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1、第第3章模拟测量方法章模拟测量方法3.1 电压测量概述电压测量概述1.电压测量的基本要求电压测量的基本要求要求：要求：(1)应有足够宽的频率范围应有足够宽的频率范围 (2)应有足够宽的电压测量范围应有足够宽的电压测量范围 (3)应有足够高的测量准确度应有足够高的测量准确度 (4)应有足够高的输入阻抗应有足够高的输入阻抗 (5)应有足够高的抗干扰能力应有足够高的抗干扰能力2.电压测量仪器的分类电压测量仪器的分类 (1)模拟式电压表模拟式电压表(2)数字式电压表数字式电压表3.2 交流电压的测量交流电压的测量3.2.1 交流电压的表征交流电压的表征1.峰值峰值UP 2.平均值平均值(3.2.1)3
2、.有效值有效值(3.2.2)波形系数波形系数(3.2.3)(3.2.4)波峰系数波峰系数2.平均值平均值3.2.2 交流电压的测量方法交流电压的测量方法1.峰值电压表峰值电压表2.平均值电压表平均值电压表3.有效值电压表有效值电压表(1)热电转换法热电转换法 (2)公式法公式法4.外差式电压表外差式电压表3.2.3 平均值电压的测量平均值电压的测量1.平均值检波器的工作原理平均值检波器的工作原理 检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值。对值的平均值。2.波形换算方法波形换算方法 当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上取得当测量任意波形
3、电压时，将从电压表刻度盘上取得的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对）的示值先除以定度系数，折算成正弦波电压（取绝对）的平均值；再按的平均值；再按平均值相等示值也相等平均值相等示值也相等的原则，用波形的原则，用波形系数换算出被测的非正弦波电压有效值。系数换算出被测的非正弦波电压有效值。平均值电压表的指针偏转角平均值电压表的指针偏转角与被测电压的平均值与被测电压的平均值成正比，但仪表盘的刻度是按正弦波电压有效值刻度的，成正比，但仪表盘的刻度是按正弦波电压有效值刻度的，故电压表的在加正弦交流电压时的指示值为故电压表的在加正弦交流电压时的指示值为定度系数定度系数 如果被测的是正弦波，又采用全
4、波检波电路，若如果被测的是正弦波，又采用全波检波电路，若已知正弦波电压有效值电压为已知正弦波电压有效值电压为1V，则全波检波后的平，则全波检波后的平均电压为均电压为 ，故，故若被测的非正弦波电压，则若被测的非正弦波电压，则再利用波形系数再利用波形系数KF救出被测电压的有效值，即救出被测电压的有效值，即非正弦波电压的有效值表：非正弦波电压的有效值表：（略）（略）例例3.2.1 用平均值表（全波式）分别测量方波及三角用平均值表（全波式）分别测量方波及三角波电压，电压表均指在波电压，电压表均指在10V位置，问被测电压的有效位置，问被测电压的有效值分别是多少？值分别是多少？对于方波，先将示值（对于方波
5、，先将示值（10V）折算成正弦波的平）折算成正弦波的平均值均值再用波形系数换算成有效值：再用波形系数换算成有效值：对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值对于三角波，因示值与方波相同，表明它的平均值也是也是9V，有效值，有效值3.误差分析误差分析 测量非正弦波电压时会存在波形误差，假设以测量非正弦波电压时会存在波形误差，假设以平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时，则平均值表的示值直接作为被测电压的有效值时，则示值绝对误差：示值绝对误差：示值相对误差：示值相对误差：4.平均值检波器电压表平均值检波器电压表3.2.4 有效值电压的测量有效值电压的测量1.有效值电压表原理有效值电压表原理电压
