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1、第六章电压测量第1页，共65页，编辑于2022年，星期三 电压测量技术电子测量技术6.1 概概 述述对电压测量仪器的基本要求 电压表的组成电压表的分类电压表的常用技术指标第2页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6.1.1 对电压测量仪器的基本要求1.测量范围宽 2.频率范围广 3.测量精度高 4.输入阻抗高 5.抗干扰能力强 6.准确测量各种信号波形 第3页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6.1.2 电压表的组成电压表：电子电压表（放大、检波）数字电压表（DVM）多用表：万用表 数字多用表（DMM)第4页，共65页，编辑于2022年
2、，星期三3 电压测量技术电子测量技术电子电压表（交流毫伏表）采用表头指针的偏转来采用表头指针的偏转来显示被测电压的大小，内部显示被测电压的大小，内部采用了采用了有源器件有源器件来构成放大检波电路。灵敏度高高，输输入入阻阻抗抗高高，测测量量频频率率范范围围宽。能测量能测量高频高频的的微弱微弱电压。电压。第5页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 数字多用表（DMM)采采用用数数字字化化技技术术，将将模模拟拟的的被被测测电电压压通通过过模模数数转转换换器器变变换换成成离离散散的的数字量，并采用十进制并采用十进制数字数字显示。显示。测测量量精精度度高高，输输入入阻阻抗抗高
3、高，抗干扰强强，能能自自动动测量等。测量等。第6页，共65页，编辑于2022年，星期三DMM的组成的组成AC-DCA/D变换变换计数计数处理处理显示显示 I-V R-V直流电压表直流电压交流电压电流电阻第7页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6.1.3 电压表的分类1.按显示技术和方式：模拟表、数字表 2.按被测对象：直流电压表、交流电压表 3.按结构体积控制方式 4.按A/D变换方式：积分式、非积分式 5.按AC-DC变换方式：均值表、峰值表、有效值表 第8页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术7.按显示结果位数：几位数字电压表8.专
4、业电压表：矢量电压表、脉冲电压表6.按放大、检波次序：放大按放大、检波次序：放大-检波式、检波检波式、检波-放大式放大式 第9页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6.1.4 电压表的常用技术指标1、电压幅度及频率测量范围第10页，共65页，编辑于2022年，星期三2、数字电压表的显示位数、数字电压表的显示位数（1）显示位数：完整显示位（）显示位数：完整显示位（09）非完整显示位（半位）非完整显示位（半位）例：一台DVM 10.000v量程上最大显示9.999v；4位DVM 无超量程能力 另一台DVM 10.000v量程上最大显示19.999v；位DVM 超量程能力
5、 一台DVM，2v量程上最大显示1.9999v；位DVM 5v量程上最大显示4.9999v；位DVM第11页，共65页，编辑于2022年，星期三(2)超量程能力超量程能力(半位）半位）例：例：用DVM的10v量程档测10.001v电压，4 位DVM，10v档最大显示9.999v；100v档显示10.00v；位DVM，10v档最大显示19.999v；当 时，显示10.001v 超量程：第12页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术3.分辨力指指数数字字电电压压表表能能够够显显示示的的被被测测电电压压的的最最小小变变化化值值，即即在在最最小小量量程程时时，数数字字电电压压
6、表表显显示示值值末位跳跳变变1 1个字所需的最小个字所需的最小输入输入电压值。电压值。例如 SX1842DVM，位，最小量程20mV，最大显示为19.999mV，所以其分辨力为:0.001mV=1V 第13页，共65页，编辑于2022年，星期三4、准确度或不确定度、准确度或不确定度 定性说明测量结果误差的严重程度。定性说明测量结果误差的严重程度。常用的两种基本误差表示方法：第14页，共65页，编辑于2022年，星期三读数误差读数误差满度误差满度误差模拟电压表：模拟电压表：数字电压表：数字电压表：线性刻度：线性刻度：两项共同表示。两项共同表示。对数刻度：对数刻度：第15页，共65页，编辑于202
7、2年，星期三读数误差：刻度系数、非线性产生的误差。读数误差：刻度系数、非线性产生的误差。衰减器的衰减倍数、放大器增益、基准参考电压等；积分器的非线性，放大器的非线性。满度误差：满度误差：A/D的量化误差、电压表内部噪的量化误差、电压表内部噪声、放大器的失调电压等。声、放大器的失调电压等。的模反映的模反映B类扩展不确定度类扩展不确定度 第16页，共65页，编辑于2022年，星期三例：一台 位DVM，量程2v，则：1.9999第17页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术指指每每秒秒钟钟能能完完成成的的测测量量次次数数。测测量量速速率率的的快快慢慢主要取决于主要取决于DV
