、存储、计算及自检、计算及自检、自校、自校、自动故障诊断功能，自动故障诊断功能，并配有并配有IEEE-488或或RS232C接口，接口，很容易构成自动测试系统。很容易
16、构成自动测试系统。数字式电压表当前存在数字式电压表当前存在的不足是频率范围不及模拟式电压表宽的不足是频率范围不及模拟式电压表宽。除上面介绍的按显示方式进行的分类外，除上面介绍的按显示方式进行的分类外，还有下述几种分类还有下述几种分类方法。方法。第13页，共197页，编辑于2022年，星期一2.模拟式电压表分类模拟式电压表分类(1)按测量功能分类：按测量功能分类：分为分为直流电压表、直流电压表、交流电压表和脉冲电交流电压表和脉冲电压表压表。其中，其中，脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长脉冲电压表主要用于测量脉冲间隔很长(即占空系数即占空系数很小很小)的脉冲信号和单脉冲信号。的脉冲信号和单脉冲信号
17、。一般情况下，一般情况下，脉冲电压的测量已逐渐被脉冲电压的测量已逐渐被示波器测量所取代。示波器测量所取代。(2)按工作频段分类：按工作频段分类：分为分为超低频电压表超低频电压表(低于低于10 Hz)、低频电低频电压表压表(低于低于1 MHz)、视频电压表视频电压表(低于低于30 MHz)、高频或射频电压表高频或射频电压表(低低于于300 MHz)和超高频电压表和超高频电压表(高于高于300 MHz)。第14页，共197页，编辑于2022年，星期一(3)按测量电压量级分类：按测量电压量级分类：分为分为电压表和毫伏表电压表和毫伏表。电压表的主量程电压表的主量程为为V(伏伏)量级，量级，毫伏表的主量
18、程为毫伏表的主量程为mV(毫伏毫伏)量级。量级。主量程是指不加分主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的量程。压器或外加前置放大器时电压表的量程。(4)按电压测量准确度等级分类：按电压测量准确度等级分类：分为分为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0和和10.0等级，等级，其满度相对误差分别为其满度相对误差分别为0.05%、0.1%、10.0%。(5)按刻度特性分类：按刻度特性分类：分为线性刻度、分为线性刻度、对数刻度、对数刻度、指数刻度和指数刻度和其他有特殊需要的非线性刻度。其他有特殊需要的非线性刻度。第15页，共197页，编辑于2022年，星期一按现行国家标
19、准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、电压范围、频率范围、频率范围、频率特性误差、频率特性误差、输入阻抗、输入阻抗、峰值因数峰值因数(波峰因数波峰因数)、等效输入噪声、等效输入噪声、零点漂移等共零点漂移等共19项。项。3.数字式电压表数字式电压表（DVMDVM）分类分类数字式电压表目前尚无统一的分类标准。数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般按测量功能分一般按测量功能分为为直流数字电压表和交流数字电压表直流数字电压表和交流数字电压表。交流数字电压表按其交流数字电压表按其AC/DC变换原理分为变换原理分为峰值交流数字电压表、峰值交
20、流数字电压表、平均值交流平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表数字电压表和有效值交流数字电压表。第16页，共197页，编辑于2022年，星期一5.2模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量5.2.1动圈式电压表动圈式电压表图图5.2-1是动圈式电压表示意图。是动圈式电压表示意图。图中，虚线框内为一直图中，虚线框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流，满偏电流(或满度电流或满度电流)为为Im，若作为直流电压表，若作为直流电压表，则满度电压为则满度电压为Um=Re Im(5.2-1)例如满偏电流为例如满偏电流为50 A，电流表内阻为，电流表内阻为20 k