6、有效值的定义：电压有效值的定义：二极管的伏安特二极管的伏安特性：性：对于周期对称的电压，有对于周期对称的电压，有若设法抵消若设法抵消 的影响，则送到电流表的电流为的影响，则送到电流表的电流为另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。另一种有效值转换的方法是利用热电偶来实现的。热电偶式有效值电压表原理框图热电偶式有效值电压表原理框图利用模拟运算电路实现有效值电压的测量利用模拟运算电路实现有效值电压的测量隐含计算式隐含计算式RMS转换器原理框图转换器原理框图直流反馈计算式直流反馈计算式RMS转换器原理框图转换器原理框图经积分器后的输出电压为经积分器后的输出电压为单片半导体加热式单片半导体加热式R
7、MS转换器转换器2.有效值检波器电压表有效值检波器电压表AD536型型RMS转换器原理框图转换器原理框图AD536型型RMS转换器的连接图转换器的连接图3.2.5 峰值电压的测量峰值电压的测量1.峰值表原理峰值表原理要求：要求：2.误差分析误差分析(1)理论误差理论误差 绝对误差绝对误差相对误差相对误差(2)频率误差频率误差(3)波形误差波形误差3.波形换算方法波形换算方法刻度盘上的指示值为：刻度盘上的指示值为：定度系数定度系数若被测的是正弦波时，有若被测的是正弦波时，有正弦波的波峰系数为正弦波的波峰系数为若被测的是非正弦波时，有若被测的是非正弦波时，有Ux的有效值的有效值对于三角波，对于三角
8、波，例例3.2.3 用峰值表分别测量方波及三角波电压，用峰值表分别测量方波及三角波电压，电压表均指在电压表均指在5V位置，问被测电压有效值是多少位置，问被测电压有效值是多少？对于方波，？对于方波，4.高精度峰值检波器高精度峰值检波器3.2.6 脉冲电压的测量脉冲电压的测量1.脉冲电压表的原理脉冲电压表的原理电容器电容器C充电时充电时放电时放电时电路平衡时电路平衡时Q1=Q2理论误差理论误差代入代入Up后得后得脉冲保持电路及波形图脉冲保持电路及波形图2.高压脉冲幅值的测量高压脉冲幅值的测量单脉冲电压正峰值保持电路单脉冲电压正峰值保持电路3.尖脉冲峰值电压的测量尖脉冲峰值电压的测量4.用示波法测量
9、脉冲电压用示波法测量脉冲电压5.测量脉冲电压应注意以下几点：测量脉冲电压应注意以下几点：(1)测量脉冲幅度宜用交流耦合方式，并需注意极性测量脉冲幅度宜用交流耦合方式，并需注意极性(2)观测方波信号时应选用频带较宽的示波器观测方波信号时应选用频带较宽的示波器6.脉冲测量时电缆的终端匹配问题脉冲测量时电缆的终端匹配问题在实际测量过程中，容易产生以下两点错误：在实际测量过程中，容易产生以下两点错误：在示波器一端，除了示波器的输入阻抗之外，电缆的在示波器一端，除了示波器的输入阻抗之外，电缆的终端未得到匹配终端未得到匹配在脉冲发生器的输出端用一个外加的在脉冲发生器的输出端用一个外加的50 电阻器电阻器和
10、和50电缆相连接，而在示波器输入端电缆终端未电缆相连接，而在示波器输入端电缆终端未得到匹配得到匹配3.3 噪声电压的测量噪声电压的测量3.3.1 噪声的基本特性噪声的基本特性3.3.2 用平均值表测量噪声电压用平均值表测量噪声电压3.3.3 器件和放大器噪声的测量器件和放大器噪声的测量1.等效输入噪声等效输入噪声Uni的测量的测量(1)正弦信号法正弦信号法(2)噪声发生器法噪声发生器法(3)两种测量方法的比较两种测量方法的比较(4)测量噪声时需要考虑的问题测量噪声时需要考虑的问题带宽的影响带宽的影响平均值和波形系数平均值和波形系数测量时间的影响测量时间的影响由于白噪声呈高斯正态分布，为避免噪声
11、波峰被削由于白噪声呈高斯正态分布，为避免噪声波峰被削掉，测量过程中表头示值不得超过满刻度值的一半。掉，测量过程中表头示值不得超过满刻度值的一半。3.噪声带宽的测量噪声带宽的测量(1)正弦信号法正弦信号法(2)噪声发生器法噪声发生器法3.信噪比的测试信噪比的测试4.噪声系数的测量噪声系数的测量(1)利用噪声发生器测量噪声系数利用噪声发生器测量噪声系数(2)正弦信号法正弦信号法5.集成运算放大器噪声参数的测量集成运算放大器噪声参数的测量(1)测试原理测试原理电压噪声电压噪声电流噪声电流噪声(2)运算放大器运算放大器Uni的实用测量电路的实用测量电路(3)输入噪声电流输入噪声电流I-和和I+的测量的