8、MDVM所使用的所使用的A/DA/D。6测量速率5.输入阻抗直流DVM：1010 000 第18页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6抗干扰能力（1）串模抑制比（2）共模抑制比第19页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术例3.3 用4位DVM测量1.5V电压，分别用2V档和200V档测量。已知2V档和200V档的精度均为 ,求两种情况下测量结果的标准不确定度各为多少？解：(1)用2V档测量1.5V电压时，该数字电压表 的最大允许误差为：1.999V第20页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 数字电压表最大允
9、许误差引入的B类标准不确定度为：第21页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术（2）用200V档测量1.5V电压时，该数字电压表的 最大允许误差为：最大允许误差引入的B类标准不确定度为：199.9V第22页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6.2 数字电压表1.直流数字电压表的组成数字电压表的核心输入 电路A/D 转换器计数器显示 电路Ux控制逻 辑电路译码器第23页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术2.分类 按A/DA/D转换方法转换方法的不同来分类的不同来分类电压反馈型电压反馈型V/FV/F变换式变换式双
10、斜积分式双斜积分式脉冲调宽式直流数字电压表非积分式积分式复合式逐次逼近比较式逐次逼近比较式斜坡电压式比较式线性斜坡式阶梯斜坡式V/F变换式V/T变换式积分斜坡式、两次取样式积分斜坡式、两次取样式第24页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n（MSB）（LSB）Uref U Uo Ux 时钟脉冲+比较器 A 显示器 最高位 最低位 3.逐次逼近比较式数字电压表(1)组成第25页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术3.逐次逼近比较式数字电压表(1)组成（ai=1或或 ai=
11、0）D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n Uref U Uo Ux 时钟脉冲+比较器 A 显示器 二进制数字量 模拟电压 将二进制的数字量转换成模拟电压量。第26页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术3.逐次逼近比较式数字电压表(1)组成D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n Uref U Uo Ux 时钟脉冲+比较器 A 显示器 采用高灵敏度的采用高灵敏度的差值放大器差值放大器，完，完成输入端两电压的成输入端两电压的比较比较运算。运算。Uo Ux Uo Ux 低 高 第27页，共65页，编辑于2
12、022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术3.逐次逼近比较式数字电压表(1)组成D/A 转换器 时序脉冲发生器 基准源 数码 寄存器 译码器 1 2 n Uref U Uo Ux 时钟脉冲+比较器 A 显示器 许许多多逻逻辑辑部部件件和和控控制制电电路路决决定定整整个个仪仪表表的的逻辑程序逻辑程序、测量、测量速度速度和和显示显示。第28页，共65页，编辑于2022年，星期三优点：变换速度快。优点：变换速度快。缺点：抗干扰性差。缺点：抗干扰性差。第29页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术4.双斜积分式数字电压表(1)组成逻辑控制闸门计数器译码器显示器时钟脉冲积分器
13、R UoUc比较器C 电子开关UxS1S2S3S4-Uref+UrefUi-+A1+-A2第30页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术4.双斜积分式数字电压表(1)组成逻辑控制闸门计数器译码器显示器时钟脉冲积分器R UoUc比较器C 电子开关UxS1S2S3S4-Uref+UrefUi-+A1+-A2第31页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术抗干扰能力强。对积分元件和时标信号的精度、稳定性要求低。还可实现两电压间的除法运算。测量速度低。(4)特点第32页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术5、数字多用表 输入
