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1、传感技术与电子测量传感技术与电子测量主讲教师：赵珂主讲教师：赵珂第第3 3章章 电压测量电压测量3.1 3.1 概概 述述3.2 3.2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量3.3 3.3 交流电压表征和测量方法交流电压表征和测量方法3.4 3.4 模拟交流电压表模拟交流电压表3.5 3.5 电压的数字式测量电压的数字式测量3.1 3.1 概概 述述一、电压测量的重要性一、电压测量的重要性 电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电信号能量的三个基本参数号能量的三个基本参数(电压、电流、功率电压、电流、功率)之一，电之一，电压测量是电子测量中的基本内容。
2、压测量是电子测量中的基本内容。在电子电路中，电路的工作状态如谐振、平衡、在电子电路中，电路的工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压形式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它式表现出来。电子设备的控制信号、反馈信号及其它信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多信息，主要表现为电压量。在非电量的测量中，也多利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。利用各类传感器件装置，将非电参数转换成电压参数。电路中的电流和功率，信号的调幅度、波形的非电路中的电流和功率，信号的调幅度、波形的非线性失真系数、元件的线性失真系
3、数、元件的Q Q值、网络的频率特性和通频带、值、网络的频率特性和通频带、设备的灵敏度等，都可以视作电压的派生量，通过电设备的灵敏度等，都可以视作电压的派生量，通过电压测量获得其量值。压测量获得其量值。电压测量直接、方便，将电压表并接在被测电路电压测量直接、方便，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，几乎不对原电路上，只要电压表的输入阻抗足够大，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。工作状态有所影响的前提下获得较满意的测量结果。电流测量就不具备这些优点，首先须把电流表串电流测量就不具备这些优点，首先须把电流表串接在被测支路中，很不方便，其次电流表的接入改变接
4、在被测支路中，很不方便，其次电流表的接入改变了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原了原来电路的工作状态，测得值不能真实地反映出原有情况。有情况。结论：电压测量是电子测量的基础，在电子电路结论：电压测量是电子测量的基础，在电子电路和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测和设备的测量调试中，电压测量是不可缺少的基本测量。量。二、电压测量的特点二、电压测量的特点l.l.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，除直流电子电路中电压信号的频率范围相当广，除直流外，交流电压的频率从外，交流电压的频率从1010-6-6(甚至更低甚至更低)到到10109 9HzHz，频段，频段不同
5、，测量方法手段也各异。不同，测量方法手段也各异。2 2测量范围测量范围 电子电路中待测电压的大小，低至电子电路中待测电压的大小，低至1010-9-9V V，高到几，高到几十伏，几百伏甚至上千伏。信号电压电平低，就要求十伏，几百伏甚至上千伏。信号电压电平低，就要求电压表分辨力高，而这些又会受到干扰、内部噪声等电压表分辨力高，而这些又会受到干扰、内部噪声等的限制，信号电压电平高，就要考虑电压表输入级中的限制，信号电压电平高，就要考虑电压表输入级中加接分压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。加接分压网络，而这又会降低电压表的输入阻抗。3 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，还包
6、括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各种非正弦波失真的正弦波以及各种非正弦波(如脉冲电压等如脉冲电压等)，不同，不同波形电压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。波形电压的测量方法及对测量准确度的影响是不一样的。4 4被测电路的输出阻抗被测电路的输出阻抗 由待测电压两端看去的电子电路的等效电路，可以由待测电压两端看去的电子电路的等效电路，可以用下图表示，其中用下图表示，其中Z Z。为。为电路的输出阻抗，电路的输出阻抗，Z Zi i为电压表为电压表输入阻抗。输入阻抗。在实际电路中，在实际电路中，Z Z0 0的大小不一，有些电路的大小不一，有些电路Z Z0 0很低，很
7、低，可以小于几十欧姆，有些电路可以小于几十欧姆，有些电路Z Z0 0很高，可能大于几百千很高，可能大于几百千欧姆。电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，欧姆。电压表的负载效应对测量结果的准确度有影响，尤其是对输出阻抗尤其是对输出阻抗Z Z0 0比较高的电路。比较高的电路。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 5 5测量精度测量精度 由于被测电压的频率、波形等因素的影响，电由于被测电压的频率、波形等因素的影响，电压测量的准确度有较大差异。压测量的准确度有较大差异。电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分电压值的基准是直流标准电压，直流测量时分布参数等的影响也可以忽略，因而直流
