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1、1.1.重要性重要性 电压测量是许多电测量与非电测量的基础 是电量测量中最基本、最常见的一种测量 电压测量也是非电量测量的基础电压测量的意义、特点 第1页/共68页2.2.特点特点(1)频率范围广(2)测量范围宽(3)电压波形的多样化(4)阻抗匹配(5)测量精度(6)测量速度(7)抗干扰性能第2页/共68页电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类按对象：直流电压测量和交流电压测量按技术：模拟测量和数字测量第3页/共68页5.2 5.2 电压标准电压标准 直流电压标准 电压和电阻是电磁学中的两个基本量 电压基准和电阻基准其他电磁量基准 第4页/共68页电压标准 标准电池（实物基准，10-6）齐纳
2、管电压标准（固态标准，10-6）约瑟夫森量子电压基准（量子化自然基准，10-10）第5页/共68页1.标准电池原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势（1.01860V）。有饱和型和不饱和型两种类型。(5-1)第6页/共68页2.2.齐纳二极管电压标准齐纳二极管电压标准 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如LM199/299/399、REF系列 第7页/共68页Brian Josephson(1940-)3.3.约瑟夫森
3、量子电压基准 第8页/共68页图图5-1 双测热电阻电桥的原理图双测热电阻电桥的原理图高频电压标准第9页/共68页5.3 5.3 交流电压的测量交流电压的测量 表征交流电压的基本参量峰值平均值有效值波峰因数和波形因数第10页/共68页峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示）注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）图5-2 交流电压的峰值第11页/共68页均值数学上定义为：相当于交流电压u(t)的直流分量。交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）：对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T（5-6）（5-7
4、）（5-8）第12页/共68页有效值 交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T第13页/共68页波峰因数和波形因数波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vp p p psin(t)sin(t)sin(t)sin(t)，若，若=2/T=2
5、/T=2/T=2/T波形因数定义：有效值与平均值的比值，用波形因数定义：有效值与平均值的比值，用K K K KF F F F表示，表示，对理想的正弦交流电压对理想的正弦交流电压u(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vu(t)=Vp p p psin(t)sin(t)sin(t)sin(t)，若，若=2/T=2/T=2/T=2/T第14页/共68页常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；方波：Kp=1，KF=1；三角波：Kp=1.73，KF=1.15；锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；脉冲波：Kp=，KF=，为脉冲宽度，T为周期 白噪声：Kp=3（较大
6、），KF=1.25。第15页/共68页交流交流/直流转换器的响应特性及误差分析直流转换器的响应特性及误差分析 1.交流/直流电压（AC-DC）转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理：交流电压-直流电流（有效值、峰值和平均值）-驱动表头-指示。交流电压-有效值、峰值和平均值的转换，称为 AC-DC转换。由不同的检波电路实现。第16页/共68页（1 1）峰值检波原理）峰值检波原理二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）第17页/共68页图5-4 平均值检波原理图（2 2）平均值检波原理）平均值检波原理第18页/共68页(3)有效值检波原理第19页/共68页1)利用二极管平方律伏安特性