21、，则满偏电压，则满偏电压为为1 V。为了扩大量程，通常串接若干个倍压电阻，如图。为了扩大量程，通常串接若干个倍压电阻，如图5.2-1中中的的R1、R2、R3。第17页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.2-1直流电压表电路直流电压表电路第18页，共197页，编辑于2022年，星期一这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程U0外，外，又增加了又增加了U1、U2、U3三个电压量程，三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为(5.2-2)第19页，共197页，编辑于2022年，星期一通常把通常把内阻内阻RV与量程与量程
22、U之比定义为模拟磁电式电压表的之比定义为模拟磁电式电压表的“每伏欧每伏欧姆姆(/V)数数”，也称电压灵敏度也称电压灵敏度。“/V”数越大，表明为使指针偏转同数越大，表明为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小样角度所需的驱动电流越小。“/V”数一般标明在磁电式数一般标明在磁电式(如万用表电如万用表电压挡压挡)电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时电压表的内阻。若上面若上面列举的数据中列举的数据中Im=50 A，则，则“/V”为为“20 k/V”，用用10 V电压挡时，电电压挡时，电压表的内阻即为压表的内阻即为200 k。不难看出，给出了。不难看
23、出，给出了“/V”，实际上也就给出了，实际上也就给出了电流表的满偏电流。电流表的满偏电流。第20页，共197页，编辑于2022年，星期一动圈式直流电压表的动圈式直流电压表的结构简单，结构简单，使用方便使用方便。误差除来源于误差除来源于读数误差外，读数误差外，主要取决于表头本身和倍压电阻的准确度，主要取决于表头本身和倍压电阻的准确度，一般在一般在1%左右，左右，精密电压表可达精密电压表可达0.1%。其主要其主要缺点是灵敏度不高和输入电阻低缺点是灵敏度不高和输入电阻低，当量程较低时，当量程较低时，输入阻抗更输入阻抗更小，小，其负载效应对被测电路工作状态及测量结果的影响不可忽略。其负载效应对被测电路
24、工作状态及测量结果的影响不可忽略。相比之下，相比之下，模拟式电子电压表可以有效地提高电压表的灵敏度和模拟式电子电压表可以有效地提高电压表的灵敏度和输入阻抗。输入阻抗。第21页，共197页，编辑于2022年，星期一【例例1】在图在图5.2-2中，虚线框内表示高输出电阻的被测电路，电压中，虚线框内表示高输出电阻的被测电路，电压表表 V 的的“/V”数为数为20 k/V，分别用，分别用5 V量程和量程和25 V量程测量端量程测量端电压电压Ux，分析电压表输入电阻的影响并用公式计算来消除负载，分析电压表输入电阻的影响并用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。效应对测量结果的影响。解：解：如果是理想情
25、况，如果是理想情况，则电压表内阻则电压表内阻RV应为无穷大，应为无穷大，此时此时电压表示值电压表示值Ux与被测电压实际值与被测电压实际值E0相等，相等，即即Ux=E0=5 V第22页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.2-2测量高输出电阻电路的直流电压测量高输出电阻电路的直流电压第23页，共197页，编辑于2022年，星期一(5.2-3)相对误差为相对误差为(5.2-4)第24页，共197页，编辑于2022年，星期一将有关数据值代入式（将有关数据值代入式（5.2-3)和式和式(5.2-4)，可得：可得：5 V电压挡：电压挡：RV1=20 k/V 5 V=100 k第25页，共197页
26、，编辑于2022年，星期一25 V电压挡：电压挡：RV2=20 k/V 25 V=500 k由此不难看出，由此不难看出，电压表输入电阻尤其是低电压挡时输电压表输入电阻尤其是低电压挡时输入电阻对测量结果的影响还是相当严重的。入电阻对测量结果的影响还是相当严重的。第26页，共197页，编辑于2022年，星期一根据式根据式(5.2-3)我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，我们可以推导出消除负载效应影响的计算公式，进而计算出待测电压的近似值：进而计算出待测电压的近似值：同理可得：同理可得：第27页，共197页，编辑于2022年，星期一因此因此解出解出式中：式中：第28页，共197页，编辑于202