8、电压测量的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。目前利用数字电压表可使直流电压测量精度较高。目前利用数字电压表可使直流电压测量精度优于精度优于1010-7-7量级。量级。交流电压测量精度要低得多，交流电压须经交流电压测量精度要低得多，交流电压须经 ACACDCDC变换电路变成直流电压，交流电压的频率和变换电路变成直流电压，交流电压的频率和电压大小对电压大小对ACACDCDC变换电路的特性都有影响，同时变换电路的特性都有影响，同时高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算，高频测量时分布参数的影响很难避免和准确估算，因此交流电压测量的精度一般在因此交流电压测量的精度一般在1010
9、-2-21010-4-4量级量级。6 6干扰干扰 电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较电压测量易受外界干扰影响，当信号电压较小时，干扰往往成为影响测量精度的主要因素，相小时，干扰往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应要求高灵敏度电压表(如数字式电压表、高频毫伏如数字式电压表、高频毫伏表等表等)必须具有较高的抗干扰能力，测量时也要特别必须具有较高的抗干扰能力，测量时也要特别注意采取相应措施注意采取相应措施(例如正确的接线方式，必要的电例如正确的接线方式，必要的电磁屏蔽磁屏蔽)，以减少外界干扰的影响。，以减少外界干扰的影响。三、电压测量仪器的分类三、电压测量仪器的分类1 1显示
10、方式：模拟式电子电压表和数字式电子电压表。显示方式：模拟式电子电压表和数字式电子电压表。2 2模拟式电压表分类：模拟式电压表分类：(1)(1)测量功能：直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。测量功能：直流电压表、交流电压表和脉冲电压表。(2)(2)工作频段：分为超低频电压表工作频段：分为超低频电压表(低于低于10Hz)10Hz)、低频电压、低频电压表表(低于低于1 MHz)1 MHz)、视频电压表、视频电压表(低于低于30MHz)30MHz)、高频或射、高频或射频电压表频电压表(低于低于300MHz)300MHz)和超高频电压表和超高频电压表(高于高于300MHz)300MHz)。(3)(3)测
11、量电压量级：分为电压表和毫伏表。电压表的主量测量电压量级：分为电压表和毫伏表。电压表的主量程为程为V(V(伏伏)量级，毫伏表的主量程量级，毫伏表的主量程mV(mV(毫伏毫伏)量级。量级。主量程是指不加分压器或外加前置放大器时电压表的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。量程。(4)(4)电压测量准确度等级：分为电压测量准确度等级：分为0.05 0.05、0.10.1、0.20.2、0.50.5、1 01 0、l.5l.5、2.52.5、5.05.0和和10.010.0等级。等级。(5)(5)刻度特性：可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度刻度特性：可分为线性刻度、对数刻度、指数刻度
12、和其他非线性刻度。和其他非线性刻度。（6 6）测量原理：峰值表、均值表、有效值表。）测量原理：峰值表、均值表、有效值表。按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有按现行国家标准，模拟电压表的主要技术指标有固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输固有误差、电压范围、频率范围、频率特性误差、输入阻抗、峰值因数入阻抗、峰值因数(波峰因数波峰因数)、等效输入噪声、零点、等效输入噪声、零点漂移等共漂移等共1919项。项。3 3数字式电压表数字式电压表 数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般数字式电压表目前尚无统一的分类标准。一般按测量功能分为直流数字电压表和交流数字电压表。按测量功能分为直流数字
13、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ACACDCDC变换原理分为峰值交流变换原理分为峰值交流数字电压表、平均值交流数字电压表和有效值交流数字电压表、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。数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、数字式电压表的技术指标较多，包括准确度、基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入基本误差、工作误差、分辨力、读数稳定度、输入阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比阻抗、输入零电流、带宽、串模干扰抑制比(SMR)(SMR)、共模干扰抑制比共模干扰抑制比(CMR)(CMR)、波峰因数等波峰因数等3030项指标。项指标。3.2 3.
