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1、第五章第五章 电压测量技术电压测量技术本章是关于基本电磁量电压的测量，是电子测量实现其他电学量与非电量测量的重要基础。本章完整叙述了电压测量的原理和方法，交流电压的模拟测量和直流电压的数字化测量是本章的主要内容，其中数字化测量方法是本章的重点。同时还介绍了电压计量测试基标准，以及电压测量的抗干扰技术。5.1 概 述1）电压测量的重要性：电压测量是电子电路测量的一个重要内容，电子设备的许多工作特性，如增益、衰减、灵敏度、频率特性、调幅度等都可视为电压的派生量；而电子设备的各种控制信号，反馈信号、告警信号等往往也直接表现为电压量，总之，电压测量是许多电参量测量的基础。2）电压、电流和功率是表征电信
2、号能量大小的三个基本参数，但从测量的观点来看，测量的主要参量是电压。3）要正确测量电压值，必须先了解被测电压的特征和测试要求，选用适当的电压测量仪器、采用切实可行的测量方法，才能较好地完成测量任务。4）对电压测量的要求：一是要有足够宽的电压测量范围，二是应有足够宽的频率范围，三是应有足够高的测量准确度，四是有足够高的输入阻抗，五是应具有较高的抗干扰能力。5）电压测量的分类：A)按频率范围分类：直流电压测量和交流电压测量，交流电压测量按频段范围又分为低频、高频、超高频三类。B)按被测信号特点分类：脉冲电压测量和有效值电压测量。C)按测量技术分类：模拟式和数字式。本章主要讨论两个问题，一是交流电压
3、的测量方法，二是电压测量的数字化方法。1电子电路中电压的主要特征谈到电压的测量，很多人自然想到万用表，的确，万用表的使用是很广泛的，但是在电子电路中，它往往是不适用的。1、频率范围宽：不同频率的电压量要用相应的电压表去测量。2、电压范围广：被测电压的量值范围是选择电压测量仪器量程的依据。3、等效电阻高：电压测量仪器的输入电阻就是被测电路的额外负载，为了减小仪器的接入对被测电路的影响，要求其具有较高的输入电阻。4、波形多种多样：电子电路中除了正弦波电压外，还有大量的非正弦波电压。从普通仪器上获得的示值往往含有较大的波形误差。另外被测电压中往往是交流与直流并存，甚至还串入一些噪声干扰等不需要测量的
4、成分。2交流电压的基本参数一个交流电压的大小，可用多种方式来表示，如平均值、峰值、有效值、波形系数及波峰系数来表征。1、峰值：任一个交变电压在所观察的时间内或一个周期性信号在一个周期内偏离零电平的最大电压瞬时值称为峰值。用 表示。如果电压波形是双极性的，且不对称，则正峰值 和负峰值 是不相同的。任一个交变电压在所观察的时间内或一个周期信号在一个周期内偏离直流分量 的最大值称为幅值或振幅，用 表示。正负值不等时分别用 和 表示。注意峰值与振幅值的区别：振幅值是以直流分量为参考电平计算，而峰值则以零参考电平开始计算的。2、平均值：任何一个周期信号，在一周期内电压的平均大小称为平均值。通常用 表示。
5、在交流电压测量中，平均值指检波之后的平均值，故又可分为半波平均值及全波平均值。交流电压绝对值在一个周期内的平均值称为全波平均值。在未特别说明时，交流电压的平均值一般指全波平均值。交流电压正半周或负半周在一个周期内的平均值称为半波平均值。3、有效值：任何一个交流电压，通过某纯电阻所产生的热量与一个直流电压在同样情况下产生的热量相同，该直流电压的数值即为交流电压的有效值。通常用 表示，当不特别说明时，交流电压的值就是指它的有效值，而且各类仪表的示值都是按有效值刻度的。3交流电压量值相互转换为了表征同一信号的峰值、有效值及平均值的关系，引入了波形系数和波峰系数。波形因数电压的有效值与平均值之比称为波
6、形因数，通常用 表示。即：波峰因数交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数，即：4常用电压测量仪器电子电压表种类很多，一般按测量结果的显示方式将它们分为模拟式电子电压表和数字式电子电压表。模拟式电压表一般是指“指针式电压表”，它把被测电压加到磁电式电流表，转换成指针偏转角度的大小来度量。包括模拟万用表和电子电压表。另一种模拟测量是把被测量电压变换成图形高度来测量的仪表，如示波器等。在模拟式电子电压表中，大都采用整流的方法将交流信号转换成直流信号，然后通过直流表头指示读数，这种方法称为检波法，另外还有热电偶转换法和公式转换法等。数字式电压表 是指把被测电压的数值通过数字技术，变换成数字量，然后用数