27、2年，星期一因此，因此，如果用内阻不同的两只电压表，如果用内阻不同的两只电压表，或者同一电压表的不同电压或者同一电压表的不同电压挡挡(此时此时k=RV2/RV1，即等于电压量程之比即等于电压量程之比)，则根据式即可由两次测得则根据式即可由两次测得值得到近似的实际值值得到近似的实际值E0。例如将本题中有关数据代入式，例如将本题中有关数据代入式，可得待测电可得待测电压近似值为压近似值为第29页，共197页，编辑于2022年，星期一除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，除了利用上面的公式计算来消除负载效应之外，当然也可以当然也可以利用其他测量方法，利用其他测量方法，如如零示法零示法(如电桥如电桥
28、)和微差法和微差法(比如利用微差电压比如利用微差电压表表)，但一般但一般操作都比较麻烦操作都比较麻烦，通常用在通常用在精密测量精密测量中。中。在工程在工程测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是测量中提高输入阻抗和灵敏度以提高测量质量最常用的办法是利利用电子电压表用电子电压表进行测量。进行测量。第30页，共197页，编辑于2022年，星期一5.2.2电子电压表电子电压表1.电子电压表的原理电子电压表的原理电子电压表中，电子电压表中，通常使用通常使用高输入阻抗的场效应管高输入阻抗的场效应管(FET)源极跟随源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻
29、抗提高电压表输入阻抗，后后接放大器接放大器以提高电压表灵敏度以提高电压表灵敏度。当需要测量高直流电压时，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压输入端接入分压电路。电路。分压电路的接入将使输入电阻有所降低，分压电路的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电阻取但只要分压电阻取值较大，值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。第31页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.2-3电子电压表框图电子电压表框图第32页，共197页，编辑于2022年，星期一 图中，图中，R0、R1、R2、R3组成组成分压器分压器。由于。由于FET源极跟随器输源极跟随器输
30、入电阻很大入电阻很大(几百几百M以上以上)，因此由，因此由Ux测量端看进去的输入电阻基测量端看进去的输入电阻基本上由本上由R0、R1等串联电阻决定，通常使它们的串联和大于等串联电阻决定，通常使它们的串联和大于10 M，以，以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗电压表的输入阻抗基本上是一个常量，与量程无关基本上是一个常量，与量程无关。第33页，共197页，编辑于2022年，星期一5.3交流电压的表征和测量方法交流电压的表征和测量方法5.3.1交流电压的表征交流电压的表征交流电压除用具体的函数关系式表达其大小随时间的变化交流电压除用具
31、体的函数关系式表达其大小随时间的变化规律外，规律外，通常还可以用通常还可以用峰值、峰值、幅值、幅值、平均值、平均值、有效值有效值等参数来表等参数来表征。征。1.峰值峰值周期性交变电压周期性交变电压u(t)在一个周期内在一个周期内偏离零电平偏离零电平的最大值称为峰值，的最大值称为峰值，用用Up表示，表示，正、正、负峰值不等时分别用负峰值不等时分别用Up+和和Up表示，表示，如图如图5.3-1(a)所示。所示。第34页，共197页，编辑于2022年，星期一u(t)在一个周期内在一个周期内偏离直流分量偏离直流分量U0的最大值称为的最大值称为幅值或振幅幅值或振幅，用用Um表示，表示，正、正、负幅值不等
32、时分别用负幅值不等时分别用Um+和和Um表示，表示，如图如图5.3-1(b)所所示，示，图中图中U0=0，且正、且正、负幅值相等。负幅值相等。2.平均值平均值u(t)的平均值的数学定义为的平均值的数学定义为按照这个定义，按照这个定义，实质上就是周期性电压的直流分量实质上就是周期性电压的直流分量U0，如如图图5.3-1(a)中虚线所示。中虚线所示。第35页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.3-1交流电压的峰值与幅值交流电压的峰值与幅值第36页，共197页，编辑于2022年，星期一在电子测量中，平均值通常指在电子测量中，平均值通常指交流电压检波交流电压检波(也称整流也称整流)以后以后的