14、2 模拟式直流电压测量模拟式直流电压测量 一、动圈式电压表一、动圈式电压表 下图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻下图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为为R Re e，满偏电流满偏电流(或满度电流或满度电流)为为I Im m，若作为直流电压若作为直流电压表，满度电压表，满度电压直流电压表电路直流电压表电路 例如满偏电流为例如满偏电流为50 A50 A，电流表内阻为电流表内阻为20k 20k，则满偏电压为则满偏电压为1V1V。为了扩大量程，通常串接若干倍压为了扩大量程，通常串接若干倍压电阻电阻 。这样除了不串接倍压电阻的最。这样除了不串接倍压电阻的最小电压量程小电压量程U U0
15、 0外，又增加了外，又增加了 三个电压三个电压量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为量程，不难计算出三个倍压电阻的阻值分别为 例例1 1 下图虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压下图虚框内表示高输出电阻的被测电路，电压表表V V的的“VV数为数为20k 20k V V，分别用分别用5V5V量程和量程和25V25V量程测量端电压量程测量端电压U Ux x，分析输入电阻的影响及用公分析输入电阻的影响及用公式计算来消除负载效应对测量结果的影响。式计算来消除负载效应对测量结果的影响。解：理想情况，电压表内阻解：理想情况，电压表内阻R Rv v应为无穷大，此时电应为无穷大，此时电压表示值压表示值U U
16、x x，与被测电压实际值与被测电压实际值E E0 0相等：相等：当电压表输入电阻为当电压表输入电阻为R Rv v时，电压表测得值：时，电压表测得值：直流电压的相对误差：直流电压的相对误差：将有关数据值代入上面两式，可得将有关数据值代入上面两式，可得5V5V电压档：电压档：R Rv1v120k 20k V X 5VV X 5V100k100k 25V25V电压档：电压档：R Rv2v220k 20k V X 25VV X 25V500k 500k 不难看出电压表输入电阻尤其是低电压档时输不难看出电压表输入电阻尤其是低电压档时输入电阻对测量结果的影响。入电阻对测量结果的影响。推导出消除负载效应影响
17、的计算公式，进而计算出待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：测电压的近似值：同理可得同理可得 因此因此解出解出 因此，如果用内阻不同的两只电压表，或者同一因此，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档电压表的不同电压档(此时此时 即等于电压即等于电压量程之比量程之比)，根据上述两式，即可由两次测得值得到，根据上述两式，即可由两次测得值得到近似的实际值近似的实际值E E0 0。将本题中有关数据代入可得待测电。将本题中有关数据代入可得待测电压近似值压近似值 二、电子电压表二、电子电压表 1 1电子电压表原理电子电压表原理 电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场
18、效应电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管管(FET)(FET)源极跟随器提高电压表输入阻抗源极跟随器提高电压表输入阻抗(几百几百MM以以上上)，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压电路量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压电路的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电阻取的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电阻取值较大（通常使它们的串联和大于值较大（通常使它们的串联和大于10M 10M，以满足，以满足高输入阻抗的要求），仍然可以使输入电阻较动圈高输入阻抗的要求），仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。所