7、码管以十进制数字显示被测量电压值。数字式电压表具有高精度、量程宽、显示位数多、分辨率高、易于实现测量自动化等优点，在电压测量中也占据了越来越重要的地位。5.2 交流电压的测量交流电压测量大多采用电子电压表来测量,它通过AC/DC变换器将交流电压转换成直流电压.按检波器响应特性分为:均值、峰值、和有效值三种。按电路的组成 形式，又分为放大-检波式、检波-放大式和外差式三类。分别介绍均值、峰值、和有效值电压表。1均值电压表：1)均值电压表是放大-检波式电子电压表，简称均值表：是先将被测信号进行放大，再进行检波，然后通过直流表头指示读数。其中放大电路一般采用多级宽带交流放大器，灵敏度很高，可测几十至
8、几百微伏左右的电压，频率上限可达10MHZ，其性能的好坏往往是决定整个电压表质量的关键。这种类型的电子电压表常称为“视频毫伏表”2)定度系数与波形换算：电子电压表刻度皆用正弦有效值来定度。微安表的指针偏转角与被测电压平均值成正比。但仪表度盘是按正弦波电压有效值刻度的，所以电表在额定频率下加正弦交流电压时的指示值为：式中，：被测任意波形电压的平均值 ：定度系数也称刻度系数如果被测电压是正弦波，又采用全波整流，若已知正弦有效值电压为1V，全波检波后的平均值则为:故：进而可得:即均值表的读数乘以0.9等于被测电压的均值。3)利用均值表测量非正弦电压时，其示值 是没有意义的，只有把示值转换后，才能得到
9、被测电压的有效值。这是在使用此类仪表时要特别注意的一点。4)换算方法：当测量任意波形时，将从电压表刻度盘上的示值先除以定度系数，折算成正弦电压的平均值，然后按按平均值相等示值也相等的原则，用波形系数换算出被测的非正弦电压有效值。对于采用全波检波电路的电压表，被测电压的有效值与示值的关系是：不同波形的信号电压具有不同的波形因数 ，常用的波形因数有正弦波：方波：三角波：5)波形误差:用均值电压表测非正弦波电压时,其读数应进行修正,如不进行修正,把读数当成有效值,将产生波形误差,公式为:2、峰值型电子电压表：检波放大式电子电压表，常用来测量高频信号电压。1）峰值检波器检波后的直流电压与输入的被测交流
10、电压的峰值（正弦波电压的振幅值）成正比。2）定度系数与波形换算：此种电压表也是按正弦波有效值进行刻度，电压表在额定频率下加正弦交流电压时的指示值为：式中，：峰值表的指示值：定度系数也称刻度系数3）与均值电压表同理，当用峰值电压表测量非正弦波电压时，其指示值是没有直接意义的，只有将指示值除以定度系数折算成正弦波的峰值，按峰值相等示值也相等的原则，再用波峰系数换算成被测电压 的有效值，即首先将示值折算成正弦波峰值，即：，也就是峰值电压表的读数乘以 后所得就是输入电压的峰值。再由波峰系数和峰值之间的关系算出有效值，即：常用的波峰系数：正弦波波峰系数为：方波波峰系数为：三角波波峰系数为：4）由于峰值表
11、的读数也没有直接的物理意义，测量非正弦波时，如果不进行换算，将产生波形误差，其定义为：3、有效值电子电压表1）热电转换式有效值电压表热电转换式也叫热电偶（在传感器课中会介绍）式有效值电压表，是依据有效值的物理定义来实现测量的。当接入被测电压时，加热丝发热，热偶的热端温度高于冷端，产生热电动热，有直流电流流过微安表，此电流与热电动势成正比，热端温度正比于被测电压有效值平方，所以直流电流正比于被测电压有效值的平方。即：利用热电偶实现有效值电压的 测量，基本上没有波形误差，测量非正弦波形电压过程简单。其主要缺点是有热惯性，使用时需要等指针偏转稳定后才能读数。2）计算式有效值电压表交流电压的有效值就是
12、其均方根值，根据这一关系，利用模拟电路对信号进行平方、积分、开平方等运算即可得到被测电压的有效值。4、电子电压表放大器电子电压表中的放大器应具有的特点是：输入阻抗高、频带宽、动态范围大、线性好。为满足上述要求，电路中常采取一些措施。如前置级采用射极输出器或源极输出器，用较高的电源供电，采用饱和压降小的三极管和选取合适的静态工作点以扩大动态范围等等。5、三种检波方式电压表的比较峰值电压表、均值电压表和有效值电压表各有其特点，测量时应结合被测信号特点合理选择，以获得最佳测量效果。1峰值电压表2均值电压表 3有效值电压表 5.3 数字多用表DMM数字多用表（DMM）是具有测量直流电压、直流电流、交流