12、测量3.4 分贝的测量分贝的测量3.4.1 数学定义数学定义1.功率之比的对数功率之比的对数分贝分贝(Db)2.电压比的对数电压比的对数3.绝对电平绝对电平(1)功率电平dBm(2)电压电平电压电平dBV4.音量单位音量单位(VU)3.4.2 分贝值的测量分贝值的测量分贝刻度分贝刻度3.5 失真度的测量失真度的测量3.5.1 非线性失真的定义非线性失真的定义全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比3.5.2 失真度测量仪基本工作原理失真度测量仪基本工作原理3.5.3 有源陷波电路有源陷波电路1.双双T形电路构成的无源陷波器形电路构成的无源陷波器2.双
13、双T形有源陷波器形有源陷波器例:设计一个双T形陷波器，要求在1000Hz时陷波，且陷波器的3dB带宽为50Hz。取取C=103,RT=10K3.由由RC文氏电桥组成的陷波器文氏电桥组成的陷波器电桥的元件参数关系为电桥的元件参数关系为R1=2R2,C1=C2=C,R3=R4=R采用由文氏电桥组成的有源陷波电路采用由文氏电桥组成的有源陷波电路3.5.4 失真度测量仪举例失真度测量仪举例1.基本工作原理基本工作原理仪器指示的失真度仪器指示的失真度当失真度小于当失真度小于10%时，时，当失真度大于当失真度大于10%时，应按下式加以计算修正时，应按下式加以计算修正2.失真度测量的误差分析失真度测量的误差
14、分析(1)仪器指示的失真度与理论失真度的偏差仪器指示的失真度与理论失真度的偏差(2)失真仪中的基波抑制网络很难做到将基波分量全失真仪中的基波抑制网络很难做到将基波分量全 部滤除，也很难做到对二次以上的谐波一点不衰部滤除，也很难做到对二次以上的谐波一点不衰 减，这也会造成一定的测量误差。减，这也会造成一定的测量误差。(3)测试仪器本身也会由于许多原因而产生误差。测试仪器本身也会由于许多原因而产生误差。(4)由电压表读出的失真度应扣除仪器本身的失真度。由电压表读出的失真度应扣除仪器本身的失真度。(5)若采用峰值或平均值电压表，则会引入一定误差若采用峰值或平均值电压表，则会引入一定误差(6)陷波滤波
15、器陷波滤波器(7)其它其它3.6 功率的测量功率的测量3.6.1 音频与较高频信号功率的测量音频与较高频信号功率的测量在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。在较高频率时，可采用吸收型功率表测量功率。基本的量热式功率表，被测信号把电阻器加热，使其基本的量热式功率表，被测信号把电阻器加热，使其温度上升。温度上升。测热计电桥测热计电桥热电偶功率表热电偶功率表二极管功率表二极管功率表3.6.2 误差分析误差分析3.6.3 功率表实例功率表实例射频功率表射频功率表3.7 Q值的测量值的测量3.7.1 Q表的工作原理表的工作原理被测线圈振荡波形图被测线圈振荡波形图3.7.2 用虚、实部分分离法测量阻抗
16、用虚、实部分分离法测量阻抗1.测量原理测量原理阻抗的虚、实部分离电路原理框图阻抗的虚、实部分离电路原理框图2.阻抗测量电路阻抗测量电路输出电压与量程及被测参数的关系表输出电压与量程及被测参数的关系表3.使用时的注意事项使用时的注意事项运算放大器及乘法器应注意调运算放大器及乘法器应注意调标准信号源标准信号源Es要始终保证要始终保证1V测量电容时，标准信号源的频率为测量电容时，标准信号源的频率为1KHz 测量电感与电阻时，标准信号源的频率为测量电感与电阻时，标准信号源的频率为10KHz一、一、电桥法电桥法 电桥平衡条件为电桥平衡条件为 ZXZ4Z2Z3 （）（）根据上式，可以计算出被测元件根据上式
17、，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有的量值。电桥平衡时有（）（）（）（）当被测元件为电阻元件时，取当被测元件为电阻元件时，取ZX=RX，Z2=R2，Z3=R3，Z4=R4，则图所示为一个直流电桥，且有则图所示为一个直流电桥，且有 RXR2R3R4 (7.13)测量小电阻的准确度可做到测量小电阻的准确度可做到10-5。图图7.127.12交流电桥原理电路交流电桥原理电路3.电感、电容的测量电感、电容的测量243243223411)1()1(CjRRRRRCjRCjRRRCjRXXXXvvvv+=+=+1.电桥法测电容电桥法测电容 测量电容时，桥体连接成图所示的串联电容电桥测量电容时，桥体