19、以在这种结构下，电压表的输式电压表大得多。所以在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。入阻抗基本上是个常量，与量程无关。电子电压表框图电子电压表框图 2 2调制式直流放大器调制式直流放大器 上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大上述使用直流放大器的电子电压表中，直流放大器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高。为此，电器的零点漂移限制了电压表灵敏度的提高。为此，电子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑子电压表中常采用调制式放大器代替直流放大器以抑制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。制漂移，可使电子电压表能测量微伏量级的电压。微弱的直流电压信号经调制器微弱的直流
20、电压信号经调制器(又称斩波器又称斩波器)变换变换为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为为交流信号，再由交流放大器放大，经解调器还原为直流信号直流信号(幅度已得到放大幅度已得到放大)。振荡器为调制器和解调振荡器为调制器和解调器提供固定频率的同步控制信号。器提供固定频率的同步控制信号。调制器工作原理调制器工作原理 解调器工作原理和各点波形示于上图。其中图解调器工作原理和各点波形示于上图。其中图(a)(a)中中K KD D是是与调制器中与调制器中K KM M同步动作的机械式振子开关同步动作的机械式振子开关或场效应管电子开关，或场效应管电子开关，C C为隔直流电容，正是由于它为隔直流电容，正是
21、由于它的隔直流作用，使放大器的零点漂移被阻断，不至传的隔直流作用，使放大器的零点漂移被阻断，不至传输到后面的直流电压表表头。输到后面的直流电压表表头。R R为限流电阻，为限流电阻，构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。解调器构成滤波器，滤波后得到放大后的直流信号。解调器中各点波形示于图中各点波形示于图(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)。交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振交流放大器一般采用选频放大器，只对与图中振荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和荡器同频率的信号进行放大而抑制其他频率的噪声和干扰。干扰。3.3 3.3 交流电压表征和测量方法交流电压表征和测量方法 一、
22、交流电压的表征一、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规律外，通常还可以用峰值、平均值、有效间的变化规律外，通常还可以用峰值、平均值、有效值等参数来表征。值等参数来表征。1 1峰值：峰值：周期性交变电压周期性交变电压U U(t t)在一个周期内偏离零电在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值，用平的最大值称为峰值，用U Up p表示表示，正、负峰值不等时，正、负峰值不等时分别用分别用U Up p+和和U Up p-表示。表示。2 2平均值平均值u u(t t)的平均值的平均值 的数学定义为的数学定义为按照定义按照定义 实质上
23、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U U0 0 在电子测量中，平均值通常指交流电压检波在电子测量中，平均值通常指交流电压检波(也称也称整流整流)以后的平均值以后的平均值，可分为半波整流平均值，可分为半波整流平均值(半波平半波平均值均值)和全波整流平均值和全波整流平均值(全波平均值全波平均值)。全波平均值。全波平均值定义为定义为如不另加说明，本章所指平均值均为全波平均值。如不另加说明，本章所指平均值均为全波平均值。半波和全波整流半波和全波整流 3 3有效值有效值 定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值定义：某一交流电压的有效值等于直流电压的数值U U，当该交流电压和直流
24、电压分别施加于同一电阻上时，当该交流电压和直流电压分别施加于同一电阻上时，在一个周期内两者产生的热量相等。其数学表达式在一个周期内两者产生的热量相等。其数学表达式可表示为可表示为 4 4波形因数、波峰因数波形因数、波峰因数 交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的交流电压的有效值、平均值和峰值间有一定的关系，可分别用波形因数关系，可分别用波形因数(或称波形系数或称波形系数)及波峰因及波峰因数数(或称波峰系数或称波峰系数)表示。表示。波形因数波形因数K KF F，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K KP P ，定义为该电压的峰值与有效值之比定义为