7、检波 利用小信号时二极管正向伏安特性曲线可近似为平方关系缺点：精度低且动态范围小 实际应用中，采用分段逼近平方律的二极管伏安特性曲线图的电路第20页/共68页2)利用模拟运算的集成电路检波 图5-5 计算式有效值变换实现框图第21页/共68页3）利用热电偶有效值检波热电效应：两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个闭合回路，当两节点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势。热电效应原理图当热端T和冷端T0存在温差时（即TT0），则存在热电动势，且热电动势的大小与温差T=T-T0成正比。第22页/共68页热电偶有效值检波原理图图中，直流电
8、流I与被测电压u(t)的有效值V的关系：电流I热电动势热端与冷端的温差，而热端温度u(t)功率u(t)的有效值V的平方，故，第23页/共68页图5-7 具有线性刻度的有效值电压表原理图第24页/共68页2.2.峰值电压表原理、刻度特性和误差分析峰值电压表原理、刻度特性和误差分析刻度特性对于任意波形而言，峰值电压表的读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：式中，为峰值电压表读数，为波峰因数。波形误差第25页/共68页刻度特性对于任意波形而言，均值电压表的读数没有直接意义，由读数到峰值和有效值需进行换算，换算关系归纳如下：式中，为均值电压表读数，KF为波形因数。波形误差
9、。若将读数直接作为有效值，产生的误差3.3.均值电压表原理、刻度特性和误差分析均值电压表原理、刻度特性和误差分析第26页/共68页4 4）实例分析）实例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值电压表测量一个方波电压，读数为1.0V，问如何从该读数得到方波电压的有效值？解 根据上述峰值电压表的刻度特性，由读数=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值=1.0V；第二步，该正弦波的峰值=1.4V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其峰值Vp=1.4V；第四步，查表可知，方波的波峰因数Kp=1，则该方波的有效值为：V=Vp/Kp=1.4V。第27页/共68页4 4）实例分析）实例分析例 用具
10、有正弦有效值刻度的均值电压表测量一个方波电压，读数为1.0V，问该方波电压的有效值为多少？解 根据上述均值电压表的刻度特性，由读数=1.0V，第一步，假设电压表有一正弦波输入，其有效值 =1.0V；第二步，该正弦波的均值 =0.9=0.9V；第三步，将方波电压引入电压表输入，其均值 0.9V；第四步，查表可知，方波的波形因数 =1，则该方波的有效值为:0.9V。第28页/共68页模拟式交流电压表模拟式交流电压表1.检波-放大式电压表2.放大-检波式电压表3.分贝测量及宽频电平表4.外差式选频电平表第29页/共68页1 1）检波）检波-放大式电压表放大式电压表图图5-8 5-8 检波检波-放大式
11、电压表组成放大式电压表组成a.a.组成框图组成框图;b.;b.提高灵敏度的措施提高灵敏度的措施第30页/共68页模拟式交流电压表模拟式交流电压表2）放大-检波式电压表先放大再检波，因此灵敏度很高。均值电压表常用这种方式。放大器宽带交流放大器决定了电压表的频率范围。一般上限为10MHz。常称为“宽频毫伏表”或“视频毫伏表”。灵敏度受仍受宽带交流放大器内部噪声限制。图 5-9 放大-检波式电压表组成第31页/共68页3 分贝测量及宽频电平表(1)分贝(5-25)(5-26)第32页/共68页(2)宽频电平表具有分贝读数的电压表称为“宽频电平表”在均值电压表（放大-检波式）基础上设计的图5-10 宽
12、频电平表组成框图第33页/共68页4 4 外差式选频电平表外差式选频电平表组成：外差式接收机宽频电平表。输入电路：衰减或小增益高频放大。两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经带通滤波器选出fZ1（固定）；图5-11 选频电平表的组成框图第34页/共68页5 5 电压表的使用电压表的使用峰值电压表均值电压表有效值电压表宽频电平表选频电平表第35页/共68页5.4 5.4 直流电压的数字化测量及直流电压的数字化测量及A/DA/D转换原转换原理理 的组成原理及主要性能指标1）DVM的组成数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。图5-12数字电压表组成框图第36
13、页/共68页DVM的主要性能指标显示位数量程分辨力测量速度测量精度输入阻抗第37页/共68页转换原理转换原理分类:积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率（V-F）变换式等。非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。第38页/共68页1 1）逐次逼近比较式）逐次逼近比较式ADCADC原理框图图513逐次逼近比较式ADC原理框图第39页/共68页2 2）单斜式）单斜式ADCADC图514单斜式ADC的原理框图和波形图第40页/共68页2 2）单斜式）单斜式ADCADC例 设一台基于单斜A/D转换器的4位DVM，基本量程为10V，斜波发生器