33、平均值的平均值，又可分为又可分为半波整流平均值半波整流平均值(简称半波平均值简称半波平均值)和和全波整流全波整流平均值平均值(简称全波平均值简称全波平均值)，如图如图5.3-2所示。所示。其中，其中，图图(a)为未检波前的电压波形，为未检波前的电压波形，图图(b)、图图(c)分别为半波整分别为半波整流和全波整流后的波形。流和全波整流后的波形。全波平均值定义为全波平均值定义为(5.3-)第37页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.3-2半波和全波整流半波和全波整流第38页，共197页，编辑于2022年，星期一3.有效值有效值在电工理论中曾定义：在电工理论中曾定义：某一交流电压的有效值等
34、于这样一个直某一交流电压的有效值等于这样一个直流电压的数值流电压的数值U，即当该交流电压和数值为即当该交流电压和数值为U的直流电压分别施加于同的直流电压分别施加于同一个电阻上时，一个电阻上时，在一个周期内两者消耗的电能相等在一个周期内两者消耗的电能相等。用数学式可表示为用数学式可表示为式式(5.3-3)实质上即实质上即数学上的均方根数学上的均方根定义，定义，因此电压有效值有时因此电压有效值有时也写做也写做Urms。第39页，共197页，编辑于2022年，星期一4.波形因数、波形因数、波峰因数波峰因数交流电压的有效值、交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，平均值和峰值间有一定的关系，可分
35、可分别用波形因数别用波形因数(或称波形系数或称波形系数)及波峰因数及波峰因数(或称波峰系数或称波峰系数)表示。表示。波形因数波形因数KF定义为该电压的有效值与平均值之比定义为该电压的有效值与平均值之比波峰因数波峰因数Kp定义为该电压的峰值与有效值之比定义为该电压的峰值与有效值之比第40页，共197页，编辑于2022年，星期一不同电压波形，不同电压波形，其其KF、Kp值不同。值不同。虽然电压量值可以用峰值、有效值和平均值表征，但基于功率的概虽然电压量值可以用峰值、有效值和平均值表征，但基于功率的概念，国际、国内均念，国际、国内均以有效值作为交流电压的表征量以有效值作为交流电压的表征量，例如电压表
36、，除例如电压表，除特殊情况外，几乎都按正弦波的有效值来定度。特殊情况外，几乎都按正弦波的有效值来定度。当用正弦波的有效值定度的交流电压表测量电压时，当用正弦波的有效值定度的交流电压表测量电压时，如果被如果被测电压是正弦波，测电压是正弦波，那么很容易从电压表读数即有效值得知它的峰那么很容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值；值和平均值；如果被测电压是如果被测电压是非正弦波非正弦波，那么必须根据电压表读那么必须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法进行必要的数和电压表所采用的检波方法进行必要的波形换算波形换算，才能得到有关，才能得到有关参数。参数。第41页，共197页，编辑于2022年，星期
37、一第42页，共197页，编辑于2022年，星期一第43页，共197页，编辑于2022年，星期一5.3.2交流电压的测量方法交流电压的测量方法1.交流电压测量的基本原理交流电压测量的基本原理测量交流电压的方法很多，测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同。依据的原理也不同。其中其中最主要的最主要的是利用交流是利用交流/直流直流(AC/DC)转换电路将交流电压转换成直流电压，转换电路将交流电压转换成直流电压，然后接到直流电压表上进行测量然后接到直流电压表上进行测量。根据根据AC/DC 转换器的类型，转换器的类型，可可分成检波法和热电转换法分成检波法和热电转换法。根据检波特性的不同，根据检波特性的不
38、同，检波法又可分成检波法又可分成平均值检波、平均值检波、峰值检波、峰值检波、有效值检波有效值检波等。等。第44页，共197页，编辑于2022年，星期一2.模拟交流电压表模拟交流电压表的主要类型的主要类型1)检波检波-放大式放大式在直流放大器前面接上检波器，在直流放大器前面接上检波器，就构成了如图就构成了如图5.3-3所示的检波所示的检波-放放大式电压表。大式电压表。这种电压表的这种电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。一般将这种电压表称为高频毫伏表一般将这种电压表称为高频毫伏表(高频电压表高频电压表)或超高频毫伏表或超高频毫伏表(超高超高频电压表频电压表