25、该电压的峰值与有效值之比不同波形交流电压的参数不同波形交流电压的参数 一、均值电压表一、均值电压表1 1组成与特点组成与特点组成：放大检波式组成：放大检波式用途：用途：测量低频测量低频(1MHz(1MHz以下以下)信号电压信号电压特点：表头指示（特点：表头指示（I）正比被测电压的平均值（）正比被测电压的平均值（U ），），与波形无关；与波形无关；测频范围主要受宽带放大器的限制，测频范围主要受宽带放大器的限制，20Hz20Hz1010MHz 灵敏度受放大器内部噪声的限制，灵敏度受放大器内部噪声的限制，mV级级3.4 3.4 模拟交流电压表模拟交流电压表2 2平均值检波器原理平均值检波器原理 平均
26、值检波器的基本电路如下图所示，平均值检波器的基本电路如下图所示，4 4只性能只性能相同的二极管构成桥式全波整流电路，图相同的二极管构成桥式全波整流电路，图(c)(c)是其等是其等效电路，整流后的波形为效电路，整流后的波形为 ，整流器可等效为，整流器可等效为R Rs s串联一电压源串联一电压源 ，R Rm m为为电流表内阻，电流表内阻，C C为滤波电为滤波电容，滤除交流成分。将容，滤除交流成分。将 用付里叶级数展开，其用付里叶级数展开，其直流直流 整流后的平均电压加在表头上，故流过表头的电流整流后的平均电压加在表头上，故流过表头的电流I I0 0正比于正比于 ，即正比于全波整流平均值。，即正比于
27、全波整流平均值。付付里叶展开式中的基波和各高次谐波，均被并接在表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头上的电容 C C 旁路而不流过表头，因此，流过表头旁路而不流过表头，因此，流过表头的仅是和平均值成正比的直流电流的仅是和平均值成正比的直流电流I I0 0。为了改善整为了改善整流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图流二极管的非线性，实际电压表中也常使用图(b)(b)所所示的半桥式整流器示的半桥式整流器。3 3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表征均值检波器工作特性的一个重要参数是检波灵敏度波灵敏度S Sd d，定义为定义为对于全波桥式整流器，可导
28、出对于全波桥式整流器，可导出 若 ，则所以所以通常通常R Rd d500 500，R Rm m1k 1k，得，得S Sd d1 1314314。所以要提高测量灵敏度，应减小所以要提高测量灵敏度，应减小R Rd d和和R Rm m。由于二极管是非线性器件，当被测电压较小时由于二极管是非线性器件，当被测电压较小时R Rd d急剧增大，急剧增大，S Sd d急剧减小，故不宜测量急剧减小，故不宜测量0.5V0.5V以下的电以下的电压信号。所以要加宽带放大器先将被测电压进行放大压信号。所以要加宽带放大器先将被测电压进行放大再测量。再测量。4 4输入阻抗输入阻抗(利用能量守恒定律证明利用能量守恒定律证明)
29、设设 (这是常规的数值这是常规的数值)，则，则R Ri i约为约为1.8k 1.8k，可见均值检波器输入阻抗很低可见均值检波器输入阻抗很低。由于均值检波器检波灵敏度的非线性特性及输入由于均值检波器检波灵敏度的非线性特性及输入阻抗过低，所以均值检波器为阻抗过低，所以均值检波器为ACACDCDC变换器的变换器的均值电均值电压表一般都设计成放大压表一般都设计成放大检波式检波式。放大器的主要作用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大减小负载效线性区域，同时它的高输入阻抗可以大大减小负载效应。应。D
30、A16DA16型均值电压表原理型均值电压表原理5 5、波形换算、波形换算 电压表度盘是以正弦波的有效值定度的，而均电压表度盘是以正弦波的有效值定度的，而均值检波器的输出值检波器的输出(即流过电流表的电流即流过电流表的电流)与被测信号与被测信号电压的平均值成线性关系，为此有电压的平均值成线性关系，为此有 式中式中U Ua a为电压表示值，为电压表示值，为被测电压平均值，为被测电压平均值，K Ka a：称为定度系数。由于交流电压表是以正弦波有：称为定度系数。由于交流电压表是以正弦波有效值定度，因此效值定度，因此对于全波检波对于全波检波(整流整流)电路构成的均电路构成的均值电压表，定度系数值电压表，