18、连接成图所示的串联电容电桥(维恩维恩电桥电桥)。根据电桥的平衡条件：。根据电桥的平衡条件：Z ZX XZ Z4 4Z Z2 2Z Z3 3 ，可导出，可导出 （）（）由实部相等可得由实部相等可得 由虚部相等可得由虚部相等可得（）（）（）（）（）（）串联电容电桥串联电容电桥43.电桥法测电感电桥法测电感 测量电感时，桥体连接成如图所示测量电感时，桥体连接成如图所示(麦克斯威电桥麦克斯威电桥)。被测电。被测电感接在感接在1、2两端，两端，LX是它的电感量是它的电感量RX是它的等效串联损是它的等效串联损耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导出：耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导出：麦克斯威电桥麦克斯
19、威电桥LX=R2R3C4 RX=R2R3/R4 Q=C4R4 这里只例举了两种电桥。实际这里只例举了两种电桥。实际上，不同厂家、不同型号的产品，上，不同厂家、不同型号的产品，综合了多种不同特点的电桥以获综合了多种不同特点的电桥以获得更好的性能。表给出了常用得更好的性能。表给出了常用的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。电桥设计要点：电桥设计要点：为结构简单，设计两臂为电阻。为结构简单，设计两臂为电阻。相邻两臂为电阻，另两臂则为同性阻抗相邻两臂为电阻，另两臂则为同性阻抗 相对两臂为电阻，另两臂则为异性阻抗相对两臂为电阻，另两臂则为异性阻抗 为易平衡：为易平衡
20、：多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）二、二、谐振法（谐振法（Q表）表）当回路达到谐振时，有当回路达到谐振时，有 谐振法原理图谐振法原理图且回路总阻抗为零，即且回路总阻抗为零，即 将将回回路路调调至至谐谐振振状状态态，根根据据已已知知的的回回路路关关系系式式和和已已知知元元件件的的数数值值，求求出出未未知知元元件件的的参量。参量。1谐振法测电感谐振法测电感 串联替代法测电感串联替代法测电感并联替代法测电感并联替代法测电感不接不接LX调谐调谐接接LX调谐调谐 2.谐振法测量电容谐振法测量电容 替代法测电容替代法测电容 并联替代法测小电容并联
21、替代法测小电容在在不不接接C CX X的的情情况况下下，将将可可变变电电容容C C调调到到某某一一容容量量较较大大的的位位置置，设设其其容容量量为为C C1 1，调调节节信信号号源源频频率率，使使回回路路谐谐振振。然然后后接接入入被被测测电电容容C CX X，信信号号源源频频率率保保持持不不变变，此此时时回回路路失失谐谐，重重新新调调节节C C使使回回路路再再次次谐谐振振，这这时时C C为为C C2 2，那么被测电容，那么被测电容C CX X=C C1 1-C C2 2。表的工作原理表的工作原理 Q表是由一个频率可变的高频振荡器，一只标准的可变电容表是由一个频率可变的高频振荡器，一只标准的可变
22、电容器和一个高阻抗的电子电压表组成。当谐振电路谐振时，电器和一个高阻抗的电子电压表组成。当谐振电路谐振时，电容容(或电感或电感)上的电压：上的电压：Q=XQ=XC C/R/R=1/R2f=1/R2f0 0C CQ=us/uc U US SQQ表工作原理图表工作原理图I IU Uc c 除了从电压表读出除了从电压表读出Q值外，还可以由振荡器和电容器的刻度盘值外，还可以由振荡器和电容器的刻度盘上读出上读出f和和Cs的数值，从而根据的数值，从而根据 的关系计算出线圈的电感的关系计算出线圈的电感Lx。为了方便起见，在标准电容器的。为了方便起见，在标准电容器的度盘上加一条电感刻度，那么在测量一些特定频率时，可以不度盘上加一条电感刻度，那么在测量一些特定频率时，可以不经计算而直接由刻度盘上读出经计算而直接由刻度盘上读出Lx值。值。国产国产Q表，如表，如QBG-3型的技术参数为：型的技术参数为：Q=10600，分三档，分三档，准确度准确度15%；L=0.1H100mH，分六档，准确度，分六档，准确度5%；C=1469pF，f0=50kHz50MHz，分七档，有七个特定频，分七档，有七个特定频率点。率点。标准电感标准电感