39、)。例如国产例如国产DA36型超高频毫伏表，型超高频毫伏表，其测量频率范围为其测量频率范围为10 kHz1000 MHz；电压范围为电压范围为1 mV10 V(不加分压器不加分压器)。第45页，共197页，编辑于2022年，星期一输入阻抗分别为：当输入阻抗分别为：当100 kHz时，时，3 V量程，输入阻抗量程，输入阻抗100k;当当50 MHz时，时，3 V量程，输入阻抗量程，输入阻抗50 k，输入电容，输入电容2 pF。图图5.3-3检波检波-放大式电压表框图放大式电压表框图第46页，共197页，编辑于2022年，星期一2)放大放大-检波式检波式当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大
40、。为了提高交流当被测电压过低时，直接进行检波误差会显著增大。为了提高交流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后检波和推动直流电压表的测量灵敏度，可先将被测电压进行放大，而后检波和推动直流电表显示，于是构成图电表显示，于是构成图5.3-4所示的放大所示的放大-检波式电压表。这种电压表检波式电压表。这种电压表的的频率范围主要取决于宽带交流放大器频率范围主要取决于宽带交流放大器，灵敏度受到放大器内部噪，灵敏度受到放大器内部噪声的限制。通常频率范围为声的限制。通常频率范围为20Hz10 MHz，因此也称这种电压表为，因此也称这种电压表为“视视频毫伏表频毫伏表”，多用在低频、，多用在低频、视频
41、场合视频场合。例如。例如S401视频毫伏表，其频视频毫伏表，其频率范围为率范围为20Hz10 MHz；测量电压范围为；测量电压范围为100 V1 V；输入阻抗为；输入阻抗为1 M，20 pF(含义是输入阻抗可等效为电阻含义是输入阻抗可等效为电阻Ri和电容和电容Ci并联，并联，Ri1 M，Ci20 pF)。第47页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.3-4放大放大-检波式电压表框图检波式电压表框图第48页，共197页，编辑于2022年，星期一3)热偶变换式热偶变换式在对波形未知或波形复杂的电压进行测量时，例如对噪声电压在对波形未知或波形复杂的电压进行测量时，例如对噪声电压的测量、失真度
42、测量，都要求能测出电压的真正有效值。这种测量的测量、失真度测量，都要求能测出电压的真正有效值。这种测量要求要求AC/DC变换器的变换器的输出与输入电压的有效值成正比输出与输入电压的有效值成正比。利用二极。利用二极管链式检波器可以实现这种功能，但频率范围不宽，一般为几管链式检波器可以实现这种功能，但频率范围不宽，一般为几十赫兹到几百千赫兹。要实现这种功能除二极管链式检波器以十赫兹到几百千赫兹。要实现这种功能除二极管链式检波器以外，用得较多的是热偶元件。外，用得较多的是热偶元件。第49页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.3-8热电偶式电压表框图热电偶式电压表框图第50页，共197页，编
43、辑于2022年，星期一5.4低频交流电压测量低频交流电压测量通常把测量低频通常把测量低频(1 MHz以下以下)信号电压的电压表称做交流信号电压的电压表称做交流电压表或交流毫伏表。电压表或交流毫伏表。这类电压表这类电压表一般采用放大一般采用放大-检波式，检波式，检检波器多为平均值检波器或者有效值检波器波器多为平均值检波器或者有效值检波器，分别构成均值电压分别构成均值电压表和有效值电压表。表和有效值电压表。第51页，共197页，编辑于2022年，星期一5.4.1均值电压表均值电压表1.平均值检波器的原理平均值检波器的原理平均值检波器的基本电路如图平均值检波器的基本电路如图5.4-1(a)所示，所示
44、，4只性能相同只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路的二极管构成桥式全波整流电路，图图(c)是其等效电路，是其等效电路，整流整流后的波形为后的波形为|ux|，整流器可等效为整流器可等效为Rs串联一电串联一电压源压源|ux|,Rm为电流表内阻，为电流表内阻，C为滤波电容，为滤波电容，滤除交流成分滤除交流成分,避免指针避免指针避免指针避免指针摆动摆动摆动摆动。将将|ux|用傅里叶级数展开，用傅里叶级数展开，其直流分量为其直流分量为第52页，共197页，编辑于2022年，星期一(5.4-1)恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流恰为其整流平均值，加在表头上，流过表头的电流I0正比于，正比于，即