31、定度系数K Ka a就等于正弦信号的波形因数就等于正弦信号的波形因数，即即 如果被测信号为正弦波形，则电压表示值就是被如果被测信号为正弦波形，则电压表示值就是被测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，那测电压的有效值。如果被测信号是非正弦波形，那么需进行么需进行“波形换算波形换算”，由示值和被测信号的具体，由示值和被测信号的具体波形，推算出被测信号的数值波形，推算出被测信号的数值U Ud d 。具体方法是：具体方法是：电压表表头示值电压表表头示值 U 相等，则平均值相等，则平均值 相等相等。因此可以得到。因此可以得到任意波形电压的平均值任意波形电压的平均值再由波形系数再由波形系数K KF F
32、定义定义得到任意波形电压的有效值得到任意波形电压的有效值6 6、均值检波器误差、均值检波器误差 均值电压表的误差包括下列因素：直流微均值电压表的误差包括下列因素：直流微安表本身的误差；检波二极管老化、变质、不安表本身的误差；检波二极管老化、变质、不对称带来的误差；对称带来的误差；超过频率范围时二极管分超过频率范围时二极管分布参数带来的误差布参数带来的误差(频响误差频响误差)；波形误差。；波形误差。二、有效值电压表二、有效值电压表 为了获得有效值为了获得有效值(均方根均方根)响应，必须使响应，必须使ACACDCDC变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变换器有变换器具有平方律关系的伏安特性。这类变
33、换器有二极管平方律检波式、分段逼近式检波式、热电变二极管平方律检波式、分段逼近式检波式、热电变换式和模拟计算式等四种。换式和模拟计算式等四种。1.1.模拟计算式模拟计算式 由于电子技术的发展，利用集成乘法器、积分由于电子技术的发展，利用集成乘法器、积分器、开方器等实现电压有效值测量，是有效值测量器、开方器等实现电压有效值测量，是有效值测量的一种新形式。的一种新形式。模拟计算型有效值电压表原理模拟计算型有效值电压表原理2.2.热偶变换式热偶变换式 在对波形未知或波形复杂的电压测量时，例如在对波形未知或波形复杂的电压测量时，例如对噪声电压的测量、失真度测量，都要求能测出电对噪声电压的测量、失真度测
34、量，都要求能测出电压的真正有效值。这种测量要求压的真正有效值。这种测量要求ACACDCDC变换器的输变换器的输出与输入电压的有效值成正比。利用二极管链式检出与输入电压的有效值成正比。利用二极管链式检波器可以实现这种功能，但频率范围不大，一般为波器可以实现这种功能，但频率范围不大，一般为几十几十HzHz到几百到几百kHzkHz。另外用得较多的是热偶元件，其另外用得较多的是热偶元件，其基本工作原理如下。基本工作原理如下。热电偶原理图热电偶原理图 热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体热偶元件又称热电偶，是由两种不同材料的导体所构成的具有热电现象的元件所构成的具有热电现象的元件。在在A A、B
35、B两个接触面，由于两种金属表面电子的逸两个接触面，由于两种金属表面电子的逸出功不等，故在交界面上形成接触电位差。若出功不等，故在交界面上形成接触电位差。若A A、B B两两端温度相同，则接触电位差抵消，反之形成电位差。端温度相同，则接触电位差抵消，反之形成电位差。r r：导体电阻值：导体电阻值r rm m：表头内阻：表头内阻E E：A A、B B两端温度两端温度 有关、导体材料有关有关、导体材料有关 通常把通常把A A、B B两端的温差为两端的温差为1 1时产生的热电动势称时产生的热电动势称为为热偶的灵敏度。一般为几十微伏热偶的灵敏度。一般为几十微伏/度。度。热偶式电压表：热偶式电压表：A.A
36、.构成：利用被测电流在已知构成：利用被测电流在已知B.B.加热丝上产生的热量使热偶加热丝上产生的热量使热偶C.C.式形成一确定的温差，便可式形成一确定的温差，便可D.D.构成热偶式电流表。构成热偶式电流表。B.B.工作原理：工作原理：U UX X（t t）在加热丝上产生的热量变换成）在加热丝上产生的热量变换成 热偶的直流电流热偶的直流电流I(t)来进行测量。来进行测量。I(t)与被测信号与被测信号 的功率即电压的有效值的平方成正比。的功率即电压的有效值的平方成正比。注：刻度为非线性的。注：刻度为非线性的。C.C.误差来源：误差来源：环境温度的影响；刻度的非线性；高频误差环境温度的影响；刻度的非
37、线性；高频误差D.D.特点：特点：非线性变换；灵敏度不高；输入阻抗低；非线性变换；灵敏度不高；输入阻抗低；过载易烧毁过载易烧毁DA-24DA-24型型热偶式电压表热偶式电压表热电偶式电压表框图热电偶式电压表框图1 1、工作原理：在平衡热偶、工作原理：在平衡热偶T2T2的加热丝上，用一个直的加热丝上，用一个直流电压流电压U0U0产生的热效应与一个放大产生的热效应与一个放大K K倍后的被测电压倍后的被测电压K K1 1 U UX X产生的热效应相等，于是通过对直流电压产生的热效应相等，于是通过对直流电压U0U0的的测量代替对交流电压测量代替对交流电压UX(tUX(t)的测量，即：的测量，即：平衡热