14、 AC/DC 变换器 直流数字电压表 I/U 变换器 UDC R/U 变换器 UAC I R 第33页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术6.3 交流电压的测量（电子电压表）6.3.1 交流电压的表征 平均值是指周期信号的直流分量。平均值是指周期信号的直流分量。1.平均值 在电子测量中，平均值通常是指交流电压经检波后的平均值，若不特别说明，通常指全波平均值。第34页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术全波平均值：全波平均值0v(t)t0TTtv(t)第35页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术2.有效值 有效值
15、又称为均方根值。在一个周期内，若交有效值又称为均方根值。在一个周期内，若交流电压通过某纯电阻负载产生的热量等于一个直流流电压通过某纯电阻负载产生的热量等于一个直流电压在电压在同一个负载上产生的热量时，则该负载上产生的热量时，则该直流电压直流电压的数值的数值就是交流电压的就是交流电压的有效值有效值。注意：若无特别说明，交流电压值均指有效值。有效值能直接反映交流信号能量的大小。第36页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术3.峰值 峰值V VP P是是指指交交流流电电压压在在一一个个周周期期内内偏偏离离零零电电平平的的最大值。若正、负峰值不等时，分别用V VP+P+和和V
16、 VP P-来表示。来表示。VP+VP+0v(t)V0 tVP-第37页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 峰峰-峰峰值值是是指指正正、负负峰峰值值的的绝绝对对值值之之和和，即正、负峰值点之间的距离。即正、负峰值点之间的距离。峰-峰值VP+VP+0v(t)V0 tVP-VP-P 第38页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术Vm V0 0v(t)t 幅幅值值Vmm是是指指交交流流电电压压在在一一个个周周期期内内偏偏离离直直流流分分量量的的最最大大值值。若若正正、负负幅幅值值不不等等时时，分分别别用用V Vm+m+和和V Vmm-来表示。来
17、表示。Vm Vm 幅值第39页，共65页，编辑于2022年，星期三6.3.2 交流电压的测量（电子电压表）交流电压的测量（电子电压表）一、均值电压表（宽频毫伏表）一、均值电压表（宽频毫伏表）1、组成、组成：放大：放大检波式检波式 上限频率：1KHz十几MHz宽带放大器均值检波显示显示第40页，共65页，编辑于2022年，星期三 2、显示特性（刻度特性）、显示特性（刻度特性）均值表的显示值正比于被测交流电压的平均值均值表的显示值正比于被测交流电压的平均值 均值表按正弦有效值刻度均值表按正弦有效值刻度 用波形因数波形因数KF来表征。波形因数K KF F定定义义为为交交流流电电压压的的有有效效值值与
18、与平平均均值之比。值之比。第41页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 对于正弦电压，其示值 对于非正弦电压，其示值无任何意义，必须换算。方法：先把示值转换成平均值；再求被测交流电压有效值。第42页，共65页，编辑于2022年，星期三例：对三角波电压用均值表测量，示值例：对三角波电压用均值表测量，示值5V，求三角波的有效值。，求三角波的有效值。解：波形误差：第43页，共65页，编辑于2022年，星期三一、峰值电压表（超高频毫伏表）一、峰值电压表（超高频毫伏表）1、组成、组成：检波：检波放大式放大式 上限频率：GHz；几百MHz优点：检波二极管装在探头里，不易引入干扰
19、，有利于测高频电压缺点：对交流电压谐波失真引起的波形误差敏感，不测量失真正弦波。峰值检波直流放大显示显示第44页，共65页，编辑于2022年，星期三 2、显示特性（刻度特性）、显示特性（刻度特性）峰值表的显示值正比于被测交流电压的峰值峰值表的显示值正比于被测交流电压的峰值 峰值表按正弦有效值刻度峰值表按正弦有效值刻度 用波峰因数波峰因数KP来表征。波波峰峰因因数数KP P定定义义为为交交流流电电压压的的峰峰值值与与有有效效值值之比。之比。第45页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 对于正弦电压，其示值 对于非正弦电压，其示值无任何意义，必须换算。方法：先把示值转换
20、成峰值；再求被测交流电压有效值。第46页，共65页，编辑于2022年，星期三例：对三角波电压用峰值表测量，示值例：对三角波电压用峰值表测量，示值5V，求三角波的有效值。，求三角波的有效值。解：波形误差：第47页，共65页，编辑于2022年，星期三一、有效值电压表一、有效值电压表1、模拟运算法有效值变换2、数字采样式有效值变换3、热电转换式有效值变换：热电偶有效值电压表对任意波形直接读数有效值电压表对任意波形直接读数 第48页，共65页，编辑于2022年，星期三6.3.3 噪声的测量噪声的测量有效值电压表可以直接读数有效值电压表可以直接读数原则上不主张用峰值表测量噪声原则上不主张用峰值表测量噪声