14、的斜率为10V/100ms，试计算时钟信号频率。若计数值N=5123，则被测电压值是多少？解第41页/共68页3.3.双积分式双积分式ADCADC 图 5-15 双积分式ADC的原理框图和积分波形图第42页/共68页双积分式ADC特点积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。参考电压Ur的精度和稳定性对A/D转换结果有影响具有较好的抗干扰能力第43页/共68页4.4.三斜积分式三斜积分式ADCADC图5-16 三斜积分式ADC的原理框图和积分电压波形第44页/共68页5.5 5.5 电流、电压、阻抗变换技术及数字多用电流、电压、阻抗变换技术及数字多用
15、表表电流、电压、阻抗变换技术1.AC/DC变换2.I/V 变换3.Z/V 变换第45页/共68页2.I/V变换图 5-17 电流-电压（I/V）变换第46页/共68页3.Z/V 3.Z/V 变换变换图5-18 电阻-电压（R/V）变换的原理图第47页/共68页数字多用表数字多用表1.组成框图图5-19 DMM的组成框图第48页/共68页数字多用表数字多用表2.数字多用表（DMM）的主要特点DVM的功能扩展。DMM可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数3位半8位半。一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平
16、均、均方根值）等自动测量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。第49页/共68页3.数字多用表的使用图5-20 DMM的二端法与四端法测电阻引线电阻接触电阻第50页/共68页5.6 5.6 数字电压表的误差分析及自动化技术数字电压表的误差分析及自动化技术 的误差分析 1.DVM的整体误差 2.DVM中各部件的误差分析第51页/共68页1.满度误差与自动校零技术a.放大器的Uos引起输出变化AUos b.自动校零原理（并联式）DVM中的自动校正技术图5-24 放大器的零点漂移及自动校零电路第52页/共68页中的自动校正技术中的自动校正技术2 读数误差的自动
17、校正技术 积分器的零点校正，不仅可以减小满度误差，也可减小读数误差中的转换误差。读数误差中的非线性误差，则还需要采取其他措施，主要有补偿和校正两种措施第53页/共68页3.DVM 3.DVM 的校准测量原理的校准测量原理图5-25 DVM的软件校准测量原理（5-57）第54页/共68页中的自动量程技术中的自动量程技术1.满度误差与量程选择的关系图5-26 满度误差在全量程范围内的变化第55页/共68页中的自动量程技术中的自动量程技术2.量程自动选择实现原理图5-27 DVM的自动量程转换第56页/共68页5.7 5.7 电压测量的干扰及抑制技电压测量的干扰及抑制技术术干扰的来源及分类图5-28
18、 DVM的串模干扰和共模干扰第57页/共68页干扰的来源及分类干扰的来源及分类图5-29 串模干扰与共模干扰的实际例子第58页/共68页串模干扰的抑制串模干扰的抑制1 抑制原理及基本方法直流串模干扰：由于串模干扰是叠加在被测信号上，则很难从硬件上予以抑制，通常可采用软件校准和数据处理的方法来处理。周期性串模干扰：可采用滤波的方法抑制（从被测信号中滤除掉干扰信号）。另外，采用积分式A/D转换器的DVM，由于积分对输入信号的平均作用，因此，具有较好的抑制干扰的作用。尖峰脉冲的干扰：由于干扰强度大持续时间短，一般首先应在信号输入端加入限幅，再采用模拟硬件滤波器或软件数字滤波。第59页/共68页串模干
19、扰的抑制串模干扰的抑制2.串模干扰的误差分析NMR(Normal Mode Ratio)50Hz工频干扰第60页/共68页串模干扰的抑制串模干扰的抑制3.积分式DVM中的串模干扰抑制措施(5-59)(5-60)第61页/共68页共模干扰的抑制共模干扰的抑制1 抑制原理及基本方法图5-31 存在共模干扰时的DVM输入等效电路第62页/共68页共模干扰的抑制共模干扰的抑制2.共模干扰的误差分析 由共模干扰引起的串模干扰等于该共模电压由共模干扰引起的串模干扰等于该共模电压 CMR:Common Mode RatioCMR:Common Mode Ratio第63页/共68页3.共模干扰的抑制措施(1)浮置测量图5-32 浮置测量时DVM的输入等效电路第64页/共68页(2)(2)双端对称测量双端对称测量图5-33 双端对称测量时DVM的输入等效电路第65页/共68页共模干扰的抑制共模干扰的抑制(3)浮置双端对称测量(4)屏蔽与隔离第66页/共68页本章小结 约瑟夫森量子电压基准 交流电压的参数:峰值,平均值,有效值,波峰因数和波形因数 检波是实现(AC/DC)的基本原理和方法 DVM和DMM DVM的核心ADC 串模干扰(NMR)和共模干扰(CMR)第67页/共68页感谢您的观看。第68页/共68页