38、偶的作用：使表头刻度线性化平衡热偶的作用：使表头刻度线性化 提高热稳定性提高热稳定性缺点：缺点：过载易烧毁、热惯性过载易烧毁、热惯性三、峰值电压表三、峰值电压表1 1组成与特点组成与特点组成：检波放大式组成：检波放大式用途：用途：测量高频信号电压测量高频信号电压测频范围测频范围：几十几十HzHz到几百到几百MHzMHz，输入阻抗也较大，输入阻抗也较大电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。电压表的频率范围和输入阻抗主要取决于检波器。2 2、峰值检波器、峰值检波器A A串联式峰值检波器串联式峰值检波器条件条件 串联峰值检波电路及波形串联峰值检波电路及波形B B双峰值检波器双峰值检波器 将两个
39、串联式检波电路结合在一起，构成双峰值将两个串联式检波电路结合在一起，构成双峰值检波电路。检波电路。C C1 1或或R R1 1上的平均电压近似于上的平均电压近似于u ux x的正峰值的正峰值U Up+p+，C C2 2或或R R2 2上的平均电压近似于上的平均电压近似于u ux x的的负峰值负峰值U Up-p-，检波检波器输出电压器输出电压 ，即输出电压近似等于被，即输出电压近似等于被测电压的峰测电压的峰峰值。峰值。双峰值检波电路双峰值检波电路HFJ8HFJ8超高频毫伏表检波电路超高频毫伏表检波电路检波器输出端接的是调制式高增益的直流放大器，检波器输出端接的是调制式高增益的直流放大器，可以有效
40、地抑制零点漂移和提高测量灵敏度。可以有效地抑制零点漂移和提高测量灵敏度。C C并联式检波器并联式检波器 在在u ux x正半周，正半周，u ux x通过二极管通过二极管D D迅速给电容迅速给电容C C充电，充电，u ux x负半周，电容上电压经过电压源及只缓慢放电，负半周，电容上电压经过电压源及只缓慢放电，电容电容C C上平均电压接近上平均电压接近u ux x峰值，因此电阻峰值，因此电阻R R的电压如的电压如图图(b)(b)中中u uR R所示，滤除高频分量，其平均值所示，滤除高频分量，其平均值 等于电容上平均电压，近似等于等于电容上平均电压，近似等于u ux x峰峰值，即值，即 D D倍压式
41、峰值检波器倍压式峰值检波器 为提高检波器输出电压，实际电压表中采用倍为提高检波器输出电压，实际电压表中采用倍压式峰值检波器。压式峰值检波器。倍压峰值检波电路及波形倍压峰值检波电路及波形3 3、误差分析、误差分析 A A理论误差：峰值检波器输出电压的平均值略小于理论误差：峰值检波器输出电压的平均值略小于被测电压的峰值，即检波系数被测电压的峰值，即检波系数k kd d略小于略小于1 1，实际数，实际数值与充电、放电时常数有关。对于正弦波其理论误值与充电、放电时常数有关。对于正弦波其理论误差为：差为：B B频率误差频率误差 低频情况下，由于低频情况下，由于T Tmaxmax加大，放电时间较长，加大，
42、放电时间较长，下降较多，因而造成低频误差，理论分析得知低频下降较多，因而造成低频误差，理论分析得知低频误差为误差为 虽然峰值检波式电压表比较适用于高频测量，但虽然峰值检波式电压表比较适用于高频测量，但由于高频时分布参数的影响加大也会带来高频误差。由于高频时分布参数的影响加大也会带来高频误差。C C波形误差波形误差 峰值电压表也是按正弦波有效值定度。峰值电压表也是按正弦波有效值定度。对于正弦对于正弦波，电压表示值即为其有效值，对于其他非正弦波，波，电压表示值即为其有效值，对于其他非正弦波，可利用波峰系数进行换算才能得到有效值，可利用波峰系数进行换算才能得到有效值，对于那对于那些不能通过波峰系数进
43、行波形换算的被测信号，只些不能通过波峰系数进行波形换算的被测信号，只好将电压表示值作为其近似的有效值，这样就带来好将电压表示值作为其近似的有效值，这样就带来了波形误差。了波形误差。此外，峰值检波器的输出与检波系数此外，峰值检波器的输出与检波系数K Kd d有关，不同波形的信号和正弦波相比，有关，不同波形的信号和正弦波相比，K Kd d是有差是有差异的，这也带来了波形误差。异的，这也带来了波形误差。4 4、波形换算、波形换算A A定度定度 电压表示值电压表示值U Ua a与峰值检波器输出与峰值检波器输出U Up p间满足间满足 式中式中k ka a称为定度系数。由于电压表以正弦波有效称为定度系数