45、正比于全波整流平均值。即正比于全波整流平均值。|ux|傅里叶展开式中的基波和各高次谐波傅里叶展开式中的基波和各高次谐波均被并接在表头上的电容均被并接在表头上的电容C旁路而不流过表头，因此，旁路而不流过表头，因此，流过表头的仅流过表头的仅是和平均值成正比的直流电流是和平均值成正比的直流电流I0。为了改善整流二极管的非线性，。为了改善整流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图实际电压表中也常使用图(b)所示的半桥式整流器。所示的半桥式整流器。第53页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.4-1平均值检波器平均值检波器I0u(t)D1D2D3D4C第54页，共197页，编辑于2022年，星期
46、一2.检波灵敏度检波灵敏度表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度Sd，定定义为义为对于图对于图5.4-1(a)所示的全波桥式整流器，所示的全波桥式整流器，可导出：可导出：第55页，共197页，编辑于2022年，星期一若若ux(t)=Um sint,则根据表则根据表5.3-1有有所以所以(5.4-5)如果如果Rd=500,Rm=1 k，则由式则由式(5.4-5)得得Sd=1/3140。要提高测量灵敏度，要提高测量灵敏度，应减小应减小Rd和和Rm。第56页，共197页，编辑于2022年，星期一由于二极管是非线性器件，由于二极管是非线性器件，
47、当电压较低时，当电压较低时，Rd急剧增大至几急剧增大至几k到几十到几十k，Sd急剧下降，急剧下降，因此因此不宜用这种检波器直接测量不宜用这种检波器直接测量0.5 V以下的电压以下的电压。3.输入阻抗输入阻抗可以证明，可以证明，对于图对于图5.4-1(a)所示的均值整流器，所示的均值整流器，其输入阻抗其输入阻抗Ri=2Rd+Rm 仍设仍设Rd=500,Rm=1 k(这是常规的数值这是常规的数值)，则则Ri约为约为1.8 k，可见可见均值检波器输入阻抗很低均值检波器输入阻抗很低。第57页，共197页，编辑于2022年，星期一4.均值电压表均值电压表由于由于均值检波器的检波灵敏度具有非线性特性且输入
48、阻抗过低均值检波器的检波灵敏度具有非线性特性且输入阻抗过低，因此以均值检波器为因此以均值检波器为AC/DC变换器的均值电压表一般都设计成变换器的均值电压表一般都设计成放放大大-检波器检波器。放大器的主要作用是放大被测电压，提高测量灵。放大器的主要作用是放大被测电压，提高测量灵敏度，使检波器工作在线性区域，同时它的高输入阻抗可以大敏度，使检波器工作在线性区域，同时它的高输入阻抗可以大大减小负载效应。大减小负载效应。第58页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.4-2为为JB-1B型交流电压表的部分电路，型交流电压表的部分电路，它在放大器后接它在放大器后接了一个全波桥式整流器了一个全波桥式
49、整流器(由由VD1VD4 4只二极管组成的均值检波器只二极管组成的均值检波器)，可以在可以在2 Hz500 kHz的频率范围内测量的频率范围内测量50 V300 V的电压的电压(最小量最小量程程1 mV)。图图5.4-2中，中，R1、C2组成滤波器；组成滤波器；R2、VD5为线性补偿为线性补偿电路电路，当信号电压较低时，由于，当信号电压较低时，由于Sd具有非线性，因此表头电流偏具有非线性，因此表头电流偏小，此时小，此时R2、VD5的分流作用也减小，使表头电流有所增加，起的分流作用也减小，使表头电流有所增加，起到线性补偿作用。当信号频率过低到线性补偿作用。当信号频率过低(210 Hz)时，阻尼开
50、关时，阻尼开关S闭合，闭合，以避免表针摆动。以避免表针摆动。第59页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.4-2JB-1B型电压表的原理图型电压表的原理图第60页，共197页，编辑于2022年，星期一图图5.4-3为为DA-16型均值电压表的结构原理图。型均值电压表的结构原理图。DA-16型电压表是型电压表是一种典型的均值电压表，一种典型的均值电压表，其其主要技术指标主要技术指标包括：包括：频率范围为频率范围为20 Hz1 MHz；电压范围为电压范围为100 V300 V(-72+52 dB)；输入阻抗为输入阻抗为1 mV0.3 V时优于时优于1 M70 pF,1300 V时优于时优于