21、均值表测量噪声必须进行读数修正；且要在均值表测量噪声必须进行读数修正；且要在表头的表头的1/2处读数。处读数。第49页，共65页，编辑于2022年，星期三均值表测量噪声时读数的修正：均值表测量噪声时读数的修正：高斯白噪声即正态分布噪声的波形因数设均值表读数为噪声电压的有效值用分贝表示，则则平均值第50页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 电平是指两功率或电压比值的电平是指两功率或电压比值的对数对数，单位为贝，单位为贝尔（尔（BelBel），实际中采用），实际中采用分贝（分贝（dBdB）为单位。6.3.4 电平测量1.电平的概念电平 功率电平 电压电平 第51页，共
22、65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 相对功率电平实际上反映了信号在系统中传输时功率的增益和衰减增益和衰减。(1)功率电平相对功率电平 相对功率电平定义为系统中任意相对功率电平定义为系统中任意两处两处的功率P P1 1与与P P2 2之之比比的对数值对数值。第52页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术绝对功率电平 系统某处的绝对功率电平定义该处的功率系统某处的绝对功率电平定义该处的功率P Px与与零电平标准功率零电平标准功率P P0之之比比的的对数值对数值。零电平标准功率零电平标准功率零电平标准功率指在600负载电阻上消耗的负载电阻上消耗的1
23、mW1mW功率。功率。第53页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术 相对电压电平实际上反映了信号在系统中传输时电压的变化变化。(2)电压电平相对电压电平 相对电压电平定义为系统中任意相对电压电平定义为系统中任意两处两处的电压的电压V1与与V V2 2之比比的的对数值对数值。第54页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术绝对电压电平 系统某处的绝对电压电平定义该处的电压系统某处的绝对电压电平定义该处的电压V Vx x（有（有效值）与零电平标准电压效值）与零电平标准电压V V0 0之之比比的对数值对数值。零电平标准电压零电平标准电压 零电平标准
24、电压指在600600负载电阻上消耗负载电阻上消耗1mW功率时的功率时的电压电压。第55页，共65页，编辑于2022年，星期三在在 电阻上，电阻上，绝对功率电平（绝对功率电平（dBm)=绝对电压电平（绝对电压电平（dBu)第56页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术2.几个重要的相对电平值(1)0dB(2)3dB(3)6dB第57页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术3.电平的刻度 电平的测量实际是交流电压的测量，因此在电子电压表或多用表中，电平的刻度是以交流交流电压最低量程最低量程作为标定基准标定基准来进行刻度。通常按单位dBm进行刻度，
25、即设定测量处的阻抗为标准阻抗600600，标定交流电压最低，标定交流电压最低量程档量程档0.775V0.775V的位置为的位置为0dBm标度点标度点。第58页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术4.电平的测量测量电平，实际上是利用测量电平，实际上是利用交流电压档交流电压档，只是按电平刻度电平刻度进行进行读数读数。(1)绝对电压电平的测量被测电平值=量程值+显示值-14.8dB -20dB 5.2dB第59页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术(2)绝对功率电平的测量第60页，共65页，编辑于2022年，星期三6.3.5 矢量电压表矢量电压
26、表高频宽带微伏级电压的测量高频宽带微伏级电压的测量相位差的测量相位差的测量第61页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术例3.4 用MF-20电子式多用表测量被测电压，得 ，求其相应的电平值。若采用该表的30V交流电压档对另一处电压进行测量，得电平读数值为-10dBm，求该处的电压值。（设被测点处的负载均为600 ，MF-20电子式多用表的电平基准档为交流1.5V档。）第62页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术解：（1）被测电压的电平值为：（2）被测处的实际电压电平值为：被测处的电压为：第63页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术例3.5 用U-201多用表测量一通信线路的功率衰减。用基准电平档测得输入端的电平读数值为A1=30dBm,输出端的电平读数为A2=14dBm；用电阻档测得输入端的阻抗为1K,输出端的阻抗为500 。求功率衰减的分贝值。第64页，共65页，编辑于2022年，星期三3 电压测量技术电子测量技术解：（1）输入端的实际电平为：（2）输出的实际电平为：（3）系统功率衰减的分贝值为：本节结束本节结束 第65页，共65页，编辑于2022年，星期三