13、电压、交流电流及电阻等多功能的数字测量仪器。数字多用表的组成框图VDCKI-U变换器R-U变换器直流数字电压表AC-DC变换器VACIR 多用型M工作原理讨论M的主要内容可归结为电压测量的数字化方法。模拟量的数字化测量，其关健是如何把随时间变化的模拟量变成数字量，它的实现由模数（）转换器来完成。为了实现交流电压、直流电流、直流电阻等参数的测量，通过各种转换器将这些量值转换成直流电压，再进行测量，从而可以组成多用型M。1、交流电压直流电流（AC-DC）转换器：直流数字电压表是线性化显示的仪器，同其配接的转换器必须将被测电压的有效值线性地转换成直流电压，一般称它为线性检波器。前面讲过的直接用公式均
14、方根运算的有效值转换过程可实现交流直流线性检波。2、直流电流直流电压（I-U）转换器：最常用的直流电流直流电压的转换是利用欧姆定律，使被测的直流电流通过标准电阻（采样电阻），以标准电阻上的直流压降来表示被测电流的大小。3、电阻电压（R-U）转换器：也是利用欧姆定律，让一个恒流源的电流流过等测电阻，在待测电阻两端会产生一个正比于被测电阻上的电压。由DMM测得这个电压值就可以知道被测电阻的大小。可见，在DMM基础上，利用交流-直流转换器、电流-电压转换器、电阻-电压转换器即可把被测电量转换成直流电压信号，再由DMM对转换后的信号进行测量。这样就组成了数字式多用表（俗称万用表）。不同的测量功能和量程
15、由开关转换来设定。54 数字电压表（DVM）（一）工作特性：1测量范围：（1）显示位数（2）量程（3）超量程能力2分辨率：能够显示被测电压的最小变化值，称为分辨率。即最小量程时，显示器未位跳一个单位值所需的最小电压变化量。有不同的量程上，具有不同的分辨率。3输入阻抗和输入电流：由于输入有衰减器，所以输入阻抗不是固定值。4测量速度：是在单位时间内以规定的准确度完成的最大测量次数。5测量误差：固有误差和工作误差。6.响应时间：响应时间是DVM跟踪输入电压突变所需的时间。7.抗干扰能力：串模抑制比和共模抑制比。（二）数字电压表DVM的工作原理数字电压表按其工作原理，主要分为比较型和积分型两大类。数字
16、电压表的工作原理框图模拟部分被测信号A/D转换器逻辑控制电路计数器输入电路显示器时钟信号发生电路数字部分1逐次逼近比较式DVM的基本原理 其基本原理是：用被测电压和可变的已知电压（基准电压）进行比较，直到达到平衡，测出被测电压。它的原理与天平很相似，不同的是，它用各种数值的电压做砝码，将被测电压与可变的砝码（标准）电压进行比较。逐次逼近比较式A/D转换框图D/A转换器_+A逻辑控制电路 输出缓冲器并行数字输出（MSB）（LSB）基准电压Vref模拟输入ux钟脉冲起 始 脉冲模拟输入ux模拟输入ux逐 次 逼 近 寄 存 器SAR2、双积分式DVM基本原理双斜积分式DVM电路的工作原理是：在一个
17、测量周期内，用积分器进行两次积分。首先对被测电压在规定时间内进行定时正向积分，然后切换A的输入电压，输入基准电压，对基准电压进行反向定时积分。然后通过两次积分的比较，将输入信号变换成与之成正比的时间间隔。通过计数器计数，由电子计数器部分经显示器显示被测电压值。-+KUOR2逻辑控制休止脉冲转换控制时钟脉冲源计数译码显示（MSB）（LSB）数字量输出过零比较器CR1V ref V refux输入电路 双积分型A/D转换器的原理框图5.5 电压测量的应用(一)直流电压的测量直流电压的测量一般可采用直接测量法和间接测量法两种。直接测量法测量时，将电压表直接并联在被测支路的两端，如果电压表的内阻为无限