44、。由于电压表以正弦波有效值定度，所以值定度，所以B B波形换算波形换算 当被测电压为非正弦波时，应进行波形换算才当被测电压为非正弦波时，应进行波形换算才能得到被测电压的有效值。能得到被测电压的有效值。波形换算的原理是：示值波形换算的原理是：示值U Ua a相等则峰值相等则峰值U Up p也相等也相等，则则再由波峰因数再由波峰因数 得到有效值：得到有效值：上式上式仅适用于单峰值电压表仅适用于单峰值电压表。例例2 2 用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表均指在电压表均指在l0Vl0V位置，问三种波形被测信号的峰值位置，问三种波形被测信号的峰值和
45、有效值各为多少和有效值各为多少?解：按着示值相等峰值也相等的原理可知三种波形的解：按着示值相等峰值也相等的原理可知三种波形的电压峰值电压峰值U Up p都是都是 因为电压表就是以正弦波有效值定度的，因此正弦因为电压表就是以正弦波有效值定度的，因此正弦波的有效值就是电压表表针指示值，即正弦波的有效波的有效值就是电压表表针指示值，即正弦波的有效值值U U10V10V。对于三角波对于三角波：对于方波，波峰系数对于方波，波峰系数K Kp p=1=1，因此，因此对于正弦波的平均值：对于正弦波的平均值：对于三角波的平均值对于三角波的平均值对于方波的平均值对于方波的平均值3.5 3.5 电压的数字式测量电压
46、的数字式测量一、概述一、概述 从从5050年代逐步发展起来的数字式测量方法，是年代逐步发展起来的数字式测量方法，是利用模拟利用模拟数字数字(A(AD)D)转换器，将连续的模拟量转转换器，将连续的模拟量转换成离散的数字量，然后利用十进制数字方式显示换成离散的数字量，然后利用十进制数字方式显示被测量的数值。由于电子技术、计算技术、半导体被测量的数值。由于电子技术、计算技术、半导体技术的发展，数字式仪表的绝大部分电路都已集成技术的发展，数字式仪表的绝大部分电路都已集成化，又因为摆脱了笨重的指针式表头，数字式仪表化，又因为摆脱了笨重的指针式表头，数字式仪表显得格外精巧、轻便。更主要的，它具有下列模拟显
47、得格外精巧、轻便。更主要的，它具有下列模拟式仪表所不能比拟的优点。式仪表所不能比拟的优点。(1)(1)准确度高。高档直流数字电压表的准确度可达准确度高。高档直流数字电压表的准确度可达1010-7-7量级，测量灵敏度量级，测量灵敏度(分辨力分辨力)达达1 V1 V。(2)(2)数字显示。测量结果以十进制数字显示，消除了指数字显示。测量结果以十进制数字显示，消除了指针式仪表的读数误差。由于仪器内又有保护电路，针式仪表的读数误差。由于仪器内又有保护电路，所以数字仪表过载能力强。所以数字仪表过载能力强。(3)(3)输入阻抗高。一般的数字电压表输入阻抗高。一般的数字电压表(DVM)(DVM)为为10M
48、10M 左右，高的可超过左右，高的可超过1 000M 1 000M ，因而其负载效应几因而其负载效应几乎可以忽略乎可以忽略。(4)(4)测量速度快，自动化程度高。由于没有指针惯性，测量速度快，自动化程度高。由于没有指针惯性，DVMDVM完成一次测量的时间完成一次测量的时间(从信号输入到显示结果从信号输入到显示结果)很很短短(可小于几个可小于几个 s)s)。由于微处理器的应用，中、由于微处理器的应用，中、高档高档DVMDVM已普遍具有很强的数据存贮、计算、自检、已普遍具有很强的数据存贮、计算、自检、自校、自诊断等功能，并配有自校、自诊断等功能，并配有IEEI-488IEEI-488和或和或RS2
49、32CRS232C接口，有的还具有模拟量输出，很容易构成接口，有的还具有模拟量输出，很容易构成自动测试系统。自动测试系统。(5)(5)功能多样。现在的数字式仪表一般都具有多种功能多样。现在的数字式仪表一般都具有多种功能，这种仪表称为数字多用表，具有直流电压功能，这种仪表称为数字多用表，具有直流电压(DCV)(DCV)、直流电流直流电流(DCI)(DCI)、交流电压交流电压(ACV)(ACV)、交流交流电流电流(ACI)(ACI)和电阻和电阻()()五项功能，有的还有频率五项功能，有的还有频率、温度等测量功能。温度等测量功能。当前，当前，数字式电压表的缺点是交流测量时的数字式电压表的缺点是交流测
50、量时的频率范围不够宽，一般上限频率在频率范围不够宽，一般上限频率在1MHz1MHz以下。以下。二、数字式电压表二、数字式电压表(DVM)(DVM)的组成原理的组成原理 1 1直流数字式电压表直流数字式电压表 直流数字电压表的组成如图所示。图中模拟部分包直流数字电压表的组成如图所示。图中模拟部分包括输入电路括输入电路(如阻抗变换，放大电路、量程控制如阻抗变换，放大电路、量程控制)和和A AD D变换器，变换器，A AD D完成模拟量到数字量的转换。电压完成模拟量到数字量的转换。电压表的主要技术指标如准确度、分辨力等主要取决于表的主要技术指标如准确度、分辨力等主要取决于这一部分电路这一部分电路。数