18、大，则电压表的示值即是被测支路两点间的电压值；间接测量法则是先分别测量两端点的对地电位，然后求两点的电位差，差值即为要测量的电压值。1用数字式万用表测量直流电压2用模拟式万用表测量直流电压3用零示法测量直流电压4用电子电压表测量直流电压5用示波器测量直流电压6微安法测量直流电压7含交流成分的直流电压的测量(二)交流电压的测量交流电压的测量一般可分为两大类，一类是具有一定内阻的交流信号源，另一类是电路中任意一点对地的交流电压。交流电压的常用测量方法有电压表法和示波器法。(三)分贝的测量用分贝（dB）表示电参量，这是一种比较方便的形式。分贝测量实质上是交流电压的测量，与电压表不同的只是电表的读数是
19、以分贝（dB）刻度。分贝的定义是依据两种功率电平之比（log指示以为底的对数）由于测量时大多是测量电压，所以用电压计算dB是最方便的方法。必须指出的是，严格说来，只当涉及的两个电阻相同时，电压方程才是有效的。（如上式），例如，比较放大器的输入电压和输出电压，其输入和输出电阻不同，计算分贝时，必须计及它们，不过实际上，这点常被忽略不计。例如，运算放大电路中，输入阻抗很大而输出阻抗很少，通常，这类电路的重要参数是电压增益（不是功率增益）。在这类系统中，差不多只使用电压的分贝方程。某些重要的分贝值得专门指出：1）0分贝对应的比值为1（适于电压和功率二者）。电路的增益或损失为0分贝表明电路的输出等于输
20、入。2）3分贝对应功率比值为2，功率电平变化-3分贝，表明功率降至原来的一半；功率电平变化+3分贝，表明功率增加一倍。3）6分贝对应电压比值为2，电压变化-6分贝，表明电压降至原来一半；电压变化+6分贝，表明电压增加一倍。4）10分贝对应功率比为10，这是唯一的一点，在这一点分贝值和功率比值相同。采用分贝概念的意义如果希望同时显示一组幅值很大和幅值很小的信号，而使用分贝作为单位，可以把大范围内的幅值压缩到较小的范围。这样，就可同时看到最大值和最小值的的所有振幅。电平与电压的关系电平的测量实际上也是电压的测量。任何一块电压表都可以作为测量电压电平的电平表，只是表盘的刻度不同而已。电平表和交流电压
21、表上dB刻度线都是按绝对电压电平刻度，要注意的是电平刻度是以1mW功率消耗于600电阻为零分贝进行计算的，即0dB0.775V。(四)失真度的测量1 非线性失真和线性失真线性失真又称为频率失真，是由于器件内部电抗效应和外部电抗元件的存在，使得电路对同一信号中不用的频率分量的传输系数不同或相位移不同而引起的。线性失真一般采用频率特性来描述。非线性失真是由于器件的非线性引起的。两种失真的区别在于非线性失真使得电路的输出信号中产生了不同于输入信号的新的频率成分；线性失真则不会产生新的频率成分。非线性失真一般用非线性失真系数来描述。(五)噪声电压的测量在电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声
22、。从这个意义上说，噪声应包括外界干扰和内部噪声两大部分。1用交流电压表测量噪声电压2用示波器测量噪声电压 5.6数字电压表的误差与干扰1、DMM的绝对误差公式通常有两种表示形式：形式1（式一）形式2（式二）式中，为测量结果的绝对误差，为被测电压的示值，为所在量程的满度值，为电压表转换系数引起的误差，为电压表除转换系数以外的测量误差，为以数字表示的误差值。一式中，第一项称为增益误差，例如衰减器的分压比，放大器的增益所引起的误差，以 表示；第二项称为偏移误差，如放大器的失调误差，模数转换器的量化误差等，它在全量程范围内都是固定值，以 表示，因此上两式可以分别表示为：2、DVM的相对误差：式中表明了
23、相对误差 和被测电压 的关系。相对误差的第一项 不随时 的增大而改变，而相对误差的第二项 随 的增大而逐渐减小，直至 时，它等于 ，因此使用DVM时要注意选择合适的量程，使被测量 在所选量程上有较大的读数值，使 尽量接近 。3、DVM主要部件误差分析：DVM主要由输入电路、A/D转换器、显示器及控制电路组成，假设控制部分没有误差，而A/D转换器误差通常表现为量化误差。当满量程的数码N已定后，该误差也已确定，因此这里不分析，这里仅对DVM的输入部分进行误差分析。1）输入电路误差（详细分析略）DVM的输入电路一般由衰减器和放大器组成，测量的相对误差不只是各分项相对误差之和，而且要乘以相应的系数，如
24、衰减器的衰减系数，放大器的放大倍数及反馈系数。如果衰减器的衰减系数为1，反馈放大器增益也为1，称为DVM的基本量程，在基本量程时，测量误差最小。从电路上来说，这时的测量不用衰减器，而且放大器的反馈系数为1，上述引进误差的因数已被削弱，所以测量精度最高。以上误差属于误差公式 部分，此外，放大器的失调电流及等效失调电压会引起测量误差，它们的温漂也会引起测量误差，这些属于误差公式的 部分。2）A/D转换器的误差（详细分析略）通过分析我们知道对A/D转换器转换结果造成误差的因素很多，造成的误差一部分属于 部分，一部分属于 部分。4、DVM测量的误差合成：前面对DVM主要部件产生误差的原因进行了分析，那
25、么，DVM总的测量误差到底为多少？这要对各部件产生的误差进行合成。这里仅对DVM的输入电路及A/D转换器的模拟部分产生的误差进行分析。1）误差链及a、b误差系数的计算（页）A)误差系数a的求得：由多个部件构成的仪器可以由其链形电路结构的框图表示其输入输出关系。由图可以写出：式中为输入电压；为输出读数值；为各部件传递系数。对上式取对数并求微分得：由于是被测量，认为是不变化的，故令由上式可得：为仪器总的相对误差；为仪器各部件相对误差。总的仪器相对误差等于各部件相对误差之和。而这个误差是由仪器的转换系数产生的误差，所以属于误差公式中的部分。即：亦即：或者：这就是误差系数的表达式。）误差系数b的求得：
26、在仪器的链形结构的每一个部件中还存在不随被测量 变化的误差量，例如元件的失调电压、温漂等。这种误差属于误差公式中的 部分。在仪器的链形结构中认为每一部件所产生的有关 项的绝对误差都归算到各部件自身的输入端，它们分别为 。则它们全部归算到输入端的表达式为：因此，在仪器的输入端总的绝对误差为：或者：2）DVM中总误差的求取方法：按上面分析分别求得DVM的a、b两项误差的合成，并以和表示，而后得总误差的和部分。就的输入电路和转换器的模拟部分而言，假设输入电路的误差为和，转换器的模拟部分的误差为和，并且输入电路的传递系数为，则得：前面仅对的两个部件进行误差合成，严格说来，应考虑所有部件的误差的合成，才
27、是完善的结果，所以表达式应表示为：所以的测量误差的表达式如下：绝对误差为：相对误差为：电压测量的干扰及抑制技术电压测量从模拟方法到数字方法，在测量精度上不断提高，但由于实践的需要，还要求进一步提高电压测量的精度，就要知道影响电压测量精度的各种因素，以及为了提高精度而采取的各种措施。）随机性干扰：这种干扰信号是不确定的，如内部电子器件的热噪声、元器件的散弹噪声及现场的电磁干扰等。）确定性干扰：通常分为串模干扰和共模干扰两种。串模干扰是干扰电压与被测电压串联到的两个输入端和。抑制串模干扰的方法是：输入滤波法和积分平均法。共模干扰：产生共模干扰的原因主要是测量系统的接地问题。抑制共模干扰的方法是：屏
28、蔽和浮置。本章小结本章小结本章是关于基本电磁量电压的测量，是电子测量实现其他电学量与非电量测量的重要基础。本章完整叙述了电压测量的原理和方法，包括交流电压的模拟测量和数字化测量，并介绍了电压计量测试基标准，重点是数字化测量方法。首先介绍了电压测量的重要意义和特点。电压测量基本原理仍是基于比较法，将被测电压与参考电压比较，并同时转换为指针偏转角或时间间隔等，进行间接测量。表征交流电压的参数包括峰值、平均值、有效值和波峰因数、波形因数，对交流电压的测量，人们感兴趣的是有效值。各种指针式交流电压表（或称为模拟电压表、电子电压表）是实现交流电压测量的传统仪器。检波是实现交流-直流的电压变换基本原理和方
29、法，采用峰值、平均值、有效值检波器实现AC/DC变换，重点介绍了电压表的刻度特性和波形响应。电压表的灵敏度和带宽总是存在矛盾的，采用外差接收机原理的选频测量方法可大大提高测量灵敏度。实现直流电压的数字化测量的核心是A/D转换器（ADC），逐次逼近比较式ADC和双积分式ADC是最为常用的两种类型。理解A/D转换器的主要性能指标读数误差和满度误差。DVM在直流电压测量的基础上，可以实现对交流电压、直流电流、电阻、阻抗等测量，从而扩展了测量范围。通过内置微处理器，可大大扩展测量功能和提高测量指标，如自检、自动校零、自动增益、数据存储与数据处理、外部通信等，实现这些功能的数字多用表（DMM）是数字化电压测量高档仪器。作业：P216：1、2、3、4、5、7、15